专利名称：一种悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力的测量装置与方法
技术领域：
本发明涉及一种悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力的测量装置与方法，属于生物活体与表面爬附力测量技术领域。
背景技术：
运动是动物的基本特征，是动物捕食、逃逸、生殖、迁徙等行为的基础。动物的运动行为是在内力作用下(肌肉力)动物与环境间相互作用的结果。地面上生活的足类动物通过足掌和地面间的相互作用，实现驱动、稳定、机动等运动行为。例如苍蝇、蚂蚁、蟋蟀等昆虫在光滑的表面快速爬行，甚至能倒吊在天花板上。这吸引了无数生物学家的兴趣，并且开展了广泛的研究。研究发现，许多昆虫足上都有着形态各异的粘性爬附垫。这些爬附垫可迅速释放，并且通过爬附垫产生的爬附力控制行进和奔跑。其爬附机制显示了惊人的结构多样性和卓越的性能。对足-面间爬附力的测试是认识动物运动规律的重要途径，揭示动物运动的力学规律，对了解机器人的动力学设计，提升机器人的性能，以及用所获得的信息对仿生机器人设计具有重要指导意义。悬臂梁式测量装置被广泛用于动物爬附力的测量，例如专利申请号为 200510094990. 0的“二维小量程力传感器”通过在方形且没有扭转的悬臂梁左右和上下两面分别粘贴两个应变片来测试垂直和水平方向的力，但是该装置最小分辨率为lmN，不能满足小型昆虫的测试要求；中国专利申请号为200510023641. x的“二维微力测量传感器”，采用弹性体悬臂结构，由相互垂直的立式弯曲梁和卧式弯曲梁组成，通过其上粘贴的应变片组成的桥式电路可以测得垂直分力和水平分力，并保证测试精度和分辨率，它的缺点在于弹性体刚度�。菀妆湫危还逃衅德实停焕诙馐裕幻挥泄乇；そ峁梗蛔ɡ昵牒盼�200710011275. 5的“压电薄膜悬臂链式微力传感器的微力加载装置”，解决了微牛顿级力加载的测量，但是测试量程较小，只能用于扫描力显微镜等精密测试仪器中。上述专利都与本发明的装置和方法不同，亦不用于昆虫爬附力的测量。近几年来有一些关于测量动物与表面间接触力的测试装置和测试方法。例如专利申请号为200810203235. 5 “一种测量生物活体与物体间粘附力的测力装置及测试方法”提出了一种运用杠杆原理测量生物活体与物体间爬附力的测力装置和测试方法，但是该测试方法制样复杂、测试步骤繁琐，而且试样台固定，只能测试垂直方向的爬附力，测试范围较小。专利申请号为CN200810156169. 0的“动物足-面接触反力的测试方法及系统”提出了可以同时测量动物在水平面、垂直面和天花板(悬位)运动时每只脚掌与附着表面间的接触反力的测试方法和系统，但是该传感器阵列布置太过繁琐，而且只局限于测试三种特殊状态下的动物-表面接触情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力的测量装置与方法，以解决目前在此类测量上装置与方法的不足、测量复杂、低精度及对昆虫或小型动物的伤害。通过扭转悬臂梁上的z向应变片和I向应变片测量垂直分力和水平分力，通过俯视摄像和侧视摄像观察昆虫或小型动物所处位置和步态，以实现高精度、数字化、自动化、多角度测量昆虫或小型动物爬附力。为了达到上述目的，本发明提供了一种悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力的测量装置，包括悬臂梁握持器、应变片测力单元、试样台、xy轴移动机构、z轴移动机构和CCD成像系统，xy轴移动机构连接z轴移动机构和试样台，悬臂梁握持器连接应变片测力单元。优选地，所述的悬臂梁握持器包括扭转悬臂梁，扭转悬臂梁的前端设有握持孔，握持孔连接牵线，扭转悬臂梁的根部设有四个梁组成的扭转段，四个梁依次转动90°。优选地,所述的应变片测力单元包括z向a、b应变片，z向C、d应变片、y向a、b 应变片和y向C、d应变片；所述的z向a、b应变片和z向c、d应变片以及y向a、b应变片和y向C、d应变片分别组成桥式电路。优选地，所述的试样台包括托杆，托杆的一端连接托板，托板上设有试样板，试样板上设有实验罩，实验罩具有门，托板的四个角固接固定块。优选地,所述的xy移动机构由X步进电机、X螺杆、X螺母、xy架、y步进电机、y 螺杆和I螺母组成；所述的X步进电机连接X螺杆，X螺杆连接X螺母，所述的y步进电机连接I螺杆，I螺杆连接I螺母，所述的Xy架与X步进电机、y螺母固接且与X螺杆转动连接。优选地,所述的z轴移动机构包括z步进电机、z螺杆、z螺母和zy架；所述的z步进电机连接z螺杆，z螺杆连接z螺母，z螺母固接zy架。优选地，所述的CXD成像系统包括俯视摄像机、侧视摄像机和投影光源。优选地，所述的悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力的测量装置还包括数据处理与控制系统，所述的数据处理与控制系统包括计算机，计算机连接测力�？�、图像分析�？楹颓刂颇？椋龅挠Ρ淦饬Φピ�2包括z向a、b应变片，z向C、d应变片、y向a、b应变片和y向c、d应变片,所述的xy轴移动机构包括x步进电机和y步进电机，所述的z轴移动机构包括z步进电机，所述的CCD成像系统包括俯视摄像机、侧视摄像机和投影光源， 所述的测力�？榱觶向a、b应变片，z向C、d应变片、y向a、b应变片和y向C、d应变片，所述的图像分析�？榱痈┦由阆窕筒嗍由阆窕龅那刂颇？榱覺步进电机、y步进电机、z步进电机和投影光源。本发明还提供了一种悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力的测量方法，采用上述的悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力的测量装置，具体步骤为第一步将昆虫或小型动物置于试样台上；第二步以所述的应变片测力单元和CCD成像系统观测昆虫或小型动物自由爬行时的爬附力及其步态，所述的试样台下移时测爬附力，或快速水平移动测昆虫或小型动物的步态失衡速度和爬附力；所述的步态是指昆虫或小型动物爬行的步姿和触地脚数；所述的失衡是指昆虫或小型动物的侧翻或滚动；第三步计算昆虫或小型动物的爬附力。所述的悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力的测量装置，测试过程中是昆虫或小型动物的自主行为，故可用于昆虫及壁虎、树蛙等小型动物爬附力的测量。由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果(a)由于是悬臂梁式的应变片测量，其适用对象的范围更广，能够测量在不同种类昆虫或小型动物活体，如蝇类、蟋蟀、甲虫或蚂蚁等与粗糙表面间的爬附力，也可以用于壁虎、树蛙等小型动物的爬附力研究；(b)测试时，对昆虫或小型动物活体试样的处理简单，对于不会飞行或跳跃的生物活体试样直接进行试验，试验速度快，成本低；(C)既可以测量昆虫或小型动物自主状态下的爬附力，又可以测试昆虫或小型动物特定状态下的爬附力，以及昆虫或小型动物在整个实验过程中的步态和脚掌的接触足数和状态，故可以用于研究昆虫或小型动物的运动行为和脚掌功能；(d)测试过程实现了数字化、自动化，而且测试昆虫或小型动物自主行为，故该装置干扰小、测量精准、重现性好。
图I是悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力测量装置的主视图；图2是悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力测量装置的俯视图；图3是y，z向a，b，c，d，4个电阻应变片构成的桥式电路图；图4是实验罩的结构示意图；图5是悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力的测试装置的数据处理与控制系统图；图中1-悬臂梁握持器，其包括11-扭转悬臂梁；12_握持孔；13_牵线；14_扭转段；2-应变片测力单元，其包括21-z向a，b应变片(a上，b下)；22_z向c，d应变片 (c上，d下)；23_y向a, b应变片(a前，b后)；24_y向c, d应变片(c前，d后)；3-试样台，其包括31-试样板；32_托板；33_托杆；34_实验罩；35_定位块； 36-门；4-xy移动机构,其包括41_x步进电机；42_x螺杆；43_x螺母；44_xy架；45_y步进电机；46-y螺杆-Al-J螺母；5-z轴移动机构，其包括51-z步进电机；52-z螺杆；53_z螺母；54_zy架；6-CXD成像系统，其包括61-俯视摄像机；62_侧视摄像机；63_投影光源；7-数据处理与控制系统，其包括71-测力�？椋�72_图像分析�？椋�73_驱动控制模块；74_计算机；Vtl为输入电压；V-输出电压。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例I本发明涉及一种悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力的测量装置，如图1，图2所示， 所述的悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力的测量装置，包括悬臂梁握持器I、应变片测力单元 2、试样台3、xy轴移动机构4、z轴移动机构5和CCD成像系统6，xy轴移动机构4连接z轴移动机构5和试样台3，悬臂梁握持器I连接应变片测力单元2。悬臂梁握持器I用于拴住
6昆虫或小型动物和粘贴应变片，试样台3用于放置昆虫或小型动物，CCD成像系统6用于观测昆虫或小型动物所处位置、步态和整个测试过程。所述的悬臂梁握持器I包括扭转悬臂梁11，扭转悬臂梁11的前端设有握持孔12， 握持孔12连接牵线13，扭转悬臂梁11的根部设有四个梁组成的扭转段14，四个梁依次转动90°，相邻两个梁互为正交。牵线13用于拴住昆虫或小型动物，扭转悬臂梁11的根部的梁用于粘贴测力单元2。悬臂梁尺寸为40cmX2cmX0. 5cm，扭转段长度为8cm。所述的应变片测力单元2包括z向a、b应变片21，z向C、d应变片22、y向a、b 应变片23和y向c、d应变片24 ;所述的z向a、b应变片21和z向C、d应变片22两两对贴于扭转悬臂梁11的扭转段14水平面上，用于垂直力测量；同样所述的y向a、b应变片 23和y向c、d应变片24两两对贴于扭转悬臂梁11的扭转段14垂直面上，用于水平力的测量；如图3所示，所述的z向a、b应变片21和z向C、d应变片22以及y向a、b应变片 23和y向c、d应变片24分别组成桥式电路，并与数据处理与控制系统7相连；所述的z向
a、b应变片21为贴于扭转段14上下两面z向的上a、下b应变片和z向C、d应变片22为贴于扭转段14上下两面的z向上C、下d应变片构成一组；所述的I向a、b应变片23为贴于扭转段14前后两面的y向前a、后b应变片和y向c、d应变片24为贴于扭转段14前后两面的I向前C、后d的应变片构成另一组。所述的试样台3包括托杆33，托杆33的一端连接托板32，托板32上设有试样板 31，试样板31上设有实验罩34，如图4所示，实验罩34具有门36，实验罩34由透明有机玻璃制成；实验罩34形状为立方体，长度为20cmX 20cmX 20cm,门36尺寸为15cmX 15cm,窗口大小为10cmX5cm，且门36上有把手；托板32的四个角固接固定块35，试样板和托板尺寸为lOcmXIOcm，。试样板31供昆虫或小型动物爬行于其上，托杆33另一端固接x螺母 43，实验罩34用于保持实验环境恒定且与托板32同步运动，所述的试样板32可以是光滑玻璃或硅片、或者具有一定粗糙度的抛光纸等片状材料；所述的实验罩34为底部与托板32 相同的立方体或长方体罩，正面开有通过铰链连接的门36，右侧面开有小窗以供扭转悬臂梁11通过且保证实验过程中不与之接触，是由透明有机玻璃或透明高聚物塑料制成。所述的xy移动机构4由X步进电机41、x螺杆42、x螺母43、xy架44、y步进电机45、y螺杆46和y螺母47组成；所述的x步进电机41连接x螺杆42, x螺杆42连接x 螺母43,所述的y步进电机45连接y螺杆46, y螺杆46连接y螺母47,所述的xy架44与 X步进电机41、y螺母47固接且与X螺杆42转动连接。所述的x步进电机41带动x螺杆 42同步转动，继而带动其上的X螺母43沿X向移动；同样所述的y步进电机45带动y螺杆46同步转动,继而带动其上的y螺母47沿y向移动；所述的xy移动机构4的x, y方向的运动通过托杆33合成为试验台3的水平运动。所述的z轴移动机构5包括z步进电机51、z螺杆52、z螺母53和zy架54 ;所述的z步进电机51连接z螺杆52，z螺杆52连接z螺母53，z螺母53固接zy架54。所述的z步进电机51带动z螺杆52同步转动,继而带动其上的z螺母53沿z向移动,并通过与所述的xy移动机构4的y步进电机45固接、与y螺杆46转动连接的zy架54带动试样台3沿z轴运动，即上下垂直移动。X步进电机41、y步进电机45、z步进电机51的默认转速为 10r/min。所述的(XD成像系统6包括俯视摄像机61、侧视摄像机62和投影光源63。俯视摄像机61用于观察昆虫或小型动物爬行位置，侧视摄像机62用于观察整个测试过程中昆虫或小型动物爬行步态，投影光源63提供照明。如图5所示，所述的悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力的测量装置还包括数据处理与控制系统，所述的数据处理与控制系统包括计算机74，计算机74连接测力�？�71、图像分析�？�72和驱动控制�？�73，所述的测力�？�71连接z向a、b应变片21，z向C、d应变片22、y向a、b应变片23和y向C、d应变片24，所述的图像分析�？�72连接俯视摄像机61和侧视摄像机62,所述的驱动控制�？�73连接X步进电机41、y步进电机45、z步进电机51和投影光源63。测力单元2用于采集和处理应变片所测得力值，图像分析�？�72 用于采集与分析昆虫或小型动物爬行位置和步态，驱动控制�？�73用于控制x，y，z步进电机运动并控制投影光源63的亮度。使用上述装置进行悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力测量的具体方法如下步骤I、打开计算机74,开启侧向摄影光源63,同时开启x步进电机41、y步进电机45、z步进电机51启动开关，驱动实验台3复位(扭转悬臂梁11的握持孔12位于实验台3中心的正上方IOcm处)，关闭X步进电机41、y步进电机45、z步进电机51启动开关；步骤2、取一张将要测试的试样板31，将其裁剪成托板32大�。⒎诺酵邪�32上， 从试样瓶中选取一只将要测试的昆虫或小型动物，若所要测试的昆虫或小型动物有翅膀 (或跳足)且能够飞行(或跳跃)，则用胶水粘贴在一起(或用试样夹夹住)，以使其不能飞行(或跳跃)；称其重量IV将所选昆虫或小型动物的近质心部位、无爬行能力伤害地拴住并置于试样台3中心，牵绳13另一端绕过握持孔12拴到扭转悬臂梁11上，牵绳13长度略大于试样到悬臂梁的高度以保证测试之前成松弛状态，而盖上实验罩34 ；步骤3、开启俯视摄像机61和侧视摄像机62,同时开启x步进电机41、y步进电机 45,z步进电机51，控制试样台3运动到牵绳13刚好呈张紧且不受力状态，用计算机设定好 X步进电机41、y步进电机45、z步进电机51的转向和转速,开始实验；步骤4、观察测试过程中昆虫或小型动物与试样板的接触情况，待昆虫或小型动物在试样板表面发生滑动，滚动，或者所有脚掌脱离试样板时停止实验；步骤5、重复步骤I-步骤4进行实验，测试30次，对测试结果取平均值，并用计算机处理实验结果，按公式(5)计算爬附力；步骤6、关闭X步进电机41、y步进电机45、z步进电机51、俯视摄像机61和侧视摄像机62，打开门36，取出昆虫或小型动物，并将其放回到试样瓶中，关闭门36和侧向摄影光源63，关闭计算机74。本发明的测量原理为根据俯视摄像机61拍摄到的昆虫或小型动物质心即拴住点(x，y)的位置和侧视摄像机62同步拍摄到的昆虫或小型动物质心拴住点至扭转悬臂梁11握持点12的高度z值与同步测得的z向和y向的力值一起，计算出作用于该昆虫或小型动物上的拉力，即该昆虫或小型动物的爬附力，并可计算得昆虫或小型动物z轴向的分力Fz和y轴向的分力Fy及与步态的关系，对本发明受力分析，则有I = ；⑴整理得，
权利要求
1.一种悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力的测量装置，其特征在于，包括悬臂梁握持器(I)、应变片测力单元(2)、试样台(3)、xy轴移动机构(4)、z轴移动机构(5)和CCD成像系统(6)，xy轴移动机构(4)连接z轴移动机构(5)和试样台(3)，悬臂梁握持器(I)连接应变片测力单元(2)。
2.如权利要求I所述的悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力的测量装置，其特征在于，所述的悬臂梁握持器(I)包括扭转悬臂梁(11)，扭转悬臂梁(11)的前端设有握持孔(12)，握持孔(12)连接牵线(13)，扭转悬臂梁(11)的根部设有四个梁组成的扭转段(14)，四个梁依次转动90°。
3.如权利要求I所述的悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力的测量装置，其特征在于，所述的应变片测力单元⑵包括z向a、b应变片(21)，z向C、d应变片(22)、y向a、b应变片(23)和y向c、d应变片(24);所述的z向a、b应变片(21)和z向C、d应变片(22)以及y向a、b应变片(23)和y向C、d应变片(24)分别组成桥式电路。
4.如权利要求I所述的悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力的测量装置，其特征在于，所述的试样台3包括托杆(33),托杆(33)的一端连接托板(32),托板(32)上设有试样板 (31)，试样板(31)上设有实验罩(34)，实验罩(34)具有门(36)，托板(32)的四个角固接固定块(35)。
5.如权利要求I所述的悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力的测量装置，其特征在于，所述的xy移动机构⑷由X步进电机(41)、X螺杆(42)、x螺母(43)、xy架(44)、y步进电机(45)、y螺杆(46)和y螺母(47)组成；所述的x步进电机(41)连接x螺杆(42)，x螺杆 (42)连接X螺母(43)，所述的y步进电机(45)连接y螺杆(46)，y螺杆(46)连接y螺母 (47)，所述的xy架(44)与x步进电机(41)、y螺母(47)固接且与x螺杆(42)转动连接。
6.如权利要求I所述的悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力的测量装置，其特征在于，所述的z轴移动机构(5)包括z步进电机(51)、z螺杆(52)、z螺母(53)和zy架(54);所述的z步进电机(51)连接z螺杆(52)，z螺杆(52)连接z螺母(53)，z螺母(53)固接zy架(54)。
7.如权利要求I所述的悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力的测量装置，其特征在于，所述的CCD成像系统(6)包括俯视摄像机(61)、侧视摄像机￠2)和投影光源(63)。
8.如权利要求I所述的悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力的测量装置，其特征在于，还包括数据处理与控制系统，所述的数据处理与控制系统包括计算机(74)，计算机(74)连接测力�？�(71)、图像分析�？�(72)和驱动控制�？�(73)，所述的应变片测力单元2包括z 向a、b应变片(21)，z向c、d应变片(22)、y向a、b应变片(23)和y向c、d应变片(24)， 所述的xy轴移动机构⑷包括X步进电机(41)和y步进电机(45),所述的z轴移动机构 (5)包括z步进电机(51)，所述的CCD成像系统(6)包括俯视摄像机￠1)、侧视摄像机(62) 和投影光源(63)，所述的测力�？�(71)连接z向a、b应变片(21)，z向C、d应变片(22)、 Y向a、b应变片(23)和y向c、d应变片(24)，所述的图像分析�？�(72)连接俯视摄像机 (61)和侧视摄像机(62),所述的驱动控制�？�(73)连接X步进电机(41) ^步进电机(45)、 z步进电机(51)和投影光源(63)。
9.一种悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力的测量方法，其特征在于，采用权利要求I所述的悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力的测量装置，具体步骤为2第一步将昆虫或小型动物置于试样台(3)上；第二步以所述的应变片测力单元(2)和CCD成像系统(6)观测昆虫或小型动物自由爬行时的爬附力及其步态，所述的试样台(3)下移时测爬附力，或快速水平移动测昆虫或小型动物的步态失衡速度和爬附力；第三步计算昆虫或小型动物的爬附力。
全文摘要
本发明提供了一种悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力的测量装置和方法，所述的测量装置包括悬臂梁握持器、应变片测力单元、试样台、xy轴移动机构、z轴移动机构和CCD成像系统。其方法是将昆虫用牵线拴于悬臂梁一端，观测其爬动时的位置及对悬臂梁的拉力，俯视摄像得其距悬臂梁顶端握持孔的投影距离；侧视摄像得其距握持孔垂直距离z；由z向4应变片和y轴向4应变片依次对称双段相间排布于悬臂梁根部并组成的两个桥式电路，分别测得昆虫垂直向下和水平方向的分力。由此求得昆虫爬行时或试样台下降时的爬附力。由于是昆虫自主行为，故该装置干扰小，测量精准，可用于昆虫爬附力的测量。
文档编号G01N21/84GK102589781SQ20121003083
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月11日 优先权日2012年2月11日
发明者于伟东, 于昊慧, 刘洪玲, 崔瑞国 申请人:东华大学
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