为了验证所选择的仿壁虎机器人脚掌参数的合理性，研究该机器人在执行落腿动作时与接触面间的实际碰撞力大小以及机器人脚掌在黏／脱附运动时的足端力的变化，设计并搭建了三维力测试平台。将基底厚度为0.35 mm、双弧脚趾结构的仿壁虎机器人放置于该平台上，测试该机器人以对角步态在该倒置平面上原地运动时的足端与平面碰撞力以及黏附力的变化。平台实物如图6.32所示。

图6.32　负表面三维力测试平台实物

定义重力方向为正方向，仿壁虎机器人左前腿、左后腿、右前腿和右后腿分别对应的法向力为F1y、F2y、F3y、F4y，该运动过程中F1y，F2y，F3y，F4y的总和始终与其重力相等，将一个周期的变化过程分为A、B、C、D、E、F六个部分，仿壁虎机器人以对角步态在负表面测力平台上的一个周期原地黏附运动过程中各足端受力示意如图6.33所示。

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图6.33　仿壁虎机器人负表面原地黏附运动中各脚掌受力示意

仿壁虎机器人以对角步态在一个周期内的负表面原地黏附运动中的足端法向力变化曲线如图6.34所示。从图6.34中可以看出，初始状态为仿壁虎机器人四只脚掌均与光滑负表面接触黏附，此时F1y、F2y、F3y、F4y大小几乎相等，约为重力的1／4。过程A为左后腿与右前腿的脚掌通过舵机的转动实现自主脱附的过程，此时F1y、F2y、F3y、F4y表现为法向黏附力，由于干黏附材料的脱附角度较大，该脚掌的法向黏附力有一定程度增大，随着干黏附材料脱附面积的增加，脚掌的法向黏附力又逐渐减小，所以在脱附过程中F2y和F3y先增大后减小，F1y和F4y先减小后增大。过程B为左后腿与右前腿执行抬腿动作，同时舵机转动使脚趾处于放松状态为落腿做准备，此时左后腿与右前腿的脚掌与平面完全脱离，F2y、F3y都为0，由处于支撑状态的左前腿与右后腿承受仿壁虎机器人的重力，即F1y、F4y各为重力的1／2。过程C为左后腿与右前腿的落腿过程，此时F2y、F3y为脚掌与光滑负表面的碰撞力，为了保证机器人稳定黏附于负表面，左前腿与右后腿脚掌的法向黏附力F1y、F4y相应增加。由于该步态为对角步态，D、E、F的运动过程以左后腿与右前腿为支撑，与A、B、C的运动过程相同。

图6.34　仿壁虎机器人负表面黏附运动过程中法向力变化曲线

从图6.34中可以看出，仿壁虎机器人在以对角步态进行原地踏步运动时，其执行落腿动作产生的碰撞力可达到2 N，该实验数据结果验证了仿壁虎机器人的脚趾结构参数的合理性以及机器人较强的稳定性，为机器人实现负表面稳定黏附爬行做准备。