蛇腹鳞的结构特点及其摩擦行为.ppt

蛇是广泛生存于各种环境的古老生物，四肢退 化，没有脚，依靠脊柱两侧的肌肉组有节律地收缩 和舒张使蛇体弯曲，产生波浪式运动。陆生和树栖 的蛇，表面披着细小的鳞片，其腹面有一列特别大、呈覆瓦状排列的鳞片(腹鳞)能在肌肉作用下作前 后运动，是陆生和树栖种类蛇爬行的主要工具。蛇 的身体细长，周身有鳞片覆盖。在狭小的空间有很 好的通过能力。具有这种运动能力的机器人在灾难 搜救，狭小空间侦察等领域均有明确的需求。图（1）是美国密歇根大学的Johann Borenstein等设计的长度为1.2m的履 带式蛇形机器人原型，由5个模块单元 组成，在模块单元的四个表面上都设 置有履带，履带覆盖了机器人表面积 的80%。图（1）该机器人具有翻越障碍物的能力，甚至可以爬楼梯。但履带式还是不能 充分实现运动的灵活性。图（2）是国防科技大学张代兵等研制的蛇形机器人，该机器 人长1.2m、直径0.06m、重1.8kg，能像蛇一样运动身躯，在 地面或草丛中自主地蜿蜒运动，运动动力来源于蛇身的摆动，蛇身下面的轮子没有动力，只是用来改变蛇体横向和纵向的摩 擦系数比，最大运动速度为20m/min。图（2）图（3）图（3）是美国Adobe公司的Gavin Miller博士设计的S5型蛇形机器人，该 机器人和生物蛇具有相同的比例，可以 实现蜿蜒运动。这类机器人运动灵活，可以再凹凸不平的 道路上行走，提高了对松软地面的适应能 力，具有良好的地面适应性和运动稳定性。蛇在陆地上运动方式一般有四种：见图 4 图 4 蛇类的四种运动方式（a）蜿蜒运动：蛇在平坦宽阔的地面上采用的运动方式，是最常见的 运动方式依靠腹部表皮与地面之间的摩擦推动自身快速前进。在蜿蜒运 动过程中，蛇将身体摆成S形，身体各部分具有相似的运动轨迹。这种 运动的特点是效率高，所占空间大，但不适于在光滑表面运动，也不适 于体态庞大的蛇的运动。（b）伸缩运动：蛇在狭小空间的运动方式。当蛇进入狭小空间时，蛇 体的一部分在垂直面内蜿蜒成S形与地面接触，靠与地面的摩擦力推动 自身运动。其运动特点可以在狭小空间运动，运动效率低。（c）直线运动：体形较大的蛇的运动方式。借助腹部与地面的摩擦力 进行驱动，每次伸缩移动的距离非常小。其运动特点是适于笨重的蛇 的运动，运动效率低。（d）侧向移动：一种很好的适应沙漠环境的运动形式。从头部开始，身体部分顺次接地、抬起，完成前进运动，借助腹部与地面之间的摩 擦力移动，这种运动方式可以避免沙漠的炎热，保持蛇体较低的温度。其运动特点是效率相对较高，适于柔软地面，不适于狭小空间。另外，蛇类还有其他的运动形式，如跳跃、滑行冲击等。生物学研究表明，蛇类爬行动物的腹鳞还具有保护蛇体免于受到 损伤以及保持蛇体温度的作用，有不沾泥土、保持蛇体清洁并防止细 菌侵入的作用。蛇皮的组织结构 蛇皮表面具有不通色彩、不同式样的花纹。用光学显微镜 对菜花蛇、大王蛇蛇皮纵向切片的研究表明，蛇皮结构和 其他动物的相似，可分为三层，即表皮层、真皮层和皮下 组织层，如图 5所示 图 5 光学显微镜下蛇皮结构图 A-表皮层，B-真皮上层，C-真皮下层，D-角质层，E-色素细胞 图 6 扫描电镜下蛇腹鳞结构图 图 7 原子力显微镜下蛇腹鳞结构图 实验材料及方法 实验对象为菜花蛇3条，平均长（1.20.1）m，宽度在1520mm之间，重约（60050）g。忽略蛇头与蛇尾各20cm，将蛇的腹部分为10段，每段10cm，含有12个鳞片。实验前采用乙醚腹腔注射实施麻醉；待测试 的腹鳞部分先后用生理盐水和酒精清洗鳞片，自然风干。实验在多功能材料力学性能综合实验台上 完成（图 8(a)）。实验机上的二维力传感 器能够同时测定法向力和切向力。图 8(b)表示摩擦副的组成，图中ETH指上试样相 对蛇腹鳞从尾向头运动，HTE指由头向尾。测试位置选在蛇的腹鳞和侧鳞。法向力通 过试验测定，使蛇在嵌入了传感器的平面 上自由运动，测得平均支撑力为160 mN，据此试验机设置到法向载荷自反馈状态，并设定法向力范围16010 mN。每试验段 往复测量3次。图 8 图 9 沿不同方向的鳞片摩擦因数图 图9为典型的摩擦因数曲线。可见，上 试样从尾向头运动(ETH，相当于蛇向 前运动的驱动状态)时，摩擦因数显著 高于上试样从头向尾运动(HTE，相当 于蛇向前运动的滑移状态)时的摩擦因 数，平均值高约2倍。实验中测得的摩 擦力的变动和上试样在鳞片上的通过 时刻具有很好的对应性。表明蛇在运动 中鳞片是形成驱动力的关键，这种效果 类同于“冰刀效应”。图中ETH运动方式的平均摩擦因数高于HTE运动方式，反映了腹鳞微观 织构对摩擦性能的影响，大量组织观测表明在微纳尺度表面织构具有非 对称性，这种非对称性使其摩擦因数也表高度的非对称。在非鳞片区，ETH运动方向的摩擦同样高于HTE方向的结果。上述结果是在蛇麻醉 状态下获得的。在蛇自主运动条件下，腹鳞会在肌肉的驱动下收缩和 舒张，改变躯体与地面间的接触面积，调整蛇体与地面间 相互作用力的分布。本实验中鳞片在一定载荷的作用下引 起的蛇皮及其皮下组织的变形与蛇自主运动中的变形可能 不同，主要原因是神经控制下，表皮的组织刚度会发生显 著变化。推测神经调控下的鳞片位置和刚度的变化会迸一 步调节鳞片的机械锁合状态，在蛇的运动中获得更好的驱 动性能。另外，鳞片在ETH方向表现出来的摩擦因数最大 值的位置与HTE方向的位置不同，这样蛇在前进时在获得 较大动力的同时尽量地减少运动阻力，从而获得高的运动 效率。图10 蛇腹鳞和侧鳞的最大摩擦因数 图11蛇腹鳞和侧鳞的摩擦因数与方差 由图10和图11分析：ETH运动方向的最大摩擦因数、平均摩擦因数均显著高于HTE运动方向的值；其中 ETH方向腹鳞摩擦因数的最大值稍高于侧鳞的值，但HTE方向侧鳞的值明显低于腹鳞的值。提示腹鳞 和侧鳞在驱动方面具有相近的贡献，而运动中腹鳞 的阻力可能影响较大。生物学研究揭示，蛇在高速 运动时往往仅依靠身体的形成S型的波峰区域接触，该区腹鳞和侧鳞起到相近的作用。S型的非波峰区不 处于接触状态可能是蛇在百万年进化中减阻的办法。低速，特别是攀缘状态下，蛇体的腹鳞和侧鳞均处 于接触状态，以便产生较大的地面作用力，保障蛇在 复杂、危险环境下运动的可靠性。仿生蛇型机器人运动过程中，为形成有效的驱动，必须 保持接触部位摩擦力位于摩擦锥之内，使机器人不至于 产生滑动现象，这是蛇型机器人设计和控制的主要问题。提高机器人接触驱动部位的摩擦因数，有利于保障接触 摩擦力处于摩擦锥中，实现有效的机器人有效驱动。现 有蛇型机器人采用的辅助轮结构，驱动接触为轮子和地 面形成的点接触，摩擦因数有限，这增加了控制的难度，降低了有效驱动力和驱动效率。本文的实验初步揭示了 生物蛇的腹鳞和侧鳞设计具有高的驱动摩擦性能和低的 摩擦阻力。采用几何仿生的办法，为仿生机器蛇研制具 有蛇腹鳞和侧鳞摩擦特性的驱动“皮肤”可提高机器蛇的 驱动效率和越障能力。