CN105258833A - 爬壁动物仿圆柱面攀爬力学与行为测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种爬壁动物仿圆柱面攀爬力学与行为测试系统，属测力技术。该系统包括测力装置支架、安装于支架上的仿圆柱面测力装置、用于调理和接收测力传感器应变信号的放大器和计算机，还包括与测力数据实现同步的两个高速摄像机采集装置。其中仿圆柱面测力装置包括仿圆柱面八边形测力传感器阵列、传感器阵列固定轴、固定底板、仿圆柱面测力装置壳体。仿圆柱面八边形测力传感器阵列包括倒T型三维力传感器、“C”型夹具？、“Z”型夹具、“L”型夹具和“一”字型夹具。本系统可以测量爬壁动物在圆柱面攀爬运动时每只脚掌与附着表面间的接触反力，并用于分析各足间接触反力的协调关系，同时通过高速摄像同步采集动物攀爬运动时的接触时间和抓附行为等信息。

Description

爬壁动物仿圆柱面攀爬力学与行为测试系统

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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。

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。

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。

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。

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。

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-II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-II，12.安装传感器组件的长槽，13.减轻重量的矩形槽，14.轴-I，11.轴-II，15.轴-III，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。

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。

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（Preloadforces）。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a×b,厚度d1），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30×30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）从录像和实验采集到的反力数据中找出全部脚掌作用在传感器上的结果。

测力阵列的设计要充分考虑下列问题：

（1）传感器承力片（图1，结构尺寸a×b，厚度d1）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。根据所实验动物脚掌的尺寸和设计需求，将承力片尺寸确定为30×30，厚1.8mm。

（2）本发明中充分考虑动物在仿圆柱面多边形柱体上的攀爬运动行为和实验目的，设计和确定传感器的布置形式和传感器的数量。图5，说明传感器的布置形式。这里传感器阵列的长度尺寸（L）应大于实验动物一个攀爬运动周期的长度，传感器阵列的周长（C）应大于实验动物左右脚掌间的距离，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。

（3）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5中的d2和d3）。为了避免传感器间的干涉，传感器间的距离（图5中的d2）以及传感器和运动平面间的距离（图5中的d3）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。此设计有避免传感器受力太大导致传感器损坏的功能。

（4）传感器阵列固定轴的设计。如图4中标号14、11、15分别为三段式传感器阵列固定轴：轴-I、轴-II、轴-III。轴-I是直径为24mm的圆柱光轴，轴-I顶部有2个M2.5的螺纹孔用来固定外壳盖板，底部有M3的螺纹通孔，用来与轴-II配合连接；轴-II顶部开孔，底部为圆柱轴，中部为五棱柱结构，在五棱柱的四个面上分别在不同的位置上开矩形槽，用来对传感器夹具进行安装定位；轴-III设计为五棱柱结构，底部钻有螺纹孔，可以将轴固定于底板上。如图6为传感器阵列固定轴装配示意图。

（5）传感器夹具的设计。根据传感器的布置形式和传感器阵列固定轴的结构，并充分考虑设计传感器阵列时需要固定部分有足够的走线空间以及避免相邻传感器之间发生干涉，本发明中设计了“一”字型和“L”型（如图1、图2中标号4和7）2类夹具将传感器固定于传感器阵列固定轴，并设计“C”型和“Z”型（图1、图2中标号3和5）夹具将传感器分别固定在“一”字型和“L”型上。

（6）为了避免实验动物误入测力装置内部，导致测力系统损坏，并防止传感器落入灰尘，设计了仿圆柱面测力装置壳体（图7标号20）。壳体前半部分为中间镂空的仿圆柱面八边形结构，镂空部分用来安装传感器阵列；后半部分设计成四边形结构。

测力阵列的系统组成、相关部件及其连接关系：

图7表示测力阵列的系统组成及其连接关系。组成测力阵列的零部件有：3维力传感器及传感器夹具（1、2、3、4、5、7），传感器阵列固定轴（14、11、15），测力装置安装底板21，测力装置支架22，传感器组阵19，通过信号线将力学信号传送到信号调理和放大器18，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，动物抱壁攀爬运动过程的步态用两台高速摄像机16采集，经信号线连接并存储到计算机。

该系统由倒T型三维力传感器（图1标号2）、根据树蛙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），另外，根据承力大小和结构的稳定性确定承力片的厚度为1.8mm（图1中d1）。通过树蛙身体参数的测量，并考虑到成本等因素，组成4列每列6个传感器组成的仿圆柱面八边形测力阵列。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，因此，组成阵列的相邻传感器的承力片之间的间距为2mm，能保证在满量程力作用下相邻承力片不会发生碰撞。根据阵列长度（L）以及阵列上下预留长度确定传感器阵列固定轴总长尺寸L1确定600mm。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。

Claims (2)

1.一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（18）、计算机（17）、高速摄像机（16）；

其中第一种传感器组件包括承力片（1）、倒T型三维力传感器（2）、“C”型夹具（3）、“Z”字型夹具（5）、“一”字型夹具（4）；其中倒T型三维力传感器（2）包括承力端、第一固定端、第二固定端，承力片（1）安装于倒T型三维力传感器（2）的承力端，“一”字型夹具（4）包括第一固定端和第二固定端，“一”字型夹具（4）位于倒T型三维力传感器（2）的第一固定端和第二固定端所在的支臂下方，“一”字型夹具（4）的第一固定端与倒T型三维力传感器（2）的第一固定端通过“C”型夹具（3）固定，倒T型三维力传感器（2）的第二固定端通过“Z”字型夹具（5）固定于“一”字型夹具（4）的中部；

其中第二种传感器组件包括承力片（1）、倒T型三维力传感器（2）、“C”型夹具（3）、“Z”字型夹具（5）、“L”型夹具（7）；其中倒T型三维力传感器（2）包括承力端、第一固定端、第二固定端，承力片（1）安装于倒T型三维力传感器（2）的承力端，“L”字型夹具（7）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（7）位于倒T型三维力传感器（2）的第一固定端和第二固定端所在的支臂下方，“L”字型夹具（7）的第一固定端与倒T型三维力传感器（2）的第一固定端通过“C”型夹具（3）固定，倒T型三维力传感器（2）的第二固定端通过“Z”字型夹具（5）固定于“L”字型夹具（7）的第一夹具臂的中部；

上述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各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（4）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各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（7）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（1）、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（1）构成了四列仿圆柱面的多边形测力阵列。

2.根据权利要求书1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（7）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。