1.1 研究背景和意义
随着科技的发展，人类对世界的探索欲望和能力日益增强，活动范围不断扩大，对于资源的探寻，知识的探索的渴求迅速增强。人类的生存环境中，仍有很多未被开发，例如：广阔的北极大陆架是地球上最大的尚未开发的石油储藏地。在这一地区，煤炭、钼、钽等矿产资源也十分丰富[1]，冰层下还蕴藏着约 20％世界尚未探明的油气资源[2]。月球储有丰富的金属资源，估计可开发利用的钛铁矿的总资源量约为 1500万 km3，月壤中存在纳米相的金属铁[3]，还有大范围的高镁区[4]。火星上有丰富的重氢（氖）及大量的多种金属元素。这些地域的资源因难以到达而无法利用。此外，地震、矿难等灾害事发区及排雷、侦察等危险军事活动不适宜人类参与，急需替代的机器人完成。然而，传统机器的运动能力和应用条件存在较大的局限性，无法为人类活动提供可靠的支撑。因此，在恶劣和复杂的环境中采用机器人替代人类完成工作已成为重要发展趋势，如：已广泛应用的工业机器人、军事机器人、医用机器人，正在发展的救援机器人、星球车等。对于移动机器人，则要求其具备更良好的运动能力、地面适应性和通过性，以应对复杂地面的严苛环境，因此，对移动机器人的研发提出了更高的要求。 牛津大学的教授罗伯特·梅（Robert M.M）认为，地球上的生物种类超过700万。每种生物在经过了千百万年的进化之后， 由于遗传和变异形成依靠其独特的生物结构和生存技能适应环境、抵御敌人的能力。科学家们逐渐认识到大自然的巧夺天工对科技发展的重要意义，以自然为师，从中汲取灵感。基于此，1960年美国学者 Jack Steele 提出“仿生学（Bionics）”的概念。它是一门生命科学、物质科学、数学与力学、信息科学、工程技术以及系统科学等学科的交叉学科[5]，将生物学与工程技术结合在一起，研究生物系统的结构、特质、功能、能量转换、信息控制等各种优异的特征，并把它们应用于技术系统，改善技术工程设备，创造工艺过程、建筑构型、自动化装置等技术系统。因此，师法自然，采用仿生学原理，设计、研制新型的机构、设备、材料和完整的仿生系统，是近年来快速发展的研究领域之一[6-7]。按照研究的领域，仿生学的研究内容包括：材料仿生、结构仿生、控制仿生等[8]。仿生机器人便是仿生学与机器人学相互融合的典型范例。
.......
1.2 松软地面移动机构触土部件研究进展
在通过沙地、沼泽、湿地等抗剪强度和承压能力差的松软地面时，移动机构极易发生沉陷，如何提高移动机构在松软地面的通过性成为许多研究者关注的焦点。作为实现移动的基础装置，触土部件的结构与移动机构的通过性能密切相关。一般来说，移动机构主要包括轮式、腿式和履带式三种基本形式，此外，还有移动机构由以上两种或两种以上的基本形式组合构成。相应地，移动机构的触土部件也可分为：轮、腿、履带等。不可否认，因具备运动快速高效、平稳、易操控的特点，轮式依然是目前应用最广泛的移动方式。但是传统的轮式移动机构对地面的连续性及平顺性要求较高，适应性差，在松软地面行进易发生沉陷、打滑，导致受困，且传统的橡胶轮胎易磨损，为改善车辆对地面的适应性，针对这些薄弱之处，研究者们从结构、材料等方面入手，对车轮做出大量改进和创新。
..........
第 2 章 不同地面条件下中华绒螯蟹步足运动学研究
2.1 引言
运动是动物捕食、逃逸、生殖、繁衍等行为的基础[105]，运动学和动力学对生物运动研究具有重要的意义和作用。通过研究动物在运动中表现出的运动学、动力学等参数，来揭示其运动的基本规律，进而用于仿生技术的探索。 运动学测试主要是获取动物在运动过程中各个环节的位置、速度和加速度，目前多采用非接触方式测量[106]。最常用的是录像解析的方法，即将不同数目的摄像机分布于不同位置进行拍摄，然后结合三维空间重构方法得到被检测物体的空间坐标。除此之外，还有红外光点测量法、激光测量法、雷达测量法等[107]。而动力学的测量主要依靠传感器、电极等组成的接触式系统。如：南京航空航天大学研制的壁虎测力系统[105]、美国 Kellar Autumn 等测量单根壁虎刚毛与光滑表面间的粘着力时使用的二维微力传感器[108]、测量人体或动物运动时肌电信号（EMG）的表面电极[109]等。本文采用非接触测试方法作为主要测量手段。 作为一种常见的十足甲壳纲动物，螃蟹依靠其独特的几何特点和运动形式能够适应多种复杂地面[11,110]。许多学者都对当地的螃蟹运动特点做了研究。Mitchell 等[111]测定了雪蟹（Chionoecetes opilio）在跑步机上行走时长节-腕节关节角和肌肉伸缩力矩。Chapple[112]分析了寄生蟹（Pagurus pollicarus）前向行走与侧向行走的腿节位置与关节角。其他还有关于招潮蟹（Uca puguax）[113]、幽灵蟹（Ocypode ceratophethalma）[89,100]、食草蟹(Grapsus tenuicrustatus)[92]、沙蟹（Blepharipoda occidentalis）等蟹种的相关研究，这些都为本章研究提供了重要参考。 中华绒螯蟹(Eriocheir sinensis)是我国一种典型的淡水蟹种，在硬地面和泥沼等松软地面均具有很强的运动能力。目前的研究多集中于对它步态的提取，其他生物力学研究较少。吉林大学的张晓冬等[93-95]对其运动步态、能量转换方式等做了研究工作。但不同地面对中华绒螯蟹运动表现的影响及其适应调整方法仍缺少可以查询的资料。因此，本章研究了中华绒螯蟹在斜坡地面、水平地面和沙地上的运动表现，对比质心、步足各个关节角等参数的变化，分析各步足在运动中的作用，探索中华绒螯蟹的运动规律和地面适应能力。
.........
2.2 试验材料与试验设备
试验所使用的中华绒螯蟹购买于当地水产市场，年龄约 18~19 个月。所选样本共7 只，其中，4 只雄性（81~174g），3 只雌性（63~77g）。样本买来后放在鱼缸内饲养1-2 天，定时喂食和换水，使螃蟹充分适应实验室环境，试验时的室内温度约为 23℃。 用游标卡尺和电子天平（JJ323BC，G&G，苏州）分别测量螃蟹的甲壳尺寸（长×宽）和体重，得到测量数据和统计结果如表 2.1 所示。试验时，高速摄像机（图 2.2a）摄像频率设定为 120 帧/秒，分辨率为 640 × 480。闪光灯（图 2.2b）用于标记试验开始时间，以便后期使用运动分析软件进行图像分析时寻找起始点，使两台摄像机录制的图像同步。16 点标定架（图 2.2c）用来确定螃蟹的运动区域，进而在图像处理时确定螃蟹各标记点的坐标；手持 3D 激光扫描仪（图2.2d）用于沙地试验结束后扫描螃蟹运动后留下的痕迹；标记点用来标记试验所需观察的螃蟹身体关键部位，分析时只需确定标记点的坐标，即可获得相应的运动学参数。图 2.2e 为试验中使用的标记球，是依据螃蟹的标记身体尺寸选择的塑料圆球，并用涂料涂抹在圆球表面，为了增强图像的颜色对比，使标记点易于分辨，硬地面试验时选用白色涂料；而沙地试验中使用的贝壳沙为乳白色，所以将标记点涂抹成红色。SIMI motion 3D 运动分析软件用于对摄录图像的处理和分析，以获得标记点的坐标和所需的运动学参数。
........
第 3 章 中华绒螯蟹步足指节生物学特性研究 ......... 43
3.1 引言 ........... 43
3.2 中华绒螯蟹步足指节材料 ......... 43
3.3 中华绒螯蟹指节形态结构 ......... 46
3.4 中华绒螯蟹指节三点弯曲试验 ......... 55
3.5 小结 .... 58
第 4 章 仿蟹步行足的设计与试验研究 ..... 61
4.1 引言 ........... 61
4.2 仿蟹步行足设计 ........ 61
4.3 仿蟹步行足性能 ........ 65
4.4 关于步行足沉陷与推进性能的讨论 ......... 74
4.5 仿生触土部件水平阻力模型 ..... 77
4.6 小结 .... 83
第 5 章 仿蟹步行机构研究 ........ 85
5.1 引言 ........... 85
5.2 腿部机构选择 .... 85
5.3 仿蟹步行机构步态规划 ..... 88
5.4 整体传动布局与样机设计 ......... 89
5.5 仿蟹步行机构运动仿真分析 ..... 91
5.6 仿蟹步行机构通过性试验 ........ 92
第 6 章 基于仿生足的仿蟹步行机构通过性能试验
6.1 引言
在轮式移动机构与土壤作用的研究中，挂钩牵引力、驱动转矩、负载、滑转率等参数是广泛用于评价车辆性能的重要指标，拥有成熟的理论。但腿式机构的研究多着重于越障、爬坡等表现，缺乏相关成熟的评价体系，由此，本研究部分借鉴轮式车辆通过性能的评价指标测试步行机构的性能。 触土部件是影响行走机构性能的重要组成。第 4 章和第 5 章分别讨论了仿生步行足和仿蟹步行机构的优良性能，但对于仿生步行足的性能测试只限于土槽试验的力学参数测试，并没有将其
