之前已经讨论了不同厚度的PVC片基底对干黏附材料黏附力大小的影响，设计了三种脚趾结构并讨论了不同脚趾结构在不同脚趾运动模式下的仿壁虎机器人脚掌的最大法向黏附力。仿壁虎机器人在黏附运动过程中单腿执行落腿动作时将与目标平面产生碰撞力（即瞬时预压力），且该碰撞力的大小与碰撞时的速度有关，执行落腿动作的脚掌与平面的碰撞力的大小不仅直接影响了该脚掌法向黏附力的大小，同时也一定程度地影响了其他脚掌的黏附情况，这对仿壁虎机器人实现在负表面的稳定黏附运动将产生较大的影响。因此本次试验将从以下四个方面讨论仿壁虎机器人单只脚掌的在碰撞情况下的影响因素：①所设计的不同脚趾结构与碰撞之后脚掌最大法向黏附力的关系；②脚趾的不同形变状态与碰撞之后脚掌最大法向黏附力的关系；③基于碰撞条件下PVC片厚度与碰撞之后脚掌最大法向黏附力的关系；④不同碰撞速度与碰撞之后脚掌最大法向黏附力的关系。

其中脚趾形变状态可分为两种，一种为脚趾不受细线拉扯时，脚趾处于放松状态，此时仿壁虎脚掌与目标面发生碰撞时PVC片可产生一定缓冲作用，将该脚趾状态定义为状态A；另一种为脚趾受细线拉扯至与水平面平行的状态，此时仿壁虎脚掌与目标面发生碰撞时的预接触面积最大，将该脚趾状态定义为状态B，其中预接触面积指在脚掌与平面发生接触碰撞之前，其与平面之间的有效可接触面积。由于在脚趾受细线拉扯至向上弯曲的情况下，仿壁虎脚掌与目标面发生碰撞时接触面积随着角度的增大而减小，法向黏附力也随之减小，不满足设计要求，因此不予考虑。仿壁虎机器人脚掌的两种脚趾形变状态如图6.25所示。

图6.25　仿壁虎机器人脚掌的两种脚趾形变状态

本次试验选择脚趾的干黏附材料大小为25 mm×45 mm，五种PVC片基底厚度为0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm，仿壁虎机器人脚掌与目标面的碰撞速度为1 m／s、2 m／s、3 m／s、4 m／s，根据h＝v2／2g计算可得对应的下落高度约为5 cm、20 cm、45 cm、80 cm。

实验过程中将仿壁虎机器人脚掌套在光滑的碳纤维管组成的运动导轨上，在标记好的位置让其实现自由落体运动，并计算仿生脚掌与碰撞平面发生碰撞时的速度（忽略空气阻力），再手动将碰撞后的脚掌向上拉起，测试其该状态下的最大法向黏附力。在所有测试实验中，定义干黏附材料的法向黏附力（Fy）沿着y轴方向，摄像机记录实验过程，上位机记录传感器的法向力（Fy）数据。本次实验共进行了120组，为保证实验数据的准确性，每组实验均进行了N次（N≥10），且在做完一组实验后及时更换干黏附材料，以减少不确定因素对黏附力的影响。每组选取其中的10次有效数据，对其取平均数并计算标准差。

首先测试了采用全部贴合脚趾结构的仿壁虎脚掌以不同速度（1 m／s，2 m／s，3 m／s，4 m／s）与目标面发生碰撞后的最大法向黏附力，碰撞后仿壁虎脚掌的最大法向黏附力如图6.26所示。

图6.26　全部贴合脚趾结构的仿生脚掌碰撞后的最大法向黏附力

从图6.26中可以明显看出，当脚趾结构采用全部贴合结构时，仿壁虎机器人脚掌在基底厚度较薄（0.1 mm，0.2 mm）的情况下，与平面碰撞后的最大法向黏附力更大，且对不同的碰撞速度的适应性更好；相较于状态A，状态B不同厚度基底的仿壁虎机器人脚掌对碰撞力的适应性更好。较薄的基底与碰撞平面更容易接触，其接触面积较大，受到碰撞反弹力时，四片脚趾之间向内缩合，使脚掌不易与平面发生分离。当PVC片基底厚度为0.5 mm时，状态A的仿生脚掌在以1 m／s的速度与光滑镜面发生碰撞后，其最大法向黏附力为0，以2 m／s的速度发生碰撞后的最大法向黏附力可达到13.5 N；而状态B的仿壁虎脚掌在以1 m／s和2 m／s的速度分别与光滑镜面发生碰撞后的最大法向黏附力相差不大，分别为5.8 N和7.3 N。因为0.5 mm的PVC片有一定的弹性，当该脚掌与平面的黏附力大于PVC片发生形变的弹力时，脚掌才可以在镜面黏附，而当脚趾处于放松状态时，碰撞速度为1 m／s的碰撞力不足以使以0.5 mm的PVC片为基底的干黏附材料的黏附力克服PVC片的弹力。

采用单弧脚趾结构的仿壁虎脚掌与目标面发生碰撞后的最大法向黏附力如图6.27所示。从图6.27中可以看出，当脚趾结构采用单弧结构时，无论脚趾处于状态A还是状态B，PVC片基底较薄（0.1 mm，0.2 mm）时，仿壁虎机器人脚掌在发生碰撞后的最大黏附力更大，且脚掌的最大法向黏附力随着碰撞速度的增大而增大，但随着接触面积百分比趋于100%，最大法向黏附力也接近最大值。脚趾处于状态B比状态A的仿壁虎机器人脚掌对碰撞速度的适应性更好，且在PVC片基底厚度为0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm时，其发生碰撞后的最大法向黏附力有明显的增大。相较于全部贴合的脚趾结构，在脚趾结构为单弧时，较厚的基底与碰撞平面的接触面积较大，一定程度上增大了其最大法向黏附力。

图6.27　单弧脚趾结构的仿生脚掌碰撞后的最大法向黏附力

采用双弧脚趾结构的仿壁虎脚掌发生碰撞后的最大法向黏附力如图6.28所示。从图6.28中可以看出，采用双弧脚趾结构的仿壁虎脚掌以不同厚度PVC片为基底时，对碰撞速度的适应性都比较好，即当脚掌基底厚度和脚趾状态都相同时，碰撞速度对脚掌最大法向黏附力影响相对较小。碰撞后的黏附力与全部贴合和单弧的脚趾结构相比，当PVC基底厚度较薄（0.1 mm，0.2 mm）时，采用双弧脚趾结构的仿壁虎机器人脚掌发生碰撞后的最大法向黏附力更大；基底厚度为0.4 mm、0.5 mm时，脚掌发生碰撞后的最大法向黏附力变化不大，但对速度的适应性更好。基底厚度为0.3 mm的脚掌发生碰撞后的最大法向黏附力明显减小。(www.daowen.com)

图6.28　双弧脚趾结构的仿生脚掌碰撞后的最大法向黏附力

影响仿壁虎脚掌发生碰撞后的最大法向黏附力大小的因素较为复杂，经分析，得出上述结果的主要原因如下：前期的预压力与法向黏附力关系的研究结果表明，一定范围内预压力越大法向黏附力越大，脚掌与平面发生碰撞时的力可视为瞬间预压力。速度越大冲量越大，即瞬间预压力越大，较薄的PVC片上附着的黏附材料与碰撞平面的接触面积大，在脚掌被反弹的过程中，较薄的PVC片有一定的缓冲力，法向黏附力远远大于反弹力；PVC片较厚时，一方面由于自身较硬，发生碰撞时产生的形变量大从而产生较大反弹力，另一方面干黏附材料与碰撞平面接触面积相对较小，法向黏附力不够大。

针对这一现象，以v＝4 m／s为例，对不同基底发生碰撞前后受力情况进行分析，实验过程示意如图6.29所示。当脚趾有黏附材料时，若黏附力小于反弹力，则脚掌会脱离平面，黏附力变小为0，如图6.29（b）所示；若黏附力远大于碰撞产生的反弹力，则脚掌不会被弹开，且在反弹力的作用下，脚掌与平面间的作用力表现为黏附力，如图6.29（a）所示。实验过程中产生的力数据通过力传感器采集，碰撞力数据如图6.30所示。

图6.29　碰撞过程受力示意

图6.30　碰撞过程受力变化曲线

仿壁虎机器人单脚掌碰撞黏附性能测试实验结果表明：当机器人脚趾采用双弧结构、脚趾形变状态为状态B、基底厚度为0.2 mm时，其脚掌在与平面发生碰撞后的法向黏附力最大。当基底厚度为0.2 mm时，在三种脚趾结构和两种脚趾形变状态下，脚掌的最大法向黏附力在一定范围内都随着碰撞速度的增加而增大，超过一定范围之后由于反弹力过大导致干黏附材料与平面接触面积略有减小，从而导致黏附力略有下降。从测试数据中可得双弧脚趾结构、脚趾形变状态为状态B时，脚掌在与平面以3 m／s的速度发生碰撞后的法向黏附力最大可达到23.1 N。

仿壁虎机器人在进行黏附运动过程中脚掌落腿时与接触平面间的力包括一定的预压力和碰撞力，且产生的碰撞力较小（为1.5～3 N），与脚掌自由落体碰撞速度为1 m／s时产生的碰撞力相当。仿壁虎机器人脚掌在约5 cm、20 cm高的位置自由落体时，碰撞速度分别为1 m／s和2 m／s，当仿壁虎机器人进行负表面黏附运动时，受落腿高度和舵机转速限制，其落腿速度小于2 m／s。第4章的实验结果表明在预压力相同情况下，双弧脚趾结构的脚掌法向黏附力更大，考虑到当脚掌与平面发生碰撞的速度低于1 m／s时，在实验室已有的实验条件下，难以控制下落高度的精度，结合仿壁虎机器人实际情况，本书选择不同厚度的PVC片（0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm）为基底，对采用双弧结构且其形变状态为状态B的仿壁虎机器人脚掌进行小预压力下的最大法向黏附力测试。因实验过程中预压力较小、脚掌自重不可忽略，脚掌所受实际预压力分别为1 N、3 N、5 N，实验结果如图6.31所示。

图6.31　小预压力下双弧脚趾结构的脚掌最大法向黏附力

从图6.31中可以看出，在其他条件相同时，一定范围内双弧脚趾结构的脚掌最大法向黏附力随基底PVC片厚度的增大先增大再减小，且预压力越大，脚掌最大法向黏附力变化趋势越明显。当基底厚度为0.3 mm时，双弧脚趾结构的脚掌最大的法向黏附力在不同预压力下都最大。该测试结果表明在不同预压力和碰撞力下的脚掌最大法向黏附力有明显差异，在碰撞情况下的脚掌受碰撞反弹力和黏附力的影响，在发生碰撞后脚掌与平面有来回震荡现象，该震荡对脚趾干黏附材料与镜面间的接触面积产生影响。

基底较薄（0.1 mm，0.2 mm）的脚掌虽然最大法向黏附力很大，但从黏附材料模型中可以看出其参与受力的黏附单元较少，在持续受力的情况下有效黏附力较小。仿壁虎机器人在负表面运动时持续受重力影响，基底较薄的脚掌容易脱附，而基底较厚的脚掌有效黏附面积较小，因此都不适用于进行负表面黏附运动的机器人。机器人落腿动作是脚掌与目标面发生碰撞后脚掌对目标面持续挤压共同作用的结果，综合考虑仿壁虎机器人在负表面黏附运动的实际情况，当基底厚度为0.3～0.4 mm时，双弧脚趾结构的仿壁虎机器人脚掌所提供的最大法向黏附力都可以为机器人实现负表面稳定黏附运动提供保障。