答辩博士：王伟
指导教师：吉爱红 研究员/博导
论文题目：大壁虎侧向摆动形态的运动学分析及其仿生研究
答辩委员会名单：
主席：王禹林 教授/博导 南京理工大学
委员：徐林森 研究员/博导 河海大学
于敏 教授/博导 南京航空航天大学
朱孔军 教授/博导 南京航空航天大学
黄巍 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：陈光明讲师/硕导 南京航空航天大学
答辩时间：2022-06-02 上午9:30
答辩地点：南航明故宫校区6#6218
学位论文简介：
论文遵循仿生学的一般理论体系，沿着动物实验、生物运动的行为与机理分析、运动学模型构建、设计仿生机构并应用仿生控制算法这一系列的路线进行研究。从大壁虎(Gekko gecko)运动学形态研究入手，进行动物运动行为实验系统和实验方法的设计；观测大壁虎在水平、倾斜、垂直表面直行运动的运动行为，分析其运动学特征；并根据所获取的躯干和肢体关节的三维坐标数据计算关节的角度变量，分析动物的速度调控策略和爬壁稳定性特征；建立具有多关节脊柱的仿生运动模型，分别从脊柱运动学解耦模型和四自由度肢体模型两个方面进行运动学特征分析和运动学逆解；设计基于生物神经控制的运动匹配算法，重构动物的关节运动；基于运动学模型，设计仿壁虎机器人，应用仿生运动匹配算法进行机器人的速度调控；观测大壁虎在狭小空间原地转弯的运动行为，设计基于运动学模型的转弯算法，并进行运动学优化；应用转弯算法，进行仿壁虎机器人的原地转弯运动控制。该项课题能够对发展具有灵活和高效运动的仿生足式机器人和控制算法的研究有一定的助益和启发。
论文主要研究内容和取得的成果如下：
(1) 使用Micro-CT设备对大壁虎骨骼系统进行扫描并且三维重构，研究大壁虎躯干易于侧向弯曲摆动的形态学特征；应用光学式运动捕捉系统，开展大壁虎直行运动学和转弯运动学特征的观测和影像记录；基于骨骼系统的分析结果，确定大壁虎身体上贴附的标记点数量和位置；通过视频分析与数据处理软件获取标记点的三维坐标信息，实时模拟运动轨迹，并进一步分析大壁虎的运动行为。
(2) 利用光学式运动捕捉系统，分别记录大壁虎在水平面、45°倾斜面和垂直面直行的运动行为。分析其速度调控策略，发现大壁虎随着运动速度的增加，其侧向摆动形态呈现从驻波向行波的转换。驻波中，大壁虎的躯干呈现单峰值曲线，而在行波中波形从头至尾传播。开展关节角度变量分析，发现大壁虎动态的调整躯干与肢体的关节角度以适应运动速度和运动环境的变化，显示了匍匐姿态脊椎动物运动的一般机制，即股骨和肱骨的前后摆动、膝关节和肘关节的屈伸，是贡献运动能力的主要因素。说明动物的运动稳定性和爬壁稳定性与肢体的关节角度的变化相关。基于关节角度的分析，应用四自由度模型表征肢体的运动。
(3) 分析脊柱的关节角度变量的频率与幅值，采用余弦函数表征脊柱的关节角度变量，建立脊柱的关节解耦模型；基于四自由度模型，进行肢体的关节角度变量逆解；建立具有多自由度柔性脊柱的运动学模型；根据运动学分析结果，设计基于振荡器的仿生运动匹配控制算法；基于运动学模型设计仿壁虎机器人，并应用运动匹配算法实现机器人的速度调控。
(4) 利用光学式运动捕捉系统，观测大壁虎在狭小通道的原地转弯运动，对关节标记点三维数据进行分析，研究大壁虎基于脊柱的柔性和肢躯协调来实现小半径空间的转弯策略；将一个完整的原地转弯运动行为分解成两个子过程，采用五次多项式进行仿壁虎模型转弯运动的轨迹规划；基于冗余机构自运动控制原理设计迭代优化算法，最大程度仿真大壁虎的躯干曲线，实现能量高效运动；将转弯算法应用在仿壁虎机器人上，进行机器人的原地转弯运动规划验证。
主要创新点
(1) 引入肩带和骨盆带旋转关节变量，构建脊柱解耦模型；
(2) 基于动物运动行为观测和神经控制方法，设计仿生运动控制算法；
(3) 设计具有多自由度脊柱关节的仿壁虎机器人。
