CN102578043B

CN102578043B - 一种三平面上昆虫行走与爬附特征测量装置

Info

Publication number: CN102578043B
Application number: CN201210030554.7A
Authority: CN
Inventors: 于伟东; 崔瑞国; 刘洪玲
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2012-02-11
Filing date: 2012-02-11
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2032-02-11
Also published as: CN102578043A

Abstract

本发明提供了一种三平面上昆虫行走与爬附特征测量装置，其特征在于，包括用于放置昆虫的爬鼓、用于测试昆虫足掌爬附频率的振动测力机构、三位爬附力测量机构、三位固定座、用于观测昆虫爬行姿态的侧视摄像机以及拾音器，拾音器设于爬鼓内，拾音器连接振动测力机构，三位爬附力测量机构设于三位固定座上。本发明具有以下的优点和积极效果：测试时，对昆虫活体试样的处理简单，可以更精确的测定昆虫足掌与爬鼓接触的力度和接触状态，可以方便的测试平位、悬位、侧位时昆虫的爬附力值，测量对象的范围更广。

Description

一种三平面上昆虫行走与爬附特征测量装置

技术领域

本发明涉及一种三平面上昆虫行走与爬附特征测量装置，属于测量生物行走与爬附特征技术领域。

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。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。同时运动行为是昆虫生物学功能的体现，评测昆虫运动行为是昆虫学研究的重要组成部分。目前研制的仿生机器人在运动的平稳性、灵活性、环境适应性及能源利用效率等方面远远落后于动物。研究昆虫和其脚掌的运动行为以及与接触表面的相互作用力，可帮助理解动物运动的规律性。为生物学家和工程师们研究动物时的爬附机制提供有价值的线索，同时为仿生机器人的机构设计、步态规划和控制系统设计、进一步提高特种仿生机器人(特别是爬壁机器人)和其他复杂系统的性能提供指导和借鉴。

传统的昆虫行为学研究主要是以直接观察和手工记录为主，存在定性武断和费时费力等诸多问题。专利申请号为200910105865.3的“关于果蝇行为实验的方法”通过LED等显示出不同色彩、图形以及运动图案来刺激果蝇，进而直接观察果蝇的行为；专利申请号为201020155828.1的“一种昆虫行为监测系统”给出了一种利用摄像机和录像装置长时间实时观测昆虫姿态变化和运动行为的装置；专利申请号为02113827.3的“动物行为视频分析系统”给出了一种测试小白鼠等动物的运动特征、运动轨迹和运动速度的测试装置；但是以上几个专利测试范围小，仅针对单一动物进行测试；不能观察到具体各个脚掌的接触状态，测试精度低；只能测试水平面上的运动行为，不能实现多角度观察的目的；不能实时观察生物足掌的接触状态和力值。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，成本较高。

发明内容

由于昆虫爬行的爪、足结构不同，握持机制不同，因此对不同的粗糙度表面的爬附力不同，不同站姿的爬行稳定性也不同。这将引起昆虫在不同空间位置的爬附行为的变化。而目前自主、原位测量昆虫空间爬附行为的装置欠缺，实现三平面上昆虫爬附力测量的装置也较少。本发明的目的是提供一种三平面上昆虫行走与爬附特征测量装置，装置简单实用、精度精准，能够实现在昆虫自主状态下，数字化、自动化观察水平、竖直、悬位面上昆虫步态、足掌接触状态和昆虫爬附力测试。

为了达到上述目的，本发明提供了一种三平面上昆虫行走与爬附特征测量装置，其特征在于，包括爬鼓、振动测力机构、三位爬附力测量机构、三位固定座、侧视摄像机以及拾音器，拾音器设于爬鼓内，拾音器连接振动测力机构，三位爬附力测量机构设于三位固定座上。

优选地，所述的三平面上昆虫行走与爬附特征测量装置还包括计算机控制与数据处理系统，所述的振动测力机构包括振动应变片组，所述的三位爬附力测量机构包括拉动应变片组、步进电机以及正视摄像机，所述的拾音器包括麦克风，所述的计算机控制与数据处理系统包括与所述的拉动应变片组相连的用于采集和处理所测得力值的爬附力模块，与所述的正视摄像机相连的用于采集和分析昆虫所处位置的正视图像模块，与所述的侧视摄像机相连的用于采集和分析昆虫步态以及足掌与鼓面接触状态的侧视图像模块，与所述的振动应变片组相连的用于采集和处理所测得力值的振动测力模块，与所述的拾音器相连的用于采集和处理昆虫足掌踏附声音的爬动声模块，与所述的步进电机相连的用于驱动步进电机转动的拉动驱动模块以及与爬附力模块、正视图像模块、侧视图像模块、振动测力模块、爬动声模块和拉动驱动模块相连接的计算机。

更优选地，所述的爬鼓包括包覆架以及设于包覆架外的鼓面。所述的鼓面是指高聚物膜、皮、金属片或纸，绷紧包覆在包覆架外侧；所述的爬鼓形状为是长方体，有中腔，其中放置有拾音器。

更优选地，所述的振动测力机构包括振动悬臂梁，振动悬臂梁一端固定连接爬鼓，另一端固定在底座上，所述的振动应变片组包括粘贴在振动悬臂梁上表面、呈平行排列的两块应变片和粘贴在振动悬臂梁下表面、呈平行排列的两块应变片，四块应变片组成全桥式电路，且位置紧靠振动悬臂梁的固定在底座上的一端。

更优选地，所述的三位爬附力测量机构包括牵线，牵线的一端连接昆虫，另一端连接拉动悬臂梁的一端，拉动悬臂梁的另一端固定在拉动螺母上，所述的拉动螺母连接由步进电机驱动的拉动螺杆，步进电机和正视摄像机固定在固定架上，固定架固定在三位固定座上，所述的拉动应变片组包括粘贴在拉动悬臂梁上表面、呈平行排列的两块应变片和粘贴在拉动悬臂梁下表面、呈平行排列的两块应变片，四块应变片组成全桥式电路，且位置紧靠拉动悬臂梁固定在拉动螺母上的一端。所述的步进电机转动带动拉动螺杆转动，继而带动其上的拉动螺母上升或下降。

更优选地，所述的三位固定座包括平位座、竖位座和悬位座。

更优选地，所述的拾音器包括固定在包覆架上的支架以及固定在支架上的用于检测昆虫踏声的麦克风。

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)测试时，对昆虫活体试样的处理简单，对于不会飞行或跳跃的昆虫活体试样直接进行试验，试验速度快，成本低；(b)通过拾音器检测昆虫足掌踏上爬鼓的声音，同时配合侧视摄像机，可以更精确的测定昆虫足掌与爬鼓接触的力度和接触状态；(c)通过改变三位爬附力测量机构的位置，可以方便的测试平位、悬位、侧位时昆虫的爬附力值，仪器简单、测试方便；(d)使测量对象的范围更广，既能够测量在不同种类昆虫活体，如蝇类、蟋蟀、甲虫或蚂蚁等运动行为特征，也可以用于壁虎、树蛙等小型动物的运动行为研究。

附图说明

图1是三平面上昆虫行走与爬附力特征测量装置的主视图；

图2是三平面上昆虫行走与爬附力特征测量装置平位测量时的俯视图；

图3是三平面上昆虫行走与爬附力特征测量装置的计算机控制与数据处理系统图；

图4是爬鼓内部拾音器放置图；

图5是应变片组的电路图；

图中，1-爬鼓，其包括11-鼓面；12-包覆架；

2-振动测力机构，其包括21-振动悬臂梁；22-振动应变片组；23-底座；

3-三位爬附力测量机构，其包括31-牵线；32-拉动悬臂梁；33-拉动应变片组；34-拉动螺母；35-拉动螺杆；36-步进电机；37-正视摄像机；38-固定架；

4-三位固定座，其包括41-平位座；42-竖位座；43-悬位座；

5-侧视摄像机；

6拾音器，其包括61-麦克风；62-支架；

7-计算机控制与数据处理系统，其包括71-爬附力模块；72-正视图像模块；73-侧视图像模块；74-振动测力模块；75-爬动声模块；76-拉动驱动模块；77-计算机；

其中，a上应变片；b下应变片；

具体实施方式

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1

如图1所示，为三平面上昆虫行走与爬附力特征测量装置的主视图，图2为其平位测量时的俯视图，所述的三平面上昆虫行走与爬附特征测量装置，包括用于放置昆虫的爬鼓1、用于测试昆虫足掌爬附频率的振动测力机构2、三位爬附力测量机构3、三位固定座4、用于观测昆虫爬行姿态包括三平面上昆虫步态以及足掌与爬鼓1的接触状态的侧视摄像机5以及拾音器6，侧视摄像机5视频帧率为100帧/秒，拾音器6设于爬鼓1内，拾音器6连接振动测力机构2，三位爬附力测量机构3设于三位固定座4上。

如图3所示，为三平面上昆虫行走与爬附力特征测量装置的计算机控制与数据处理系统图，所述的三平面上昆虫行走与爬附特征测量装置还包括计算机控制与数据处理系统7，所述的振动测力机构2包括振动应变片组22，所述的三位爬附力测量机构3包括拉动应变片组33、步进电机36以及正视摄像机37，所述的拾音器6包括麦克风61，所述的计算机控制与数据处理系统7包括与所述的拉动应变片组33相连的用于采集和处理所测得力值的爬附力模块71，与所述的正视摄像机37相连的用于采集和分析昆虫所处位置的正视图像模块72，与所述的侧视摄像机5相连的用于采集和分析昆虫步态以及足掌与鼓面11接触状态的侧视图像模块73，与所述的振动应变片组22相连的用于采集和处理所测得力值的振动测力模块74，与所述的拾音器61相连的用于采集和处理昆虫足掌踏附声音的爬动声模块75，与所述的步进电机36相连的用于驱动步进电机转动的拉动驱动模块76以及与爬附力模块71、正视图像模块72、侧视图像模块73、振动测力模块74、爬动声模块75和拉动驱动模块76相连接的计算机77。拉动驱动模块76所需要的控制信号通过计算机77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77上的对外输出数据线可方便的产生。

所述的爬鼓1包括包覆架12以及设于包覆架12外的鼓面11。鼓面11为PVC膜，绷紧包覆在包覆架12外侧。爬鼓1形状为是立方体，尺寸为5cm×5cm×5cm，有中腔，其中放置有拾音器6。

所述的振动测力机构2包括振动悬臂梁21，振动悬臂梁21尺寸为20cm×2cm×0.5cm。振动悬臂梁21一端固定连接爬鼓1，另一端固定在底座23上，所述的振动应变片组22包括粘贴在振动悬臂梁21上表面、呈平行排列的两块应变片和粘贴在振动悬臂梁21下表面、呈平行排列的两块应变片，四块应变片组成如图5所示的全桥式电路，且位置紧靠振动悬臂梁21的固定在底座23上的一端。

所述的三位爬附力测量机构3包括牵线31，牵线31为缝纫线，长20cm。牵线31的一端连接昆虫，另一端连接拉动悬臂梁32的一端，拉动悬臂梁32尺寸为10cm×2cm×0.5cm，到鼓面11距离为10cm，拉动悬臂梁32的另一端固定在拉动螺母34上，所述的拉动螺母34连接由步进电机36驱动的拉动螺杆35，拉动螺杆35和拉动螺母34型号为M16，螺距为1mm，步进电机36默认转速为10r/min，步进电机36和正视摄像机37固定在固定架38上，固定架38固定在三位固定座4上，所述的拉动应变片组33包括粘贴在拉动悬臂梁32上表面、呈平行排列的两块应变片和粘贴在拉动悬臂梁32下表面、呈平行排列的两块应变片，四块应变片组成如图5所示的全桥式电路，且位置紧靠拉动悬臂梁32固定在拉动螺母34上的一端。所述的步进电机转动带动拉动螺杆转动，继而带动其上的拉动螺母上升或下降。

所述的三位固定座4包括平位座41、竖位座42和悬位座43，到鼓面11的距离为20cm。所述的平位座41用于测量昆虫爬附在爬鼓1顶面时的爬附特征；所述的竖位座42用于测量昆虫爬附在爬鼓1侧面时的爬附特征；所述的悬位座43用于测量昆虫爬附在爬鼓1底面时的爬附特征。

如图4所示，为爬鼓内部拾音器放置图，所述的拾音器6包括固定在包覆架12上的支架62以及固定在支架62上的用于检测昆虫踏声的麦克风61。麦克风61灵敏度为-45db±1db。

应用例1

以果蝇为例，测试其在水平面上的行走和爬附特征，则试验步骤如下所示：

(1)将三位爬附力测量机构3安装到平位座41上，打开计算机77，开启侧视摄像机5和正视摄像机37，开启步进电机36带动拉动悬臂梁32位于鼓面10cm处，取一只将要测试的果蝇作为试样，称重，并用强力胶水将其翅膀粘贴在一起使其不能飞行并放置到爬鼓1顶面上；取一根牵线32，一端拴住果蝇，另一端系到拉动悬臂梁32头端；

(2)开启振动应变片组22和拉动应变片组33，同时开启步进电机36，带动拉动悬臂梁32上升，同时通过侧视摄像机5观察果蝇与爬鼓1接触状态，当果蝇足掌完全脱离鼓面11时，关闭步进电机36，停止试验；

(3)重复步骤(1)，(2)测试20次，并对测试结果取平均值，之后关闭摄像机和计算机77，试验结束。

应用例2

以蟑螂为例，测试其在竖直面上的行走和爬附特征，则试验步骤如下所示：

(1)将三位爬附力测量机构3安装到竖位座42上，打开计算机77，开启侧视摄像机5和正视摄像机37，开启步进电机36带动拉动悬臂梁32位于鼓面10cm处，取一只将要测试的蟑螂作为试样，称重并放置到爬鼓1顶面上；取一根牵线32，一端拴住蟑螂，另一端系到拉动悬臂梁32头端；

(2)开启振动应变片组22和拉动应变片组33，同时开启步进电机36，带动拉动悬臂梁32向左运动，同时通过侧视摄像机5观察蟑螂与爬鼓1接触状态，当蟑螂足掌完全脱离鼓面11时，关闭步进电机36，停止试验；

应用例3

以蚂蚁为例，测试其在天花板上的行走和爬附特征，则试验步骤如下所示：

(1)将三位爬附力测量机构3安装到水平座43上，打开计算机77，开启侧视摄像机5和正视摄像机37，开启步进电机36带动拉动悬臂梁32位于鼓面10cm处，取一只将要测试的蚂蚁作为试样，称重，并放置到爬鼓1顶面上；取一根牵线32，一端拴住蚂蚁，另一端系到拉动悬臂梁32头端；

(2)开启振动应变片组22和拉动应变片组33，同时开启步进电机36，带动拉动悬臂梁32下降，同时通过侧视摄像机5观察蚂蚁与爬鼓1接触状态，当蚂蚁足掌完全脱离鼓面11时，关闭步进电机36，停止试验；

以上三个具体实例的测试结果如表1所示。

表1三个应用例的实验结果

	应用例1	应用例2	应用例3
				昆虫	果蝇(六足)	蟑螂(六足)	蚂蚁(六足)
重量(mN)	0.015	0.023	0.014
				麦克风测爬行的频率(Hz)	4.8	6.5	2.2
振动悬臂梁测得频率(Hz)	4.4	8.6	3.5
				振动平均幅度(mm)	3.34	5.34	2.18
触地平均足数	4.5	4	4
				平均爬附力值(mN)	0.215	0.435	0.174

Claims

1.一种三平面上昆虫行走与爬附特征测量装置，其特征在于，包括爬鼓（1）、振动测力机构（2）、三位爬附力测量机构（3）、三位固定座（4）、侧视摄像机（5）以及拾音器（6），还包括计算机控制与数据处理系统（7），拾音器（6）设于爬鼓（1）内，拾音器（6）连接振动测力机构（2），三位爬附力测量机构（3）设于三位固定座（4）上；所述的振动测力机构（2）包括振动应变片组（22），所述的三位爬附力测量机构（3）包括拉动应变片组（33）、步进电机（36）以及正视摄像机（37），所述的拾音器（6）包括麦克风（61），所述的计算机控制与数据处理系统（7）包括与所述的拉动应变片组（33）相连的用于采集和处理所测得力值的爬附力模块（71），与所述的正视摄像机（37）相连的用于采集和分析昆虫所处位置的正视图像模块（72），与所述的侧视摄像机（5）相连的用于采集和分析昆虫步态以及足掌与鼓面（11）接触状态的侧视图像模块（73），与所述的振动应变片组（22）相连的用于采集和处理所测得力值的振动测力模块（74），与所述的拾音器（6）相连的用于采集和处理昆虫足掌踏附声音的爬动声模块（75），与所述的步进电机（36）相连的用于驱动步进电机转动的拉动驱动模块（76）以及与爬附力模块（71）、正视图像模块（72）、侧视图像模块（73）、振动测力模块（74）、爬动声模块（75）和拉动驱动模块（76）相连接的计算机（77）；所述的三位爬附力测量机构（3）包括牵线（31），牵线（31）的一端连接昆虫，另一端连接拉动悬臂梁（32）的一端，拉动悬臂梁（32）的另一端固定在拉动螺母（34）上，所述的拉动螺母（34）连接由步进电机（36）驱动的拉动螺杆（35），步进电机（36）和正视摄像机（37）固定在固定架（38）上，固定架（38）固定在三位固定座（4）上，所述的拉动应变片组（33）包括粘贴在拉动悬臂梁（32）上表面、呈平行排列的两块应变片和粘贴在拉动悬臂梁（32）下表面、呈平行排列的两块应变片，四块应变片组成全桥式电路，且位置紧靠拉动悬臂梁（32）固定在拉动螺母（34）上的一端。

2.如权利要求1所述的三平面上昆虫行走与爬附特征测量装置，其特征在于，所述的爬鼓（1）包括包覆架（12）以及设于包覆架（12）外的鼓面（11）。

3.如权利要求1所述的三平面上昆虫行走与爬附特征测量装置，其特征在于，所述的振动测力机构（2）包括振动悬臂梁（21），振动悬臂梁（21）一端固定连接爬鼓（1），另一端固定在底座（23）上，所述的振动应变片组（22）包括粘贴在振动悬臂梁（21）上表面、呈平行排列的两块应变片和粘贴在振动悬臂梁（21）下表面、呈平行排列的两块应变片，四块应变片组成全桥式电路，且位置紧靠振动悬臂梁（21）的固定在底座（23）上的一端。

4.如权利要求1所述的三平面上昆虫行走与爬附特征测量装置，其特征在于，所述的三位固定座（4）包括平位座（41）、竖位座（42）和悬位座（43）。

5.如权利要求1所述的三平面上昆虫行走与爬附特征测量装置，其特征在于，所述的拾音器（6）包括固定在包覆架（12）上的支架（62）以及固定在支架（62）上的用于检测昆虫踏声的麦克风（61）。