专利名称：杠杆式链条加压的昆虫或小型动物爬附力测量装置与方法
技术领域：
本发明涉及一种杠杆式链条加压的昆虫或小型动物爬附力测量装置与测量方法， 属于昆虫或小型动物爬附力测量领域。
背景技术：
在35亿年的进化和生存竞争中，动物形成了许多优异的几何结构、轻巧的材料拓扑、简约而有效的控制方式和功能丰富的表面结构。这些结构、材料和运动控制方式使动物在运动平稳性、灵活性、环境适应性及高能源利用效率等方面优于现代机械系统。它们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、蟋蟀等动物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，许多动物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。对动物运动过程中运动行为以及与运动表面间相互作用力的研究，可帮助理解动物运动的规律性，同时为仿生机器人的机构设计、步态规划和控制系统设计提供指导和借鉴作用。目前，获得生物与表面间爬附力数值往往是通过探针原子力显微镜(AFM)、力传感器等仪器得到。但是，AFM不能测试生物活体与物体之间的爬附力，对测量对象的选择有很大的局限性，而且根据测试的目的不同，往往要更换某些机构来实现，成本比较高；传统的力传感器，例如压电式、电容式传感器，测量爬附力的范围有限，尤其是精度较高的传感器很容易在使用过程中损坏，而且传感器较易受到外界环境(如温湿度和电磁干扰)的影响。 例如专利申请号为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(平位)、垂直面(竖位)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，而且测试精度仅为mN级，不能用于动物等小型动物接触力直接测量，且与本发明的原理和机构均不同。而且现有的杠杆式动物与表面间爬附力测试装置也有待改进，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。虽原理相似，但杠杆的加压机构和测量原理均不同，而且该测试装置精确度不高，效率低、自动化程度低；测试方法制样复杂、测试步骤繁琐；测试过程中试样台固定，动物束缚在杠杆上，不能自主移动。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种杠杆式链条加压的昆虫或小型动物爬附力测量装置与方法，通过杠杆作用来测量昆虫或小型动物爬附力，同时实时观察昆虫或小型动物运动步态、脚掌接触状态，实现测试过程的自动化、数字化，测试结果精准平稳。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种杠杆式链条加压的昆虫或小型动物爬附力测量装置，其特征在于，包括杠杆机构、平衡加压机构、移动加压机构、CCD摄像系统以及观察台；杠杆机构的一端连接昆虫或小型动物，另一端连接平衡加压机构，平衡加压机构连接用于改变杠杆机构的力臂的移动加压机构。优选地，所述的杠杆机构包括平衡杆以及设于平衡杆下的支点，平衡杆一端经由牵线连接昆虫或小型动物，平衡杆中嵌入水平仪。优选地，所述的平衡加压机构包括加压杆、加压锥、铰链点、砝码链、第二升降移杆、第二升降螺母、第二升降螺杆和第二升降步进电机，所述的加压杆的一端与加压锥焊接固定在一起，另一端通过铰链点连接到第二平移连杆上并可以铰链点为中心上下摆动；所述的砝码链由多个环形金属环串套而成，其一端套在第二升降移杆上，另一端套在加压杆上；所述的第二升降移杆连接第二升降螺母，第二升降螺母连接由第二升降步进电机驱动的第二升降螺杆。优选地，所述的移动加压机构包括第二平移步进电机、由第二平移步进电机驱动的第二平移螺杆、第二平移螺母、第二平移连杆、第一平移步进电机、由第一平移步进电机驱动的第一平移螺杆、第一平移螺母和第一平移连杆；所述的第二平移螺杆连接第二平移螺母，第二平移螺母连接第二平移连杆，第二平移连杆固定连接第一平移步进电机，第一平移螺杆连接第一平移螺母，第一平移螺母连接第一平移连杆。优选地，所述的CXD摄像系统包括俯视摄像机、侧视摄像机和投影光源。俯视摄像机用于观察昆虫或小型动物测试过程以及昆虫或小型动物位置定位，侧视摄像机用于观察整个测试过程中昆虫或小型动物步态以及与爬板接触情况，投影光源用于提供照明。优选地，所述的观察台包括观察罩，观察罩内设有托架，托架上设有托盘，托盘上设有爬板，托架固定连接托架螺母，托架螺母连接由第一升降步进电机驱动的螺杆。优选地，所述的杠杆式链条加压的昆虫或小型动物爬附力测量装置还包括测量控制系统，所述的测量控制系统包括计算机，计算机连接图像分析模块和驱动控制模块，所述的CCD摄像系统包括俯视摄像机、侧视摄像机以及投影光源，所述的观察台包括第一升降步进电机，所述的平衡加压机构包括第二升降步进电机，所述的移动加压机构包括第一平移步进电机和第二平移步进电机，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第一升降步进电机、第二升降步进电机、第一平移步进电机和第二平移步进电机。本发明还提供了一种杠杆式链条加压的昆虫或小型动物爬附力测量方法，其特征在于，采用上述的杠杆式链条加压的昆虫或小型动物爬附力测量装置，具体步骤为第一步将杠杆机构的一端拴住昆虫或小型动物，将昆虫或小型动物置于观察台中，调节杠杆机构处于水平位置；第二步调节平衡加压机构和移动加压机构，施力于杠杆机构的另一端，同时观察昆虫或小型动物，当昆虫或小型动物完全脱附时，停止试验；第三步计算作用于昆虫或小型动物上的拉力，即为昆虫或小型动物的爬附力。所述的杠杆式链条加压的昆虫或小型动物爬附力测量装置，由于加压测力和升降的自动化和平稳化，可用于昆虫或小型动物爬附力的精准、无干扰测量。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)测试过程实现了高精度、数字化、自动化、而且测试动物自主行为，故该装置干扰小，数据重现性好；(b)测试时，对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)可以用于观察动物在整个试验过程中的步态和脚掌的接触足数和状态，故也可以用于研究动物的运动行为和脚掌功能；(d)通过改变两级杠杆的力臂值大大拓宽了测试量程，使测量对象的范围更广，既能够测量在不同种类动物活体，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。


图I是杠杆式链条加压的动物爬附力测量装置的主视图；图2是杠杆式链条加压的动物爬附力测量装置的俯视图；图3是杠杆式链条加压的动物爬附力测量装置的测量控制系统图；图4是观察罩的结构示意图；图中，I-杠杆机构，其包括11-平衡杆；12_牵线；13_支点；2-平衡加压机构，其包括21-加压杆；22_加压锥；23_铰链点；24_砝码链；25_第二升降移杆；26_第二升降螺母；27_第二升降螺杆；28_第二升降步进电机；3-移动加压机构，其包括31-第二平移步进电机；32_第二平移螺杆；33_第二平移螺母；34_第二平移连杆；35_第一平移步进电机；36_第一平移螺杆；37_第一平移螺母； 38-第一平移连杆；(XD摄像系统，其包括41-俯视摄像机；42_侧视摄像机；43_投影光源；5-观察台，其包括51-托盘；52_爬板；53_托架；54_托架螺母；55_螺杆；56_第一升降步进电机；57-观察罩；测量控制系统，其包括61-计算机；62_图像分析模块；63_驱动控制模块。
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如图I所示，为杠杆式链条加压的昆虫或小型动物爬附力测量装置的主视图，图2 为其俯视图，所述的杠杆式链条加压的昆虫或小型动物爬附力测量装置，包括杠杆机构I、 平衡加压机构2、移动加压机构3、用于观察昆虫或小型动物的CCD摄像系统以及用于放置测试昆虫或小型动物的观察台5 ;杠杆机构I的一端连接昆虫或小型动物，另一端连接平衡加压机构2，平衡加压机构2连接用于改变杠杆机构I的力臂从而改变测试精度的移动加压机构3。所述的杠杆机构I包括平衡杆11以及设于平衡杆11下的支点13，平衡杆11 一端经由牵线12连接昆虫或小型动物，平衡杆11的另一端上设有加压锥22，通过加压锥22的左右移动来改变杠杆力臂长度b，平衡杆11中嵌入气泡水平仪以保证测试过程中平衡杆11 处于水平状态。所述的平衡加压机构2包括加压杆21、加压锥22、铰链点23、砝码链24、第二升降移杆25、第二升降螺母26、第二升降螺杆27和第二升降步进电机28，所述的加压杆21的一端与加压锥22焊接固定在一起，另一端通过铰链点23连接到第二平移连杆34上并可以铰链点23为中心上下微量摆动；所述的砝码链24由多个环形金属环串套而成，其一端套在第二升降移杆25上，另一端套在加压杆21上；所述的第二升降移杆25连接第二升降螺母 26，第二升降螺母26连接由第二升降步进电机28驱动的第二升降螺杆27。所述的第二升降步进电机28带动第二升降螺杆27转动，继而带动其上的第二升降螺母26和固接于第二升降螺母26的第二升降移杆25升降运动，最终带动套其上的砝码链24上升或下降，实现将砝码链24上的重力作用到加压杆21上。所述的移动加压机构3包括第二平移步进电机31、由第二平移步进电机31驱动的第二平移螺杆32、第二平移螺母33、第二平移连杆34、第一平移步进电机35、由第一平移步进电机35驱动的第一平移螺杆36、第一平移螺母37和第一平移连杆38 ;所述的第二平移螺杆32连接第二平移螺母33，第二平移螺母33连接第二平移连杆34，第二平移连杆34固定连接第一平移步进电机35，第一平移螺杆36连接第一平移螺母37，第一平移螺母37连接第一平移连杆38。所述的第二平移步进电机31带动第二平移螺杆32同步转动，继而带动其上的第二平移螺母33和固接于第二平移螺母33的第二平移连杆34左右移动，最终带动平衡加压机构2左右移动；同样所述的第一平移步进电机35带动第一平移螺杆36同步转动，继而带动其上固接在一起的第一平移螺母37、第一平移连杆38和第二升降步进电机 28左右移动，最终带动砝码链24左右移动；所述的第二平移步进电机31转动产生的平移运动通过第二平移连杆34同步带动固接在第二平移连杆34上的第一平移步进电机35和第二升降步进电机28同步移动。所述的(XD摄像系统包括俯视摄像机41、侧视摄像机42和投影光源43。俯视摄像机41用于观察昆虫或小型动物测试过程以及昆虫或小型动物位置定位，侧视摄像机42 用于观察整个测试过程中昆虫或小型动物步态以及与爬板52接触情况，投影光源43用于提供照明。所述的观察台5包括观察罩57，如图4所示，为观察罩的结构示意图，观察罩57 内设有托架53，托架53上设有托盘51，托盘51上设有爬板52，托架53固定连接托架螺母 54，托架螺母54连接由第一升降步进电机56驱动的螺杆55。所述的观察台5由第一升降步进电机56带动螺杆55转动，继而带动其上的托架螺母54和同托架螺母54固接在一起的托架53作升降运动；所述的托盘51上面放置爬板52，下部与托架53固接在一起；所述的爬板52可以是光滑玻璃板、硅片或者具有一定粗糙度大小的抛光纸等片状材料；所述的观察罩57形状可以是长方体或立方体，正面开有通过铰链连接的门，背面开有小窗以供平衡杆11通过且保持试验过程中不与之接触。如图3所示，为杠杆式链条加压的昆虫或小型动物爬附力测量装置的测量控制系统图，所述的杠杆式链条加压的昆虫或小型动物爬附力测量装置还包括测量控制系统，所述的测量控制系统包括计算机61，计算机61连接图像分析模块62和驱动控制模块63，所述的CCD摄像系统包括俯视摄像机41、侧视摄像机42以及投影光源43，所述的观察台5包括第一升降步进电机56，所述的平衡加压机构2包括第二升降步进电机28，所述的移动加压机构3包括第一平移步进电机35和第二平移步进电机31，所述的图像分析模块62连接俯视摄像机41和侧视摄像机42，所述的驱动控制模块63连接第一升降步进电机56、第二5/9页
升降步进电机28、第一平移步进电机35和第二平移步进电机31。所述的图像分析模块62 用于采集与分析昆虫或小型动物爬行位置和步态，所述的驱动控制模块63用于控制步进电机运动和控制亮度。所述的驱动控制模块63所需要的控制信号通过计算机61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61上的对外输出数据线可方便的产生。牵线12为缝纫线，长度取20cm。平衡杆11为铝质金属杆，长度取40cm，支点13 位于平衡杆11的中心。加压杆21是招质金属杆,长度取10cm。破码链24长度取50cm,由 100个小环形质量为lOOmg、周长为5mm的环形破码相互串套而成，m为200mg/cm。第二平移螺杆32的长度取30cm，第一平移螺杆的长度取20cm，第二升降螺杆长度取60cm。由此获得的装置测试精度和所需设定的b，c值如表I所示。第一平移步进电机35、第二平移步进电机31、第一升降步进电机56、第二升降步进电机28的默认转速皆取10r/min。四个步进电机正转带动螺母向下或向左运动，且其配套的螺杆、螺母型号为M16，螺距取1mm。所述的观察罩57形状是立方体，边长取40cm，正面开有通过铰链连接的门，尺寸取30cm X 30cm，背面开有小窗(5cmX10cm)以供平衡杆11通过且保持试验过程中不与之接触，由透明有机玻璃制成。托盘51和爬板52都取直径取30cm的圆形平台。表I 一种杠杆式链条加压的昆虫或小型动物爬附力测量装置测试精度和参数设
昆虫或小型动物爬附力的测试精度(mN)0.010.1Ib(cm)2420C0.10.5I采用上述装置进行昆虫或小型动物爬附力测量的方法为第一步打开计算机61，开启俯视摄像机41、侧视摄像机42、投影光源63，同时开启升降步进电机56，驱动观察台5复位(平衡杆11头端位于观察台5中心的正上方IOcm 处)，关闭升降步进电机56启动开关；第二步根据将要测试的昆虫或小型动物的爬附力值范围设定c值和b值，并开启 b步进电机31带动加压锥22移动到距离支点13长度为b处，之后移动砝码链24使砝码链24下端到铰链点23的距离占加压杆21总长度的c比例处，并开启c步进电机35带动砝码链24左右移动，使砝码链24两端均呈垂直状态且重合，之后开启h步进电机28带动砝码链24上升；第三步打开观察罩57的门，取将要测试的爬板52，将其裁剪成IOcmX IOcm大小，平放到托盘51上，从试样瓶中选取一只将要测试的昆虫或小型动物，若其有翅膀(或跳足)且能够飞行(或跳跃)，则用胶水粘在一起(或用试样夹夹住)，以使其不能飞行(或跳跃)；称其重量IV并取一根牵绳12将其拴住放置到爬板52中心，牵绳12另一端拴到平衡杆11头端上，牵绳长度略大于试样到平衡杆11的高度以保证测试之前呈松弛状态，而后关闭观察罩57的门；
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第四步启动h步进电机28正转,使破码链24缓慢下降，当支点13上的水平仪中的气泡到达中心处时关闭h步进电机28 ;设定好升降步进电机56的转向和转速，启动升降步进电机56带动托盘51下降，同时启动h步进电机28正转或反转带动破码链24下降或上升以保证水平仪上的气泡始终在中心位置，即平衡杆11呈水平放置，观察整个过程中昆虫或小型动物和爬板52的接触状况，当昆虫或小型动物在爬板52表面发生滑动、滚动、或者所有脚掌脱离爬板52时停止试验，记录砝码链24下降的距离h，通过俯视摄像机41和侧视摄像机42得到昆虫或小型动物的空间位置X，y, z值，将数据代入公式(5)解得Fa ；第五步重复第一步-第四步并进行测试，测试30次，对测试结果取平均值，并用计算机处理试验结果；关闭升降步进电机56和h步进电机28、俯视摄像机41和侧视摄像机42，打开观察罩57的门，取出昆虫或小型动物，并将其放回到试样瓶中，关闭观察罩57的门和投影光源43，关闭计算机61。本发明的原理是由两级杠杆组成的加压机构实现的，其受力分析图如图I所示， 则对第一级杠杆，有F · a = P · b⑴对第二级杠杆，有P*l=M*g*c = m(v*t)g*c (2)由公式⑴和公式⑵推导得
权利要求
1.一种杠杆式链条加压的动物爬附力测量装置，其特征在于，包括杠杆机构(I)、平衡加压机构(2)、移动加压机构(3)、CCD摄像系统以及观察台(5);杠杆机构(I)的一端连接动物，另一端连接平衡加压机构(2)，平衡加压机构(2)连接用于改变杠杆机构(I)的力臂的移动加压机构(3)。
2.如权利要求I所述的杠杆式链条加压的动物爬附力测量装置，其特征在于，所述的杠杆机构(I)包括平衡杆(11)以及设于平衡杆(11)下的支点(13)，平衡杆(11) 一端经由牵线(12)连接动物，平衡杆(11)中嵌入水平仪。
3.如权利要求I所述的杠杆式链条加压的动物爬附力测量装置，其特征在于，所述的平衡加压机构(2)包括加压杆(21)、加压锥(22)、铰链点(23)、砝码链(24)、第二升降移杆(25)、第二升降螺母(26)、第二升降螺杆(27)和第二升降步进电机(28)，所述的加压杆 (21)的一端与加压锥(22)焊接固定在一起，另一端通过铰链点(23)连接到第二平移连杆(34)上并可以铰链点(23)为中心上下摆动；所述的砝码链24由多个环形金属环串套而成，其一端套在第二升降移杆(25)上，另一端套在加压杆(21)上；所述的第二升降移杆 (25)连接第二升降螺母(26)，第二升降螺母(26)连接由第二升降步进电机(28)驱动的第二升降螺杆(27) ο
4.如权利要求I所述的杠杆式链条加压的动物爬附力测量装置，其特征在于，所述的移动加压机构(3)包括第二平移步进电机(31)、由第二平移步进电机(31)驱动的第二平移螺杆(32)、第二平移螺母(33)、第二平移连杆(34)、第一平移步进电机(35)、由第一平移步进电机(35)驱动的第一平移螺杆(36)、第一平移螺母(37)和第一平移连杆(38);所述的第二平移螺杆(32)连接第二平移螺母(33)，第二平移螺母(33)连接第二平移连杆(34)， 第二平移连杆(34)固定连接第一平移步进电机(35)，第一平移螺杆(36)连接第一平移螺母(37)，第一平移螺母(37)连接第一平移连杆(38)。
5.如权利要求I所述的杠杆式链条加压的动物爬附力测量装置，其特征在于，所述的 CCD摄像系统包括俯视摄像机(41)、侧视摄像机(42)和投影光源(43)。
6.如权利要求I所述的杠杆式链条加压的动物爬附力测量装置，其特征在于，所述的观察台(5)包括观察罩(57)，观察罩(57)内设有托架(53)，托架(53)上设有托盘(51)，托盘(51)上设有爬板(52)，托架(53)固定连接托架螺母(54)，托架螺母(54)连接由第一升降步进电机(56)驱动的螺杆(55)。
7.如权利要求I所述的杠杆式链条加压的动物爬附力测量装置，其特征在于，还包括测量控制系统，所述的测量控制系统包括计算机(61)，计算机￠1)连接图像分析模块(62) 和驱动控制模块(63)，所述的CCD摄像系统包括俯视摄像机(41)、侧视摄像机(42)以及投影光源(43)，所述的观察台(5)包括第一升降步进电机(56)，所述的平衡加压机构(2)包括第二升降步进电机(28)，所述的移动加压机构(3)包括第一平移步进电机(35)和第二平移步进电机(31)，所述的图像分析模块￠2)连接俯视摄像机(41)和侧视摄像机(42)，所述的驱动控制模块￠3)连接第一升降步进电机(56)、第二升降步进电机(28)、第一平移步进电机(35)和第二平移步进电机(31)。
8.—种杠杆式链条加压的动物爬附力测量方法，其特征在于，采用权利要求I所述的杠杆式链条加压的动物爬附力测量装置，具体步骤为第一步将杠杆机构(I)的一端拴住动物，将动物置于观察台(5)中，调节杠杆机构(I)处于水平位置；第二步调节平衡加压机构(2)和移动加压机构(3)，施力于杠杆机构(I)的另同时观察动物，当动物完全脱附时,停止试验；第三步计算作用于动物上的拉力，即为动物的爬附力。
全文摘要
本发明提供了一种杠杆式链条加压的动物爬附力测量装置及测试方法。所述的杠杆式链条加压的动物爬附力测量装置，其特征在于，包括杠杆机构、平衡加压机构、移动加压机构、用于观察动物的CCD摄像系统以及用于放置测试动物的观察台；杠杆机构的一端连接动物，另一端连接平衡加压机构，平衡加压机构连接用于改变杠杆机构的力臂的移动加压机构。本发明装置精巧、实用，适应性强；施力平稳、干扰小、变化范围大；测量精准、数字化、自动化，可用于昆虫平面爬附力的测量。
文档编号G01L5/00GK102589780SQ201210030698
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 申请人:东华大学