CN101380235B - 动物足-面接触运动反力的测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及动物足-面接触运动反力的测试系统，属测力技术领域。该系统包括：测力传感器阵列支架、测力传感器阵列、测力传感器阵列经信号调理放大器连于计算机，还包括高速摄像机；其中测力传感器阵列由多个连接有独立承力片的独立的测力传感器组成，且每个独立的测力传感器整体成为倒“T”型结构，上述测力传感器阵列的具体布置形式为：水平“L”型布置形式，适用于该动物转向运动状态下所述接触运动反力测量，空间垂直“L”型布置形式，适用于该动物墙面间过渡运动状态下所述接触运动反力测量。本系统可测量大壁虎、蜘蛛在水平面、垂直面和天花板运动时每只脚掌与附着表面间的接触运动反力、接触时间和运动行为等信息。
Description
技术领域
本发明涉及动物运动力学量的测试和机器人仿生领域。特别涉及壁虎、蜘蛛、甲虫等粘附动物(指脚掌能够产生粘附力从而可以在3度空间各表面运动的动物)在水平面、垂直面和天花板等各种表面上运动时，脚掌与表面的作用力及实时图像采集的测试系统。并可用于测定机器人的运动性能。
背景技术
运动是动物的基本特征，是动物捕食、逃逸、生殖、迁移等行为的基础。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(对粘附动物包含墙面、天花板等各种位置表面)间的力相互作用，实现驱动、稳定、机动等运动行为，对足-面间作用力的测试是认识动物运动规律的重要途径，所获得的信息对机器人，特别是爬壁机器人的设计具有重要指导意义。
壁虎、蜘蛛和昆虫等动物有三维空间无障碍(Three Dimensional-terrainObstacle Free-TDOF)运动的能力，能在正、零和负表面(以地球外法线为正，对应地面、墙面和天花板)等各种表面位置做自如的实现各种复杂的运动。目前人们对足-面间相互作用力的认识还不够充分。具有同样运动能力的机器人在搜救、探险、外空探测、特种侦察等领域具有明确而迫切的需求。现有的这类机器人的运动能力还远落后于动物。揭示动物运动的力学规律，能够指导机器人的动力学设计，提升机器人的性能。本设计实施例以大壁虎(Gekko gecko)在地面、墙面和天花板上的3维运动反力的测试展开。壁虎是体重最重(可达150g，平均70g)、运动速度快(可达1.5m/s)、负重能力强，具有代表性。是典型的具有3维空间无障碍运动能力的动物。
为了准确定义相关概念，这里我们所述的运动反力指动物的单个脚掌全部作用在单个传感器上时测到的力。惯性反力指动物整体处于传感器上，由于肢体的运动、脚掌对传感器承力片的作用等原因造成的作用于传感器的力的动态变化。
与本发明相关的运动反力测试方法、多维力传感器、测力传感器阵列及其测试系统的相关的技术背景分别论述如下。
运动惯性力或反力的测试方法：
按照传感器的定位方式一般分为固定式和随动式。随动式指传感器固联于运动动物的测试方式。该方法可用较少的传感器实现运动反力的连续测定，但对运动动物的要求较高。目前主要和人的鞋子设计为一体，用于人的运动反力测试。用于传感器较大，测试精度有限，不适合于小型动物运动反力的测试。固定式指传感器固联于静止参照系的测试方式。应用较多，又分为单个传感器的测试和多传感器阵列的测试两种方法。单个传感器的实验测试方法早在1938年就有人研究。Full等人1995年实现了测试的数值化，该测试方法是在一个较大的承力面下安装了4个梁式传感器，用于测量3维地面反力，测试蜥蜴、壁虎、甲虫等动物在该承力面上运动时产生的惯性力(脚掌和承力面接触，身体运动等产生的惯性力)。(Journal of Experimental Biology，1995，198：2441-2452)。由于测量时全部动物位于传感器的承力片上，因此仅能测得动物运动过程的惯性力，不能得到单个脚掌上的运动反力。
组成动物运动反力测试阵列的传感器技术：
除了满足量程、分辩率等要求外，因为动物脚掌对接触面的作用是一个冲击作用力，因此传感器还必须有高的固有频率才能保证测试结果的真实性。为了实现组阵，传感器的安装固定还要考虑不发生干涉。Full(JEB，1995，198：2441-2452)的传感器测力范围和动态性能是合适的，但传感器结构太大，不能组成阵列。1999年台湾逢甲大学研制的脚掌接触力传感器测量人在步行的不同阶段脚掌与接触面间的接触运动反力(见：The six-component force sensor formeasuring the loading of the feet of in locomotion，Materials and design，1999，20：237-244)，在鞋底前脚掌与脚跟两个位置安装两个相同的6维力传感器，基于电阻应变测量原理制成，弹性体结构为轮辐式，测量力的范围可达到±1000N。该传感器没报道动态性能，用于安装到人的脚底，测量范围也不适合于动物运动反力的测定。本专利发明人曾提出的倒T型传感器(CN1912559)有较高的固有频率、量程和测试精度，且能够满足组成阵列对防止传感器间的固定干涉的要求。
传感器的组阵技术：
从组成传感器阵列的结构方面分类，传感器和阵列间的关系可以分为整体式和分体式，传感器阵列表面可以有覆盖物或者没有覆盖物。传感器能够测定的力的维数也是重要的指标。2006年Heo J S等用光纤光栅系统制成的3×3的单维力传感器阵列[Tactile sensor arrays using fiber Bragg gratingsensors.Sensors and Actuators A，2006，126：312-327]，可用于测量皮肤触觉和指尖力的分布，用于测量机器人指尖力的应变式传感器阵列，量程为100N，分辨率0.1N。该测力阵列仅测量一维力，分辨率不能满足动物运动反力测试的要求。2004年中国科学院合肥智能机械研究所研制的“柔性三维力触觉传感器(CN1796954)”，呈4×4阵列设置的16只三维力传感器，采用单晶硅材料通过MEMS工艺技术制作而成，通过半导体的压阻效应，实现对三维力的检测，其空间分辨率可达5mm，最小分辨力是0.1N。该阵列为整体结构，分辨率不能满足动物运动反力测试的要求。改变阵列的组阵方式也不方便。2005年中国科学院合肥物质科学研究院的“基于数字跑道的田径训练信息采集和反馈系统(CN1818569)”。该发明为多个传感器单元置于起保护作用上塑胶层和下塑胶层之间，传感器单元由行引线和列引线连接，作为跑道放置在地面，测量运动员的脚底与跑道的接触力和时间等。2006年，中国科学院合肥物质科学研究院的“机器人手爪仿生指面柔性接触传感器阵列(CN100999079)”。该发明利用微型气压传感器和微型柔软气囊结合构成仿生指面柔性接触传感器。在传感器基板上设置多个微型气压传感器，在微型气压传感器上包覆固定有气囊微孔的微型柔软气囊，传感器基板设置有小孔，该孔与微型气压传感器的参考腔互通。制作成可以自动适应外界环境变化的柔性接触传感器阵列。这几种阵列在传感器上均覆盖有连续的保护层，不能获得动物运动反力的真实结果。
1998年Goodyear橡胶轮胎公司研制的“三维力销传感器阵列(US Patent6536292)”，用多个悬臂梁式的传感器来测量轮胎质构与附着表面的接触力，每个传感器独立的安装在基座上面，允许对阵列中损坏的传感器快速更换，能防止灰尘和污染对测量的影响。
以下为与本发明最为接近的现有技术：
动物运动反力的研究属于多学科交叉的前沿领域，实验系统的研制更需要发 明人熟知动物运动规律研究的需要，还需要具有传感器研制，测力阵列设计研制，数据采集及图像采集等综合性的知识背景，国内外能够开展这类研究和研制的团队及人员非常少。2003年戴振东教授提出了一种“三维微载荷测力阵列系统(CN1544900)”。系统采用L型3维力传感器组成传感器阵列，基于半导体应变测试技术，传感器的量程为±10mN，设计分辨率为0.1％F.S.，即10μN，用于测试质量较小的粘附动物(如黄斑蝽、甲虫等)3维接触运动反力。该技术为本运动反力测试系统的前期自有技术。它采用了半导体应变测试技术，稳定性还有待提高，测力范围不能适应壁虎等较大的动物运动反力的测定。传感器阵列的调试复杂，难于组成多种不同需求的阵列形式。
发明内容
本发明提出一套适合于于3维空间无障碍运动动物在各种表面上自由运动时脚掌和表面间接触运动反力测试的方法，设计能够模拟3维空间表面状态、测试动物运动中的3维反力、并将力学量的测试与运动行为和步态结合起来的运动行为和力学测试分析系统。以满足人们探索动物运动规律的需求，该研究将启发仿生机器人(特别是仿壁虎等具有3维空间无障碍运动能力的机器人)设计。该系统同样可用于仅在地面上运动的动物(如猫、狗等)运动地面反力的测试。
一种动物足-面接触运动反力的测试方法，实现对各种表面上自由运动动物接触运动反力的测试，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：选择量程较大的3维传感器，测定动物在各种表面自由运动状态下的运动反力，经多次测量选取所测最大载荷，用于确定拟用于该动物运动反力实验的传感器的量程范围；
步骤2：选取满足上述量程范围的3维传感器，测定该动物在各种表面自由运动状态下的运动反力，经多次测量检查有无特征载荷(例如预载荷)，用于确定拟用于该动物运动反力实验的传感器的分辨率；
步骤3：根据步骤1、步骤2设计研制传感器，并进行在线标定；
步骤4：观测该动物的运动行为，设计对应的测力阵列的布置形式，以便模拟该动物在水平地面，竖直墙面，天花板，斜面等不同空间位置，以及直线行走，拐弯行走，墙面过渡等不同行进方式的运动状态；上述测力阵列的具体布置形式为：水平“L”型布置形式，适用于该动物转向运动状态下运动反力测量；空间垂直“L”型布置形式，适用于该动物墙面间过渡运动状态下运动反力测量；其中测 力产感器阵列由多个连接有独立承力片的独立的测力传感器组成；
步骤5：设计引导动物通过测力传感器的通道，并训练实验动物；
步骤6：引导动物通过测力传感器阵列通道，并利用传感器系统采集反力数据，利用录像系统采集动物通过测力传感器阵列通道的画面；
步骤7：利用录像画面在所采集的反力数据中筛选出动物单个脚掌作用在单个传感器上的数据作为有效数据。
一种动物足-面接触运动反力的测试系统，用于对各种表面上自由运动动物足-面足-面接触运动反力的测试，其特征在于包括：测力传感器阵列支架、安装于传感器阵列支架上的测力传感器阵列、测力传感器阵列经信号调理放大器连于计算机，还包括与测力数据实现同步采集的高速摄像机；并且在测力传感器阵列两侧安装有两面角度可调的镜子，以配合高速摄像实现动物运动时背部与侧面的图像采集；其中测力传感器阵列由多个连接有独立承力片的独立的测力传感器组成，且每个独立的测力传感器整体成为倒“T”型结构，包括垂直梁和水平梁，垂直梁上部有一个腰形孔，下部有两个在空间上相互垂直的“H”型通孔；水平梁上有两个“H”型通孔，两孔相对于垂直梁的中心线对称，垂直梁和水平梁上设计三处贴片位置各贴有一组金属应变片，分别用于测量被测力的三个分量FX、FY、FZ；上述测力阵列的具体布置形式为：水平“L”型布置形式，适用于该动物转向运动状态下运动反力测量，空间垂直“L”型布置形式，适用于该动物墙面间过渡运动状态下运动反力测量。
以往对动物(含人)运动力学的测试，主要针对在地面上运动的情况开展研究(所以该反力一般称为地面反力-Ground Reaction Force-GRF)。但壁虎等动物具有地面、墙面、天花板等任何表面运动的3维空间无障碍运动能力。这类动物在地面以外的表面上的运动反力的测试，仅见Autumn的壁虎在模拟墙面上的整体测试实验(Journal of Experimental Biology，2006，209：260-27)，但所用的测试仪器还是1995年的单个梁式3维传感器。
现有力传感器阵列需求背景各不相同，有的用于机器人手掌触觉，有的测量车轮与地面的接触状况，也有的用于动物运动反力的测试。不同的需求对所发明的测试系统的要求也不同。本发明以壁虎3度空间(地面，墙面，天花板等)的3维运动反力的测试为背景，问题本身就是全新的，还未见同类设备发明的报道。现有的动物运动反力测试方法和测试系统，也无法得到动物运动中各足接触运动反力的相互关系及其随时间的变化(从支撑相到移动相间的转化)等理解动 物运动力学规律的重要信息。
采用本实验系统，我们成功实现了对多种小动物运动反力的测定。例如大壁虎、黄斑蝽、林蛙等动物运动反力的测定。
结合国家自然科学基金项目研究，我们首次测到了自由运动壁虎的预载荷(Preload forces)。预载荷指壁虎在接触时脚趾对接触表面的压力，国外的研究(Autumn，et al，Nature，2000)表明，预载荷是产生粘附力的基本条件。测试结果表明，壁虎的预载荷不可思议的小，仅几毫牛到几十毫牛！并且测定了预载荷和运动速度、粘附力及运动反力间的关系。该结果向人们展示了大壁虎运动反力非常精细和丰富的一面。典型的运动反力随时间变化的曲线见图5。
运用该系统，我们首次系统测定了大壁虎在地面、墙面和天花板上的运动反力。我们发现在地面上大壁虎的运动反力，特别是侧向力，并不是前人所预测的那样，在壁虎脚上指向外侧。而是主要指向内侧。这表明壁虎在地面上运动时四肢向外侧用力。我们发现大壁虎用于驱动的力非常小的，仅仅几个毫牛到几十个毫牛，说明其运动的效率非常高。我们首次确认大壁虎运动中前肢比后肢更加重要-前肢承担60％的体重，而后肢仅承担40％的体重(图6)。
运用该系统，我们首次测定了大壁虎在天花板上的运动反力，发现这时大壁虎四肢主动内收，形成指向外侧的面内反力。且前脚上的反力指向前进方向，后脚上的反力指向运动的反方向。所产生的粘附力比壁虎的体重大一点。运动反力的各个分力具有非常确定的方向。在天花板上壁虎各个反力的数值是最大的。
运用该系统，我们发现在墙面上，壁虎的前肢起到主要的作用，产生的侧向力，驱动力和粘附力足以支撑壁虎的运动，且对运动的稳定性和转向行为起到控制性作用。后肢产生的侧向力和粘附力仅几个毫牛到几十个毫牛，仅在驱动力方面有所贡献。
运用该系统，我们测定了黄斑蝽的运动反力，发现其运动反力小到几百微牛到几个毫牛。
附图说明：
图1A阵列用3维传感器及其承力片；图1B传感器电阻应变片的布置及其连线。
图1的标号名称：1.承力片，点2、3、5所指位置分别安置前后、侧向和法 向3个方向的承力片，点4、6用于将传感器固定到机架上，7.传感器弹性体。
图2.测力传感器阵列实现不同表面位置。图2A测力传感器阵列出于水平位置，做动物在地面上运动的反力实验；图2B测力传感器阵列出于垂直位置，做动物在墙面上运动的反力实验；图2C测力传感器阵列出于向下位置，做动物在天花板上运动的反力实验；测力传感器阵列的法向方向和地球外法线方向间的夹角0-180度均能实现。
图3.测力传感器阵列的不同布置形式。图3A动物延直线运动时的测力传感器阵列布置；图3B动物转向运动时的测力传感器阵列布置；图3C动物墙面间过渡运动时的测力传感器阵列布置。
图4.动物运动反力测试系统的组成。
图4中标号名称：8.阵列的支架，9.传感器组，10.镜子，11.信号调理和放大器，12.计算机，13.高速摄像机。
具体实施方式：
为了进一步说明本发明的技术要点，下面结合壁虎运动反力的测定表明本发明所提出的技术方案的可行性及其实施效果。
测试方法：
为了实现对各种表面上自由运动动物足-面接触运动反力的测试，我们在多年研究中确立测试方法如下。(1)首先选择量程较大的3维传感器，测定动物在各种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)，选取最大的载荷(峰值)，用于确定拟用于这种动物运动反力实验的传感器的量程。(2)选取合适量程的传感器，测定动物在各种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。(3)传感器的标定一般采用静重法或者用电子天平(一般精度达到万分之一)进行标定。(4)观测动物的运动行为，设计对应的测力阵列的布置形式。(5)设计引导动物通过测力传感器的通道，训练实验动物。(6)设计、加工和调试测力传感器阵列，开发数据采集软件，实现力采集和图像采集的同步。(7)从录像和实验采集到的反力数据中找出全部脚掌作用在测力传感器上的结果。 (8)传感器阵列系统的几何位置可调，能够模拟动物在地面，墙面，天花板等不同空间位置的运动状态。
测力传感器阵列的设计要充分考虑下列问题：
(1)本发明中，每个传感器能够测定3个独立的作用力分量(图1A)，这样可以保证所测得的反力是完整的，而没有损失某个方向的作用力。根据应变传感器的电路原理，每个传感器有12个(3×4)输出线路(图1B)。本发明中，将每个传感器的输出集成为一个独立的输出连接单元(图1B中线路连接点D1，D2，D3，D4)。各个输出形成连接集合。每个输出单元连接到中间转接盒。转接盒连接到应变信号调理和放大器11。经过放大的信号经连接线输入到计算机，由多路采集电路完成模拟信号的采集，转换成为数值信号。在实验中，采集到的数值信号展示在计算机的显示屏上，便于试验者观察。这些信号同时存储到计算机的硬盘，以备后续分析。为了获得运动行为和运动反力的关系，试验中同步采集动物的运动图像，该录像通过动物进入观测区的信号实现自动触发。本发明用没有表面覆盖物的独立的传感器能够提高测试的精度，并保证测试的动态性能。
(2)传感器承力片(图1，结构尺寸a×b)的尺寸确定。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。
(3)为使测力传感器阵列模拟不同表面的转动装置(图2说明3种表面及转动装置的设计。图2A测力传感器阵列出于水平位置，做动物在地面上运动的反力实验；图2B测力传感器阵列出于垂直位置，做动物在墙面上运动的反力实验；图2C测力传感器阵列出于向下位置，做动物在天花板上运动的反力实验；测力传感器阵列的法向方向和地球外法线方向间的夹角0-180度均能实现)。考虑测力传感器阵列能够模拟不同位置的表面，为此设计了一个转动装置，模拟从地面和天花板间的任何表面位置。当转动到所需的位置时，测力传感器阵列能够用螺纹锁紧，保证位置的稳定。
(4)根据实验目的，设计和确定传感器的布置形式和传感器的数量(图3，说明几种传感器的布置形式。图3A动物延直线运动时的测力传感器阵列布置；动物的运动反力测定，传统上仅限于平面上运动状态的测定，这里我们保留这样一个基本的功能，这里测力传感器阵列的长度尺寸(L)应大于壁虎一个运动周 期的长度，测力传感器阵列的宽度应大于壁虎左右脚掌间的距离，以便保证有4个脚掌能够作用踩在传感器上，即有不少于一个周期的运动被采集到。图3B动物转向运动时的测力传感器阵列布置；平面内测定动物转向时运动反力的测力传感器阵列布置形式。这里传感器的转向区域的布置使之所构成的转弯半径应该大于动物实际运动中的转弯半径。图3C动物墙面间过渡运动时的测力传感器阵列布置)。用于测试动物平面间过渡运动的测力传感器阵列的布置形式。这里平面1和平面2内的传感器的数量取决于动物的过渡运动的方式。直接过渡时，宽度(W)和图3A中的宽度一致即可，若是侧面单脚逐步过渡，则宽度(W)要达到能够支撑完成全部过渡行为。在墙面间过渡时运动反力测定用测力传感器阵列的布置
(5)根据受力的大小、传感器的刚度和传感器的量程确定传感器之间以及传感器和运动平面间的距离(图3A，B，C中的d1和d2)。(5)避免传感器间的干涉。传感器间的距离(图3A，B，C中的d1)以及传感器和运动平面间的距离(图3A，B，C中的d2)根据动物最大作用力下传感器的变形量确定，并预留一定间隙。此设计有保护传感器避免受力太大导致传感器的损坏的功能。
(6)传感器在机架上的固定。本发明中传感器的固定由其两端的固定平台(参考图1标号6)实现，用螺钉固定在机架上(参考图1标号4)。因此在设计测力传感器阵列时需要考虑固定部分有足够的空间避免传感器及其固定部分发生干涉。
测力传感器阵列的系统组成、相关部件及其连接关系：
图4表示测力传感器阵列的系统组成及其连接关系。组成测力传感器阵列的零部件有：3维力传感器(1-7)，阵列的支架8，传感器组9，镜子10，信号调理和放大器11，经信号线连接到计算机完成数据的采集，力信号和图像采集通过信号线实现同步，动物运动过程的步态用高速摄像机13采集，经信号线连接并存储到计算机。
大壁虎具有超级的运动能力，能够在各种表面上运动，为了说明问题，我们选择地面、墙面和天花板的情况开展测试。这些表面可分别定义为正、零和负表面(指表面的外法线分析和地球外法线方向一致、垂直和相反)。任何表面均介于正表面和负表面之间。因此本实施例所展示的技术方案可以用于任何表面的运 动反力测定。
该系统(图1)由三维力传感器(CN1912559)、根据大壁虎的脚掌面积的大小确定组成三维力传感器承力片尺寸为30mm×30mm(图1中a×b)。通过对壁虎身体参数的测量，考虑到成本等因素，组成2列每列8个传感器组成的测力传感器阵列。成年大壁虎在运动状态下前后足的最大跨距约为65mm左右，左右足张开的距离略小于前后足的最大跨距。测力传感器阵列平面由16个3维力传感器的30mm×30mm的有机玻璃承力片组成。根据3维力传感器弹性体结构有限元分析结果，X和Y方向分别在满量程(1.5N)的力作用下，承力片沿X方向位移为0.86mm，沿Y方向位移为0.28mm。组成阵列的相邻传感器的承力片之间的间距为1mm，能保证在满量程力作用下相邻承力片不会碰撞。动物运动的通道、能够调整测力传感器阵列位置使之模拟地面、墙面和天花板的转动机构、传感器信号的引出和调理，多通道信号采集，处理和显示所需要的软件和硬件、与力信号同步采集的高速图像采集和匹配的光源系统等部分组成。
用于组成测力传感器阵列的单个三维小量程力传感器(图1，CN1912559)整体成为倒“T”型结构，包括垂直梁和水平梁，垂直梁上部有一个腰形孔(用于减轻弹性体的重量，减小传感器重力对测量结果的影响)，下部有两个在空间上相互垂直的“H”型通孔；水平梁上有两个“H”型通孔，两孔相对于垂直梁的中心线对称，弹性体上设计三处贴片位置各贴有一组金属应变片，分别用于测量被测力的三个分量(FX、FY、FZ)。
考虑三维力传感器在加工、贴片、运输、安装过程中同样会出现微小的误差或变形，影响原先设计的承力片的安装位置，设计了安装位置调整装置，可调节传感器承力片之间的相互距离，以及承力片与有机玻璃板间的平整性和间距等参数。装配时将每个传感器都装夹在单独的夹具上，传感器水平梁的两端作为装夹部位，传感器可以在夹具的滑槽内移动来调节相邻传感器Y方向的间距，滑槽的宽度略大于传感器水平梁宽度，通过螺栓可微调X方向的间距。该夹具安装在传感器阵列的安装底板上，由于大壁虎大小个体差异，根据大壁虎体宽，通过使夹具在安装底板的滑槽内移动来调节两列传感器的间距，从而使大壁虎脚掌正好踩在承力片上。
3维力传感器电压信号采集调理硬件采用National Instruments公司的 SCXI-1001机箱，该硬件安装了6块SCXI-1520通用应变测量模块，SCXI-1314是与SCXI-1520配套的外部接线模块，每块SCXI-1520可以实现8组独立桥路的信号调理。通过使用截止频率为100Hz(可调)的低通滤波以及稳定的激励电源，可以有效提高信号的信噪比，配合PCI-6052E数据采集卡，在多路复用模式下，可以实现多通道的同步采样。
在大壁虎接触运动反力同步测试实验中，在LabVIEW开发环境下编写的专用测试程序，实验测试程序整体上可以分成3个模块即开始采集模块、初始化模块、实验数据采集与保存模块。设定采样率为1000scans/s，建立48个虚拟通道，采用带缓冲区的连续循环采集。虽然三维力传感器X、Y、Z间耦合很小，但由于对精度要求较高，在标定过程中对每个传感器进行解耦，并将解耦矩阵写入到测试程序中，最终输出的是每个传感器上作用的三个方向力的大小，并在程序中实现传感器自动初始化零点平衡。使用移位寄存器，设置内存中的数据队列，保存的数据是触发时前几秒(可调)内采集到的数据，判断数据的有效性后，才决定是否触发数据采集与保存，提高了实验效率。
大壁虎脚掌的接触力与爬行的速度和步态有很大关系，因此在测力的同时有必要对大壁虎的运动过程进行观察和摄像。为不影响摄像，大壁虎爬行的通道四周都使用透明材料制作而成。辅助摄像组件中的光线调节是通过两个强光源分别从一定角度直射到3维测力传感器阵列上，通过PC机上的图形显示分别调整好测力传感器阵列在模拟正、零、负表面时，每个强光源的位置和照射角度。在3维测力传感器阵列的两侧分别有两面镜子，镜面和大壁虎运动通道平面之间的角度是可调的，通过镜面角度的调节可由高速摄像拍摄到在镜面中的大壁虎运动影像，这是大壁虎运动时的侧面影像，一个侧面可清晰的看到大壁虎身体一侧的两只脚掌的运动状态，两面镜子就可以观测大壁虎的四只脚掌的状态。与高速摄像机直接从正面拍摄到的大壁虎运动的背部影像结合起来，就可以完整的观测到大壁虎运动的图形影像。
考虑大壁虎爬行速度和分析的需要，设定高速摄像机采集速度为250帧/秒，图像先保存在4G的内存空间内，判断试验数据有效时才转存到计算机的硬盘中，提高实验效率。通过图像分析软件，可以在获得大壁虎在测力平面上的附着力的同时，获得关于大壁虎运动状态下附着在各种表面上所具有的运动步态，运动速 度以及大壁虎脚掌与附着表面接触力等数据。
用16只三维倒“T”型力传感器组成测力传感器阵列，并配合动态图像的实时记录与处理的方法非常适用于大壁虎的运动步态及其接触力学规律的研究。从微力传感器各项静态性能指标的测定数据来看，传感器的线性测量范围为0～1.5N，分辨力为1mN，维间耦合小于0.15％，并且具有良好的线性度、重复性。通过专门开发的计算机应用程序可以实现多路数据采集、数据显示和维间解耦处理，获得各点接触力的大小和方向。透明的测力平面配合两侧可调镜面，利用高速摄像和图像采集程序，获得大壁虎运动步态的图像数据，及时分析力学数据变化和波动的原因。基于三维测力传感器阵列的大壁虎运动测试系统，将为随后进行的大壁虎接触力学规律的研究奠定坚实的基础。
由于大壁虎体重比较大，在正、零和负表面运动时，FX、Fy、Fz、三个方向的均有可能超过自身体重，因此要求测力传感器每个方向的量程均必须在1.5N以上。在某些运动状态下，大壁虎脚掌在和附着表面接触时力值很小，且迅速的改变力的大小与方向，这就要求传感器不仅要有较高的力分辨率，而且对传感器的动态性能有一定的要求。
在分析协调机制时，大壁虎脚掌的接触力与其运动的步态特征有直接的关系，单独的分析受力特征或步态特征都不能很好的揭示内在的协调原理，有必要将摄像和测力同步进行。大壁虎脚掌与附着表面的接触过程通常在很短的时间就完成了，一般的摄像CCD的采样速度不能满足实验要求。
Claims (1)
1.一种动物足-面接触运动反力的测试系统，用于对各种表面上自由运动动物足-面接触运动反力的测试，其特征在于包括：
测力传感器阵列支架、安装于测力传感器阵列支架上的测力传感器阵列、测力传感器阵列经信号调理放大器连于计算机，还包括与测力数据实现同步采集的高速摄像机；
并且在测力传感器阵列两侧安装有两面角度可调的镜子，以配合高速摄像实现动物运动时背部与侧面的图像采集；
其中测力传感器阵列由多个连接有独立承力片的独立的测力传感器组成，且每个独立的测力传感器整体成为倒“T”型结构，包括垂直梁和水平梁，垂直梁上部有一个腰形孔，下部有两个在空间上相互垂直的“H”型通孔；水平梁上有两个“H”型通孔，两孔相对于垂直梁的中心线对称，垂直梁和水平梁上设计三处贴片位置各贴有一组金属应变片，分别用于测量被测力的三个分量FX、FY、FZ；
上述测力传感器阵列的具体布置形式为：
水平“L”型布置形式，适用于该动物转向运动状态下所述接触运动反力测量，
空间垂直“L”型布置形式，适用于该动物墙面间过渡运动状态下所述接触运动反力测量。
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