专利名称：适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置与方法
技术领域：
本发明涉及一种适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置与方法，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。尤其是人们常常见到苍蝇、 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足垫。这些足垫可迅速释放，并且通过足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，能够知道机器人的动力学设计，提升机器人的性能，而且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. O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2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小，容易变形；固有频率低，不利于动态测试；没有过载保护结构；专利申请号为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爬附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. O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与表面接触情况。
发明内容
由于昆虫爬行的爪、足结构不同，握持机制不同，因此对不同粗糙度表面的爬附力不同，不同站姿的爬行稳定性也不同。这将引起昆虫对不同空间位置和粗糙度表面的适应性或喜好不同。而目前合适、客观的表征手段欠缺。本发明的目的是提供一种适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置与方法，以解决目前在此类测量上装置与方法的不足、测量复杂、低精度及对昆虫的伤害。通过扭转悬臂梁上的z向应变片和y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、多角度测量昆虫爬附力并分析昆虫对不同粗糙度表面的趋向性。为了达到上述目的，本发明提供了一种适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置，其特征在于，包括测力单元、实验箱、测试箱、xy轴移动机构、z轴移动机构、转动机构和CCD成像系统；实验箱设于测试箱中，实验箱连接xy轴移动机构，xy轴移动机构连接z轴移动机构,测试箱连接转动机构。优选地，所述的测力单元包括连接悬臂梁，y向应变片，z向应变片和牵线，所述的悬臂梁的前端连接牵线，所述的y向应变片包括粘贴在悬臂梁根部前面的两片顺序排列的 a应变片和粘贴在悬臂梁根部后面的两片顺序排列的b应变片，所述的z向应变片包括粘贴在悬臂梁根部上面的两片顺序排列的a应变片和粘贴在悬臂梁根部下面的两片顺序排列的b应变片。优选地，所述的实验箱包括实验箱体，实验箱体的正面开有实验门，实验箱体的内底面上粘贴有试样板，实验箱体固定连接托杆的顶端。所述的试样板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，也可以是具有不同粗糙度材料制成的如图5 所示的圆形爬道或直条型爬道；所述的实验箱体为长方体，是由透明有机玻璃或透明高聚物塑料制成。优选地，所述的测试箱包括测试箱体，测试箱体的正面开有测试门。优选地,所述的xy移动机构包括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；所述的X步进电机连接X螺杆，X螺杆连接X螺母，所述的I步进电机连接 y螺杆，y螺杆连接I螺母，所述的xy架与χ步进电机和y螺母固接且与χ螺杆转动连接。优选地,所述的ζ轴移动机构包括ζ步进电机、ζ螺杆、ζ螺母和zy架；所述的ζ步进电机连接ζ螺杆，ζ螺杆连接ζ螺母，ζ螺母固定连接zy架。优选地,所述的转动机构包括r步进电机和与r步进电机连接的转动轴,所述的转动轴与测试箱两端固接。优选地，所述的CCD成像系统包括固定在测试箱内壁上的俯视摄像机、侧视摄像机和投影光源。优选地，所述的适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力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，计算机连接测力模块、图像分析模块和驱动控制模块，所述的测力单元包括y向应变片和ζ向应变片，所述的xy移动机构包括χ步进电机和I步进电机，所述的ζ轴移动机构包括ζ步进电机,所述的转动机构包括r 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，所述的测力模块连接y向应变片和ζ向应变片,所述的图像分析模块连接俯视摄像机和侧视摄像机,所述的驱动控制模块连接χ步进电机、y步进电机、ζ步进电机、r步进电机和投影光源。本发明还提供了一种适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量方法，采用上述的适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置，具体步骤为第一步将昆虫连接测力单元并置于实验箱内；
第二步以所述的测力单元和CCD成像系统观测昆虫自由爬行时的爬附力及其步态；将实验箱下移时测昆虫的爬附力；或快速水平移动实验箱测昆虫的步态失衡速度和爬附力；所述的步态是指昆虫爬行的步姿和触地脚数；所述的失衡是指昆虫的侧翻或滚动；第三步计算昆虫的爬附力。所述的适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置，测试过程中是昆虫的自主行为，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活体，如蝇类、蟋蟀、甲虫或蚂蚁等与不同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)需要测试不同空间位置昆虫爬附特征时，不要换台，简化操作， 避免昆虫损伤和生理生命状态变化；(c)既可以测量昆虫自主状态下的爬附力，又可以测试昆虫在任意空间状态下的爬附力，以及昆虫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是悬臂梁式昆虫爬附力测量装置的主视图；图2是悬臂梁式昆虫爬附力测量装置的俯视图；图3是y，ζ向a，b，4个电阻应变片构成的桥式电路图；图4是实验箱的结构示意图；图5试样板形式；图6是悬臂梁式昆虫爬附力的测试装置的数据处理与控制系统图；图中1_测力单元，其包括11-悬臂梁；12-y向应变片(a上，b下)；13_z向应变片(a前，b后);14_牵线；2-实验箱，其包括21-实验罩；22_实验门；23_试样板；24_托杆；3-测试箱，其包括31-测试罩；32_测试门；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；47-y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-转动机构,其包括61-r步进电机；62_转动轴；7-CXD成像系统，其包括71-俯视摄像机；72_侧视摄像机；73_投影光源；8-数据处理与控制系统，其包括81-测力模块；82_图像分析模块；83_驱动控制模块；84_计算机；VO为输入电压；V-输出电压；A-直条形爬道；B-圆形爬道。
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本发明的实施方式涉及一种适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置， 如图1，图2所示，所述的适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置，包括测力单元I、实验箱2、测试箱3、xy轴移动机构4、z轴移动机构5、转动机构6和CCD成像系统；实验箱2设于测试箱3中，实验箱2连接xy轴移动机构4, xy轴移动机构4连接ζ轴移动机构5，测试箱3连接转动机构6。实验箱2用于放置昆虫，测试箱3可空间任意角度定位，转动机构6可实现测试箱3转动，C⑶成像系统用于观测昆虫所处位置、步态和整个测试过程。所述的测力单元I包括连接悬臂梁11，y向应变片12, ζ向应变片13和牵线14, 所述的悬臂梁11的前端连接牵线14，所述的y向应变片12包括粘贴在悬臂梁11根部前面的两片顺序排列的a应变片和粘贴在悬臂梁11根部后面的两片顺序排列的b应变片，所述的ζ向应变片13包括粘贴在悬臂梁11根部上面的两片顺序排列的a应变片和粘贴在悬臂梁11根部下面的两片顺序排列的b应变片，如图3所示，所述的y向应变片12和ζ向应变片13的应变片各连接成桥式电路。所述的悬臂梁11为圆柱体，安装在测试箱3上，悬臂梁 11用于拴住昆虫和粘贴应变片的悬臂梁ll、y向应变片12用于检测昆虫爬附力水平分力、 ζ向应变片13用于检测昆虫爬附力垂直分力。悬臂梁11尺寸为20cmX2cmX0. 5cm。所述的实验箱2包括实验箱体21，如图4所示，实验箱体21的正面开有实验门22， 实验箱体21的内底面上粘贴有试样板23，实验箱体21固定连接托杆24的顶端。实验箱体21用于保持实验环境恒定，托杆24的底端与χ轴螺母43固接。所述的实验箱体21为长方体，正面开有通过铰链连接的实验门22，右侧面开有小窗以供悬臂梁11通过且保证实验过程中不与之接触；所述的实验门22上安有把手，可方便的开启与关闭。实验箱体21由透明有机玻璃制成，长度为20cmX20cmX 20cm，实验门22尺寸为15cmX 15cm，窗口大小为 IOcmX 5cm。所述的测试箱3包括测试箱体31，测试箱体31的正面开有测试门32。所述的测试箱体31为长方体，支撑实验箱2、xy移动机构4、z移动机构5，并与转动轴62固接，其正面开有通过铰链连接的测试门32，门上安有把手，可以方便开启与关闭。测试箱3尺寸为 40cmX 40cmX 60cm,测试门 32 尺寸为 30cmX 50cm。所述的xy移动机构4包括χ步进电机41、χ螺杆42、χ螺母43、xy架44、y步进电机45、y螺杆46和y螺母47 ;所述的χ步进电机41连接χ螺杆42, χ螺杆42连接χ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χ 步进电机41和y螺母47固接且与χ螺杆42转动连接。所述的χ步进电机41带动χ螺杆 42同步转动,继而带动其上的χ螺母43沿χ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合成为实验箱2的相对于测试箱3的水平运动。所述的ζ轴移动机构5包括ζ步进电机51、ζ螺杆52、ζ螺母53和zy架54 ;所述的ζ步进电机51连接ζ螺杆52，ζ螺杆52连接ζ螺母53，ζ螺母53固定连接zy架54。 所述的ζ步进电机51带动ζ螺杆52同步转动,继而带动其上的ζ螺母53沿ζ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带动实验箱2沿ζ轴运动，即相对于测试箱3的上下垂直移动。χ步进电机41、y步进电机45、ζ步进电机51的默认转速为10r/min，χ螺杆42、χ螺母43、y螺杆46、y螺母47、z螺杆52 和ζ螺母53的型号为M16，螺距为1mm。所述的转动机构6包括r步进电机61和与r步进电机61连接的转动轴62,所述的转动轴62与测试箱3两端固接。转动轴62与r步进电机61同步转动，且与悬臂梁11 在同一轴线上。r步进电机61转速为O. 5r/min ;转动轴62直径为2cm。所述的CXD成像系统7包括固定在测试箱3内壁上的俯视摄像机71、侧视摄像机 72和投影光源73。俯视摄像机71用于观察昆虫爬行位置，侧视摄像机72用于观察整个测试过程中昆虫爬行步态，投影光源73用于提供照明。俯视摄像机71和侧视摄像机72视频帧数为100帧/秒。如图6所示，所述的适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置还包括数据处理与控制系统8，所述的数据处理与控制系统8包括计算机84，计算机84连接测力模块81、图像分析模块82和驱动控制模块83，所述的测力模块81连接y向应变片12和ζ向应变片13，所述的图像分析模块82连接俯视摄像机71和侧视摄像机72，所述的驱动控制模块83连接χ步进电机41、y步进电机45、ζ步进电机51、r步进电机61和投影光源73。 测力模块81用于采集和处理测力单元I所测得力值，图像分析模块82用于采集与分析昆虫爬行位置和步态，驱动控制模块83用于控制步进电机运动和用于控制投影光源73的亮度，驱动控制模块82所需要的控制信号通过计算机84产生，控制信号包括驱动脉冲、方向控制、全/半角控制，利用计算机84上的对外输出数据线可方便的产生。使用上述装置进行适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量的具体方法为步骤I、打开计算机84,开启侧向摄影光源73,同时开启r步进电机61带动实验箱 3转到水平面上，而后开启χ步进电机41、y步进电机45、ζ步进电机51启动开关，驱动实验箱2复位(悬臂梁11的头端位于实验箱2中心的正上方IOcm处)，关闭χ步进电机41、 I步进电机45、ζ步进电机51和r步进电机61启动开关；步骤2、开启测试门32和实验门22，取一张将要测试的试样板23，将其裁剪成 IOcmX IOcm大小，并用双面胶粘贴到实验箱2的内底面上，从试样瓶中选取一只将要测试的昆虫，若所要测试的昆虫有翅膀(或跳足)且能够飞行(或跳跃)，则用用胶水粘贴在一起(或用试样夹夹住)，以使其不能飞行(或跳跃)；称其质量m，并取一根细绳作为牵线14 将所选昆虫的近质心部位、无爬行能力伤害地拴住放置到实验箱2中心，另一端拴到悬臂梁11头端，牵线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，而后关闭实验门22和测试门32 ；步骤3、开启俯视摄像机71和侧视摄像机72,同时启动r步进电机61带动测试箱 3转到特定角度Θ，而后开启χ步进电机41、y步进电机45、ζ步进电机51,控制实验箱3 运动到牵线14刚好呈张紧状态且不受力状态，用计算机设定好χ步进电机41、y步进电机 45、ζ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与试样板23的接触情况，待昆虫在试样板23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并进行测试，测试30次，对测试结果取平均值，并用计算机处理实验结果，用公式(6)计算爬附力；
步骤6、启动r步进电机61带动实验箱3回到水平状态,而后启动x步进电机41、 y步进电机45、z步进电机51复位，关闭俯视摄像机71和侧视摄像机72，打开测试门32和 实验门22，取出昆虫，并将其放回到试样瓶中，关闭实验门22、测试门32和侧向摄影光源 73，关闭计算机84。所述爬附力的计算原理为根据俯视摄像机71和侧视摄像机72配合拍摄到的昆 虫质心即拴住点(X，1，z)的位置和同步拍摄到的昆虫质心拴住点至悬臂梁11的高度值与 同步测得的Z向和y向的力值一起，计算出作用于该昆虫上的拉力，即该昆虫的爬附力，并 可计算得昆虫垂直方向和水平方向的分力及与步态的关系；对本发明受力分析，则有
权利要求
1.一种适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置，其特征在于，包括测力单元(I)、实验箱(2)、测试箱(3)、xy轴移动机构(4)、z轴移动机构(5)、转动机构(6)和CCD 成像系统；实验箱(2)设于测试箱(3)中，实验箱(2)连接xy轴移动机构(4)，xy轴移动机构(4)连接z轴移动机构(5)，测试箱(3)连接转动机构(6)。
2.如权利要求I所述的适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置，其特征在于，所述的测力单元⑴包括连接悬臂梁(11)，y向应变片(12)，z向应变片(13)和牵线 (14)，所述的悬臂梁(11)的前端连接牵线(14)，所述的y向应变片(12)包括粘贴在悬臂梁(11)根部前面的两片顺序排列的a应变片和粘贴在悬臂梁(11)根部后面的两片顺序排列的b应变片，所述的z向应变片(13)包括粘贴在悬臂梁(11)根部上面的两片顺序排列的 a应变片和粘贴在悬臂梁(11)根部下面的两片顺序排列的b应变片。
3.如权利要求I所述的适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置，其特征在于，所述的实验箱2包括实验箱体(21)，实验箱体(21)的正面开有实验门(22)，实验箱体 (21)的内底面上粘贴有试样板(23)，实验箱体(21)固定连接托杆(24)的顶端。
4.如权利要求I所述的适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置，其特征在于，所述的测试箱⑶包括测试箱体(31)，测试箱体(31)的正面开有测试门(32)。
5.如权利要求I所述的适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置，其特征在于，所述的xy移动机构⑷包括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);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)和y螺母(47)固接且与x螺杆(42)转动连接。
6.如权利要求I所述的适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置，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)固定连接zy架(54)。
7.如权利要求I所述的适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置，其特征在于，所述的转动机构(6)包括r步进电机(61)和与r步进电机(61)连接的转动轴(62),所述的转动轴￠2)与测试箱(3)两端固接。
8.如权利要求I所述的适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置，其特征在于，所述的CCD成像系统(7)包括固定在测试箱(3)内壁上的俯视摄像机(71)、侧视摄像机(72)和投影光源(73)。
9.如权利要求I所述的适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置，其特征在于，还包括数据处理与控制系统(8)，所述的数据处理与控制系统(8)包括计算机(84)，计算机(84)连接测力模块(81)、图像分析模块(82)和驱动控制模块(83)，所述的测力单元 ⑴包括y向应变片(12)和z向应变片(13),所述的xy移动机构⑷包括X步进电机(41) 和I步进电机(45),所述的z轴移动机构(5)包括z步进电机(51),所述的转动机构(6) 包括r步进电机(61)，所述的CCD成像系统(7)包括俯视摄像机(71)、侧视摄像机(72)和投影光源(73)，所述的测力模块(81)连接y向应变片(12)和z向应变片(13)，所述的图像分析模块(82)连接俯视摄像机(71)和侧视摄像机(72)，所述的驱动控制模块(83)连接X步进电机(41)、y步进电机(45)、z步进电机(51)、r步进电机(61)和投影光源(73)。
10.一种适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量方法，其特征在于，采用权利要求I所述的适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置，具体步骤为第一步将昆虫连接测力单元(I)并置于实验箱(2)内；第二步以所述的测力单元(I)和CCD成像系统观测昆虫自由爬行时的爬附力及其步态；将实验箱(2)下移时测昆虫的爬附力；或快速水平移动实验箱(2)测昆虫的步态失衡速度和爬附力；第三步计算昆虫的爬附力。
全文摘要
本发明提供了一种适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置和方法，所述的装置，包括测力单元、实验箱、测试箱、xy轴移动机构、z轴移动机构、转动机构和CCD成像系统。其方法是转动测试箱到所需角度，将昆虫用牵线拴于悬臂梁头端，放置到不同粗糙度爬道的试样板上，以俯视摄像和侧视摄像配合测得昆虫步态和其空间所处的位置；由y向应变片和z轴向应变片均匀排布在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。该装置不仅实现了昆虫三维空间爬附力的无干扰测量，而且可以用于分析昆虫在测试过程中的三维空间趋向性，具有操作简便、测试干扰小、测量精准等优点。
文档编号G01L5/00GK102589776SQ20121003055
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, 刘洪玲, 崔瑞国, 杜赵群 申请人:东华大学