[发明专利]壁虎空中姿态调整与着陆运动测试系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于仿生运动测试领域，具体涉及一种壁虎空中姿态调整与着陆运动测试系统及方法。

背景技术

关于生物壁虎的运动行为观测，国外著名生物学家Robert Full的研究团队发现了壁虎尾巴在爬行跳跃飞行中能够调节姿态，具有有效的平衡功能。由此，他们研发了一种带有尾巴姿态自调节功能的移动小车。这种移动小车的尾巴可以在降落的过程中调节姿态，保持车身的平衡性，从而落地时不会倾翻。2012年，相关的论文发表在《Nature》期刊，他从生物学研究角度，定性验证了壁虎尾巴具有一定的调节姿态功能。

国内，南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所的戴振东科研团队，开展了壁虎的运动行为与力学测试技术研究，研制的三维力测试阵列可记录壁虎在地面、竖直面和天花板面运动的力学性能，同时高速摄像可记录壁虎行走步态。但目前还未开展关于壁虎自由落体和缓冲着陆过程中运动姿态调控和碰撞力学性能综合测试研究。

仿壁虎空间机器人作为全新的空间在轨服务机器人概念的提出，将在未来航天领域具有广泛的应用前景和研究价值。我们设想发展“寄生”的新型仿壁虎空间在轨服务机器人（几公斤～几十公斤)，该机器人具有小型化、轻量化、低成本、运动范围大、可自主移动检测功能，由航天器母船发射飞行、“着陆”到目标航天器(一般几千公斤)表面，并在目标航天器上稳定粘附运动完成空间检测维护或特种操作任务。

为此，我们从仿生学研究出发，开展壁虎空间姿态调控和着陆缓冲的仿生研究，研制了一种壁虎空中姿态调整与着陆运动测试系统及方法，为开展仿生学研究提供了硬件设备和实验观测技术途径，为开展地面模拟微重力环境下仿壁虎空间机器人调姿-着陆提供仿生机理研究手段。该领域在国内外属于前瞻性研究，设计的壁虎空中姿态调整与着陆运动测试系统将具有一定创新性，相关的壁虎空中姿态调控和着陆缓冲力学性能的仿生机理研究，将取得国际领先成果。

发明内容

本发明的目的在于为仿壁虎空间机器人调控姿态和着陆研究提供了姿态控制和着陆碰撞的仿生新方法。

壁虎空中姿态调整与着陆运动测试系统，其特征在于：

包括支撑架底座，及分别垂直固定于支撑架底座的着陆板支撑柱和Y向标尺支撑柱；还包括与着陆板支撑柱铰接，并通过固定于着陆板支撑柱上的着陆平板旋转驱动电机驱动的着陆平板；还包括固定于Y向标尺支撑柱上且高度可调的支撑横梁，以及安装于支撑横梁上可沿支撑横梁滑动的滑动横梁；上述滑动横梁下方还安装有透明板、左翻板、左翻板驱动电机、右翻板和右翻板驱动电机；其中透明板与所述滑动横梁平行固定，左翻板左边与滑动横梁铰接，并通过固定于滑动横梁的左翻板驱动电机驱动，右翻板右边与滑动横梁铰接，并通过固定于滑动横梁的右翻板驱动电机驱动，上述透明板、左翻板和右翻板之间构成壁虎停留空间；该系统还包括布置于着陆平板上的三维力传感器阵列、X向高速摄像机、Y向高速摄像机、Z向高速摄像机、计算机控制终端、力传感器数据采集系统；其中X向高速摄像机、Y向高速摄像机、Z向高速摄像机均与计算机控制终端相连，三维力传感器阵列经过所述力传感器数据采集系统与计算机控制终端相连，着陆平板旋转驱动电机与计算机控制终端相连；设置XYZ坐标系；其中X轴与滑动横梁平行，Y轴与Y向标尺支撑柱平行，Z轴与着陆平板旋转驱动电机输出轴平行。

利用上述壁虎空中姿态调整与着陆运动测试系统的测试方法，其特征还在于包括以下过程：

步骤1、将壁虎放入透明板、左翻板和右翻板之间构成的壁虎停留空间；

步骤2、使X向高速摄像机、Y向高速摄像机、Z向高速摄像机均对准观测区域，其中Y向高速摄像机是从透明板上方对准观测区域的；通过计算机控制终端高速记录X轴向视频图像信息；

步骤3、其中壁虎空中姿态调整与着陆运动测试时，调整好支撑横梁与支撑架底座之间实验所需自由落体高度，驱动左翻板驱动电机和右翻板驱动电机，以便打开左翻板和右翻板，壁虎开始自由落体运动，通过X向高速摄像机、Y向高速摄像机、Z向高速摄像机观察壁虎在空中的姿态变化，计算机控制终端记录过程中视频图像信息；

步骤4、通过计算机控制终端调节着陆平面驱动电机，设置着陆平板的不同倾斜角度，观测不同倾斜平面时，计算机控制终端采集壁虎与三维力传感器阵列之间的碰撞接触力，结合X向高速摄像机、Y向高速摄像机、Z向高速摄像机观察壁虎在着陆瞬间时视频图像信息，分析壁虎着陆运动时的缓冲粘附机制。

本发明与现有技术相比有如下优点：