爬壁动物仿圆柱面攀爬力学与行为测试系统的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及爬壁动物(指脚掌能够产生粘附力从而可以在空间曲面攀爬的动物)圆柱面攀爬力学量、形态学量的测试和仿生智能机器人领域。特别涉及树蛙(湿粘附动物)、壁虎(干粘附动物)等爬壁动物在空间曲面上运动时，脚掌与曲面的接触力以及同步图像采集测试系统。
【背景技术】
[0002]动物的运动行为与力学的研究对于仿生智能机器人的研究具有非常重要的意义。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。攀爬运动对于树上栖息类动物来说是非常重要的，而且它们的不同攀爬行为的形态学，包括可能的仿生应用，已经获得了许多国内外研究者的关注。一些研究已经检验了动物在水平和斜面窄板上的攀爬能力，并设计了平面爬行研究装置(发明专利“动物足-面接触反力的测试方法及系统” ZL200810156169.0和“三维微小载荷测力阵列系统” ZL200310106299.0)，但大多数研究都是平面运动并运用两自由度进行观察。而动物的生存环境远远不是平面这么简单，对于树上栖息的动物通过足掌和曲面间的相互作用力，实现攀爬、稳定、机动等运动行为，对足掌和曲面间作用力的测试是认识动物攀爬运动规律的重要途径，所获得的信息对机器人，特别是抱壁攀爬类机器人的设计具有重要指导意义。
[0003]尽管目前国内外已有研究人员对树上栖息类动物进行形态学及攀爬能力的测量，但是由于技术上的原因无法采集到动物圆柱面黏附和抱柱攀爬时的可视化力学数据，因此，很难将抓附行为与抓附力对应起来进行分析。
[0004]
【发明内容】
[0005]本发明提出一种爬壁动物仿圆柱面攀爬力学与行为测试系统，设计能够模拟空间圆柱面状态，可以有效的测量动物圆柱面攀爬运动时每只脚掌与附着表面间的3维接触反力，以及分析各足间接触反力的协调关系，同时获得抓附行为，并将力学量的测试与运动行为和步态结合起来的测试分析系统。该系统对能够抱壁攀爬类动物的力学研究以及机器人领域，特别是抱壁攀爬类机器人的设计具有重要指导意义。
[0006]为了达成上述目的，本发明的解决方案是:
一种爬壁动物仿圆柱面攀爬力学与行为测试系统，用于在圆柱面上自由攀爬动物接触反力及各足间接触反力的协调关系和抓附行为的测试，其特征在于:
包括传感器测力装置支架、传感器阵列固定轴、第一种传感器组件、第二种传感器组件、数据采集模块、计算机、高速摄像机；
其中第一种传感器组件包括承力片、倒T型三维力传感器(发明专利号:ZL200610041133.9)、“C”型夹具、“Z”字型夹具、“一”字型夹具；其中倒T型三维力传感器包括承力端、第一固定端、第二固定端，承力片安装于倒T型三维力传感器的承力端，“一”字型夹具包括第一固定端和第二固定端，“一”字型夹具位于倒T型三维力传感器的第一固定端和第二固定端所在的支臂下方，“一”字型夹具的第一固定端与倒T型三维力传感器的第一固定端通过“C”型夹具固定，倒T型三维力传感器的第二固定端通过“Z”字型夹具固定于“一”字型夹具的中部；
其中第二种传感器组件包括承力片、倒T型三维力传感器、“C”型夹具、“Z”字型夹具、“L”型夹具；其中倒T型三维力传感器包括承力端、第一固定端、第二固定端，承力片安装于倒T型三维力传感器的承力端，“L”字型夹具包括第一夹具臂和第二夹具臂，其中第一夹具臂末端为第一安装端，第二夹具臂末端为第二安装端，“L”字型夹具位于倒T型三维力传感器的第一固定端和第二固定端所在的支臂下方，“L”字型夹具的第一固定端与倒T型三维力传感器的第一固定端通过“C”型夹具固定，倒T型三维力传感器的第二固定端通过“Z”字型夹具固定于“L”字型夹具的第一夹具臂的中部；
上述传感器组件组阵排列于固定轴，传感器阵列固定轴安装于传感器测力装置支架上，传感器阵列固定轴的中段为多面体结构，设多面体结构的一条棱柱边为基础边，过基础边和中心轴线的面为基础面；
按逆时针方向沿基础边依次相邻的两个面为第一外表面和第二外表面，按顺时针方向沿基础边依次相邻的两个面为第三外表面和第四外表面，其中第二外面表和第四外表面之间至少还有一个外表面；上述第一外表面与第三外表面，第二外表面与第四外表面均相对于基础面对称；
上述传感器阵列固定轴的第一外表面和第三外表面分别安装一列第一种传感器组件，其中第一种传感器组件通过其“一”字型夹具的第二固定端固定于第一外表面或第三外表面的安装槽内；
上述传感器阵列固定轴的第二外表面和第四外表面分别安装一列第二种传感器组件，其中第二种传感器组件通过其“L”型夹具的第二固定端固定于第二外表面或第四外表面的安装槽内；
上述第一外表面和第三外表面固定的第一种传感器组件的承力片、第二外表面和第四外表面固定的第二种传感器组件的承力片构成了四列仿圆柱面的多边形测力阵列。
[0007]所述的爬壁动物圆柱面攀爬行为与力学测试系统，其特征在于:上述“L”型夹具的第一夹具臂有用于减轻重量提高系统固有频率的腰形孔。
[0008]基于以上分析，本发明提出一种爬壁动物仿圆柱面攀爬力学与行为测试系统，可以有效的测量动物圆柱面攀爬运动时每只脚掌与附着表面间的3维接触反力，以及分析各足间接触反力的协调关系，同时获得抓附行为等信息。
[0009]运用该系统，我们可以通过仿圆柱面测力装置测量树蛙、壁虎等动物圆柱面攀爬运动时每只脚掌与附着表面间的3维接触反力，并通过传感器信号线连接信号调理和接收模块，同时触发两个高速摄像采集系统对动物攀爬运动进行图像信号采集，用来分析各足间接触反力的协调关系，同时获得抓附行为，并将力学量的测试与运动行为和步态结合起来进行测试分析。
[0010]【附图说明】:
图1.“一”字型夹具组件；
图2.“L”型夹具组件； 图3.传感器阵列固定轴-1I结构示意图；
图4.三段式传感器阵列固定轴装配示意图；
图5.仿圆柱面传感器八边形阵列的布阵形式；
图6.传感器组件在固定轴上的安装方式和阵列装配示意图；
图7.动物仿圆柱面攀爬运动反力测试系统的组成；
图中标号名称:1.承力片，2.传感器弹性体，3.“C”型夹具，4.“一”字型夹具，5.“Z”型夹具，6.将传感器组件固定于传感器阵列轴上的通孔，7.“L”型夹具，10.将传感器组件固定于传感器阵列轴上的通孔，9.和8用于减轻重量和提高固有频率的腰型孔，11.轴-1I，12.安装传感器组件的长槽，13.减轻重量的矩形槽，14.轴-1，ll.轴-1I，15.轴-1II，16.高速摄像机，17.计算机，18.信号调理和放大器，19.仿圆柱面传感器八边形阵列测力装置，20.外壳，21.底板，22.测力装置支架。
[0011]【具体实施方式】:
为了进一步说明本发明的技术要点，下面将结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
[0012]圆柱面测力系统的设计方法:
(1)首先选取合适量程的传感器，测定动物在传感器表面自由运动状态下的运动反力。这里测试实验要进行多次(一般大于16次)，检查有没有测到特征载荷，例如粘附动物在需要产生粘附力时，脚要有一个先施加法向力的过程，该力称为预载荷(Preload forces)。用于确定拟用于这种动物运动反力实验的传感器的分辨率。本发明中选取实验室自行研制的倒T型三维力学传感器进行圆柱面测力装置的设计。(2)传感器的标定，采用静重法进行标定。(3)传感器承力片尺寸的确定(图1，结构尺寸aXb，厚度dl)，本发明中传感器承力片要适度大于所测定动物脚掌的大小，目的尽量让单个脚掌踩在一个传感器承力片上，以获得直接的测力结果。(4)根据传感器和承力片的尺寸确定圆柱面测力装置的直径，由于本发明中承力片设计为30X30的正方形(非圆弧)结构，因此，考虑用多面体结构代替圆柱面结构，然后根据传感器的尺寸确定多边形的边数，并确定仿圆柱面多边形测力装置的直径。
(5)观测动物在仿圆柱面多边形柱体上的攀爬运动行为，设计对应的测力阵列的布置形式。
(6)根据测力阵列的布置形式设计传感器阵列固定轴及夹具。(7)设计、加工和调试测力阵列，运用数据采集软件，实现力采集和图像采集的同步。(8)