CN108572114B - 一种拟生蛛网抗毁研究方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种拟生蛛网抗毁研究方法及装置，具体包括圆形螺旋蛛网实验支架、蛛网绕线辅助装置、蛛网振动信息检测与处理装置。所述蛛网绕线辅助装置包括放射丝固定器和底座。所述蛛网振动信息检测与处理装置包括张力传感器和位移传感器。通过蛛网绕线辅助装置绕制出模拟圆形螺旋蛛网，再将模拟蛛网固定于安装有所述传感器的实验支架上。研究方法包括对完整和破损的蛛网张紧并激发相同的振动，同时采集相应的振动数据，在通过对比分析来研究圆形螺旋蛛网的抗毁特性。

Description

一种拟生蛛网抗毁研究方法及装置

技术领域

本发明涉及一种拟生蛛网抗毁研究方法及装置，属于仿生模拟实验领域。

背景技术

蛛网可以分为片网、皿网、不规则网和圆网等几种类型，由于圆网在蛛网进化上的地位特殊，且圆形螺旋蛛网结构简单、规则，有出色的抗毁性能和稳定的拓扑构造，因此圆形蛛网有极大的仿生利用与研究价值。

如图1所示，圆形螺旋蛛网的结构包括中枢区5、捕食面6和网眼4，由拖丝1、捕丝2和加强丝3组成。根据功能不同，拖丝1又分为框丝12、锚定丝11和放射丝13三种类型。其中放射丝13从中枢区5向外辐射，维持并支撑整个蜘蛛网结构的稳定。捕丝2呈螺旋状结构，结构形式是从蜘蛛网的中枢区5向外旋转织出。中枢区5位于圆形螺旋蛛网网体的中心位置。

农业无线传感器网络与蜘蛛网的特征之间存在极大的相似性，农业无线传感器网络的建立、工作、决策、维护等过程，与蜘蛛网同样具有惊人的相似性，为蜘蛛网优异的抗毁性应用于农业无线传感器网络提供了先决基础。但自然界的蛛网由于其特殊的产生过程和不可重建性，无法将其应用与科学研究或破坏性试验中，因此急需一种装置来模拟自然界的圆形螺旋蛛网以研究其信息传输特性及其优秀的抗毁性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种拟生蛛网抗毁研究方法，用以解决现有技术中，不存在针对蛛网结构与特性进行抗毁与振动信息传递的分析研究方法；还提供了一种拟生蛛网研究装置，用于解决自然界圆形螺旋蛛网无法复制重建以及无法进行破坏性实验的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

本发明的一种拟生蛛网研究装置，包括如下装置方案：

装置方案一，包括底座、若干用于固定拟生蛛网放射丝的支撑件、用于张紧所述放射丝的张紧件、用于测量所述放射丝张力的张力测量装置，所述支撑件在所述底座上周向分布，所述张紧件设置于所述支撑件上。

装置方案一提供了一种圆形螺旋蛛网实验装置，本装置结构简单，制造成本低。具体通过与圆形螺旋蛛网放射丝相同数目的支撑杆和丝线固定锚点将蛛网模拟替代物放射丝固定并将该模拟替代物张紧撑起，用于进一步操作、处理，本发明的装置具有位移传感器和张力传感器安装位，能够对模拟出的蛛网进行振动传递、振动等情况进行实验和分析。

装置方案二，在装置方案一的基础上，所述底座上各支撑件所围成的范围内设置有用于在所述放射丝张紧条件下测量拟生蛛网振动幅度的位移检测装置。

装置方案三，在装置方案一或二的基础上，所述支撑件上设有用于牵引放射丝的蛛网牵引件；所述蛛网牵引件上设置有绕线轴，所述张力测量装置设置于所述蛛网牵引件上；所述放射丝绕过所述绕线轴、再通过所述张力测量装置后，与所述张紧件相连。

装置方案四，在装置方案三的基础上，所述蛛网牵引件上下可调的装配在所述支撑件上。

装置方案五，在装置方案四的基础上，所述蛛网牵引件通过调整螺栓上下可调的装配在所述支撑件上；所述支撑件上设有T型滑槽，所述调整螺栓具有与所述T型滑槽导向配合的T型头或者T型滑槽中设有与所述调整螺栓螺纹配合的调整滑块。

通过螺栓将所述蛛网固定框固定于可延所述滑槽在一定范围内上下移动的滑块上，能够将模拟蛛网高度进行调整。

装置方案六，在装置方案一或装置方案二或装置方案四或装置方案五的基础上，所述张紧件为沿着张紧放射丝的方向活动装配在所述支撑件上的拉杆，所述拉杆具有用于与所述放射丝连接的连接锚点，所述拉杆上螺旋装配有与所述支撑件挡止配合的张紧螺母。

通过张紧拉杆和张紧螺母，能够在固定好放射丝后通过简单的调节张紧螺母来将整张模拟蛛网张紧。

装置方案七，在装置方案一或装置方案二或装置方案四或装置方案五的基础上，还包括蛛网绕线辅助装置，所述蛛网绕线辅助装置包括绕线底座，所述绕线底座上设置有定位立柱；所述绕线底座上设置有若干定位销列，各定位销列分别用于定位同一条放射丝，各定位销列分别包括以所述定位立柱为中心并沿径向呈放射状向外布置的若干捕丝定位销。

本发明还包括一种圆形螺旋蛛网绕线辅助装置，通过定位销列定位数条放射丝，通过捕丝定位销定位捕丝和放射丝的交点，能够辅助绕线模拟制作仿生的自然界蛛网。采用本装置能够大大加快模拟仿生蛛网的绕制速度，简化制作过程。

装置方案八，在装置方案七的基础上，所述绕线底座上所有的捕丝定位销以所述定位立柱为中心，由内向外沿螺旋形轨迹布置。

装置方案九，在装置方案八的基础上，各定位销列以所述定位立柱为中心沿周向均匀设置。

均匀设置的定位销列，以及整体成螺旋状分布于各定位销列的捕丝定位销能够使绕制成的模拟圆形螺旋蛛网的捕丝及放射丝分布均匀，螺旋形状理想。

装置方案十，在装置方案七的基础上，所述蛛网绕线辅助装置还包括放射丝固定器，所述放射丝固定器中心开设有固定孔，所述固定孔用于套设于所述定位立柱上；所述放射丝固定器上沿周向分布有若干个放射丝固定孔；所述放射丝固定孔的数量与定位销列的数量相同。

放射丝固定器用于套设在所述中枢区定位立柱上，各放射丝在中枢区的一端固定于各放射丝固定孔上，在蛛网绕制好后，便于拆下和移动模拟蛛网，并且方便将模拟蛛网固定于其他装置上对该蛛网拓扑结构进行进一步的特性试验和研究。

本发明的一种拟生蛛网抗毁研究方法，包括如下方法方案：

方法方案一，张紧拟生蛛网的放射丝，在拟生蛛网振动条件下利用张力检测装置测量放射丝张力变化，得到第一类检测结果；破坏拟生蛛网的放射丝和/或捕丝，在同等振动条件下对被破坏后的拟生蛛网的放射丝张力进行测量得到第二类检测结果，将两类检测结果进行比较，得到拟生蛛网的抗毁性能。

方法方案二，在方法方案一的基础上，在所述拟生蛛网的下方或上方设置位移检测装置以检测拟生蛛网的振动幅度。

方法方案三，在方法方案一或方法方案二的基础上，利用从设定高度落下的球体击中所述拟生蛛网以激发拟生蛛网振动。

本发明的方法利用小球掉落碰撞模拟蛛网来激发蛛网振动，保证了每次激发的初始振动相同，通过测量各放射丝的张力变化以及模拟蛛网的形变和位移来研究蛛网的振动规律以及通过破坏前后的对比来对蛛网进行振动信息传输方面的抗毁实验。

附图说明

图1是自然界中的圆形螺旋蛛网；

图2是本发明的圆形螺旋蛛网模拟研究支架；

图3是本发明的蛛网固定框结构图；

图4是本发明的蛛网固定框安装剖面示意图；

图5是本发明的蛛网绕线辅助装置放射丝固定器示意图；

图6是本发明的蛛网绕线辅助装置底座示意图；

图7是本发明的圆形螺旋蛛网绕线示意图；

图8是本发明的圆形螺旋蛛网抗毁研究方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

本发明的一种圆形螺旋蛛网模拟研究装置包括圆形螺旋蛛网实验支架(如图2所示)、蛛网绕线辅助装置(包括如图5所示的放射丝固定器，和如图6所示的蛛网绕线辅助装置底座)、蛛网振动信息检测与处理装置。所述蛛网振动信息检测与处理装置包括张力传感器、位移传感器和计算机，所述计算机检测连接所述张力传感器和位移传感器。

如图2所示的一种圆形螺旋蛛网实验支架，包括翼形螺母1、支撑杆2、蛛网固定框三角支撑架3、蛛网固定框4、圆盘底座5、张紧螺栓6、支撑杆三角支撑架7、固定螺栓8、可移动传感器底座9、位移传感器10。所述支撑杆2通过支撑杆三角支撑架7和固定螺栓8延所述圆盘底座5的圆形表面边缘均匀固定；所述支撑杆2上设置有T型滑槽；所述T型滑槽内嵌设有与所述T型滑槽导向配合的T型滑块，所述T型滑块与对应的固定螺栓8螺纹配合(与所述T型滑块螺纹配合的固定螺栓8在图2中未画出)，所述蛛网固定框4通过蛛网固定框三角支撑架3和对应固定螺栓8固定于所述支撑杆2的T型滑槽内部的所述T型滑块上，对应固定螺栓8紧固后，所述蛛网固定框4将被固定在所述支撑杆2相应位置；所述蛛网固定框4固定方向朝向所述圆盘底座5的中心；所述圆盘底座5的中心设有可移动传感器底座9。

如图3所示的本发明的蛛网固定框结构图，包括张力传感器固定孔14、绕线滚子15、张力传感器绕线轴16。所述蛛网固定框4为长方体半框架结构，其两个端面通透，安装时其中一个端面朝向所述圆盘底座5的中心；作为底面的一个侧面上设置有固定孔(图中未示出)，用于与蛛网固定框三角支撑架3的一个直角面通过固定螺栓8固定，蛛网固定框三角支撑架3的另一个直角面与所述支撑杆2的T型滑槽内部的T型滑块通过螺栓固定；作为顶面的一个侧面通透。所述蛛网固定框4的两个侧面上，设置有张力传感器固定孔14，张力传感器的绕线轴16水平穿设于所述张力传感器固定孔14，并与所述侧面垂直；靠近所述蛛网固定框4朝向圆盘底座5中心的端面处，垂直于所述侧面水平设置有轴，所述轴上套设有绕线滚子15，绕线滚子可绕轴自由转动，所述轴稍高于张力传感器固定孔14的轴心。

如图4所示的蛛网固定框安装剖面示意图，包括蛛网固定框4、支撑杆2、支撑杆T型滑槽29、翼形螺母1、张紧螺栓6、丝线固定锚点61、T型滑块82、固定螺栓8、螺母81、蛛网固定框三角支撑架3、张力传感器绕线轴16、绕线滚子15。所述蛛网固定框三角支撑架3用于与T型滑块82固定的直角面在张紧螺栓6的位置开设有条形孔31，张紧螺栓6穿过条形孔31，松开固定螺栓8，蛛网固定框三角支撑架3、蛛网固定框4连同固定螺栓8可以在条形孔31套设在张紧螺栓6上的范围内上下移动，同时固定螺栓8带动T型滑块82在所述支撑杆2的T型滑槽29内上下移动。

如图5所示的蛛网绕线辅助装置放射丝固定器示意图，所述放射丝固定器12表面呈圆形，包括固定圆孔11、蛛网中枢区放射丝固定孔13。所述固定圆孔11设置于所述放射丝固定器12的中心位置，所述蛛网中枢区放射丝固定孔13延所述放射丝固定器12边缘周向均布。所述蛛网中枢区放射丝固定孔13的数量应与圆形螺旋蛛网实验支架的支撑杆2、蛛网固定框4的数量相同。

如图6所示的蛛网绕线辅助装置底座示意图，蛛网绕线辅助装置底座18表面呈圆形，包括定位立柱17、捕丝定位销19。所述定位立柱17包括上下两部分，下端为圆柱体底座，上端为截面直径略小于圆柱体底座的圆柱体，所述上端圆柱体底座与所述下端圆柱体轴心重合，所述上端圆柱体直径应等于或略小于所述放射丝固定器12的固定圆孔11的直径，所述下端圆柱体底座直径应大于所述放射丝固定器12的固定圆孔11的直径；所述捕丝定位销19结构与所述定位立柱17结构相似，其下端圆柱体底座的高度与所述定位立柱17的下端圆柱体底座高度相同，但其上下端圆柱体直径均小于所述定位立柱17上下端圆柱体的直径。所述定位立柱17设置于所述蛛网绕线辅助装置底座18的中心，用于固定所述放射丝固定器12，具体为将所述放射丝固定器12的固定圆孔11套装在所述定位立柱17的上端圆柱体上；所述捕丝定位销19以所述定位立柱17为中心，沿径线等夹角向外呈辐射状布置，以所述定位立柱17为起点的每条径线上的若干个捕丝定位销19为一列，每列捕丝定位销19用于定位同一条放射丝；且所有的捕丝定位销19以所述定位立柱17为中心，由内向外沿螺旋形轨迹布置。

所述捕丝定位销19的列数应当与所述放射丝固定器12的蛛网中枢区放射丝固定孔13数量相同。所述捕丝定位销19的螺旋形轨迹圈数决定了本发明蛛网绕线辅助装置绕制出的模拟圆形螺旋蛛网的螺旋捕丝圈数。

本发明的圆形螺旋蛛网模拟研究装置的使用方法，包括模拟圆形螺旋蛛网的绕制，本实施例中绕制的模拟圆形螺旋蛛网有12条放射丝，因此本实施例中放射丝固定器12有12个蛛网中枢区放射丝固定孔13、绕线辅助装置底座18上有12列捕丝定位销19，同样的，本实施例中的圆形螺旋蛛网实验支架也包括12个支撑杆2以及蛛网固定框4。绕制步骤为：首先，将十二根尼龙线作为放射丝分别绑定在放射丝固定器12的12个蛛网中枢区放射丝固定孔13上，然后将放射丝固定器12的固定圆孔11套设在蛛网绕线辅助装置底座18的定位立柱17的上，定位立柱17上端和下端的直径差所形成的环形台将放射丝固定器12固定在定位立柱17的上端。然后将十二根放射丝延蛛网绕线辅助装置底座18上的12组捕丝定位销列一一拉开。最后拿另一根尼龙线作为捕丝，从模拟圆形蜘蛛网的中枢区向外依次延各组捕丝定位销19呈螺旋状结构旋转织出，在每个捕丝定位销19的上端和下端形成的环形台处和放射丝绑定。全部绑定好后，采用尼龙线材质的模拟圆形螺旋蛛网制作完成，成品如图7所示，包括放射丝固定器12、绕线辅助装置底座18、固定圆孔11、蛛网中枢区放射丝固定孔13、捕丝定位销19、以及捕丝20、放射丝21。本实施例中，模拟圆形螺旋蛛网的制作采用了尼龙线，作为其他实施例，还可以采用其他材质的线。

作为其他实施例，采用本发明的绕线辅助装置也可以不使用放射丝固定器12，首先将各放射丝在中枢区的一端在定位立柱17的位置打结绑在一起，再将各放射丝延蛛网绕线辅助装置底座18上的12个捕丝定位销列一一拉开，然后按上述与使用放射丝固定器12绕制模拟蛛网的相同步骤完成绕制模拟圆形螺旋蛛网。

圆形螺旋蛛网研究前还需要将绕制成的模拟圆形螺旋蛛网转移并固定在所述圆形螺旋蛛网实验支架上，其步骤为：首先将张力传感器和位移传感器安装到对应安装位并接好线缆，将模拟圆形螺旋蛛网从绕线辅助装置上取下，将每根放射丝21从对应的蛛网固定框4朝向中心的端面穿入，从上方绕过绕线滚子15，再从下方绕过张力传感器绕线轴16，绑定在所述张紧螺栓6的丝线固定锚点61上，如图4所示，包括放射丝21。最后松开对应固定螺栓8，调整各蛛网固定框4的高度使模拟圆形螺旋蛛网保持水平并维持在合适的高度，调整各翼形螺母1，将整张模拟圆形螺旋蛛网张紧。位于模拟圆形螺旋蛛网中枢区下方的位移传感器可检测蛛网受振动时的位移变化，固定在蛛网固定框4上的张力传感器可检测蛛网受振动时各放射丝张力的变化。

所述领域技术人员应当明了，本发明中的圆形螺旋蛛网实验支架的作用是将模拟蛛网张紧、调节蛛网高度，并安装设置对应传感器；蛛网绕线辅助装置的作用是制作模拟蛛网时用来辅助绕线，定位放射丝和捕丝，使放射丝和捕丝的交点均匀分布，以便绕制出理想形态的模拟圆形螺旋蛛网；蛛网振动信息检测处理装置包括位移传感器、张力传感器及计算机，其作用是检测、记录并处理、分析出试验过程中蛛网的振动规律和振动的传输及衰减情况。

本发明的圆形螺旋蛛网抗毁研究方法包括以下步骤：

将位于模拟蛛网下方的位移传感器10和固定在蛛网固定框4上的张力传感器接电，将绕制好的完整的模拟圆形螺旋蛛网固定于圆形螺旋蛛网实验支架上，张紧并调整水平和调整合适高度。然后将试验用小球从蛛网上方设定高度以自由落体方式下落，根据实验目的或需要使小球触碰模拟蛛网的对应区域或点，引起模拟蛛网振动，模拟蛛网与位移传感器之间的距离发生变化，各放射丝在张力传感器绕线轴上的张紧程度发生变化，所述距离和张力变化导致的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压变化，最终完成机械变化到电信号变化的转换，所述电信号上传到计算机，通过计算机分析测得完整的模拟蛛网的位移情况、振动传递情况及振动衰减情况，并记录。然后根据实验目的或需要对模拟蛛网进行破坏，所述破坏可以包括剪断部分捕丝或放射丝；破坏后，将试验用小球以同样高度自由落体，并使之触碰同一区域或点，此时计算机同样获得可以得到破坏后的模拟蛛网的位移情况、振动传递情况及振动衰减情况，并记录；破坏然后测试的过程可以根据需要进行多次。最后通过计算机软件对比分析完整蛛网时测的数据和有规律破坏后的数据，以及不同程度破坏后数据的变化。

作为其他实施例，还可以对完整模拟蛛网和/或不同破坏情况的模拟蛛网引起不同程度的振动，然后记录数据，获得模拟蛛网的位移情况、振动传递情况及振动衰减情况并分析比对。引起不同程度的振动的方法为改变所述小球下落的高度。

经过分析可知，圆形螺旋蛛网结构具有极强的抗毁性，即使某些网眼发生破损时，所述蛛网仍能保持基本形状，且捕丝和放射性所形成的节点间的振动信息有多种路径实现传输，可靠保证连接的有效性。信号分析系统提取出模拟蛛网的振动特征信息后，经数值滤波与整形处理，再通过数据重构技术综合建立蜘蛛网振动新样本，应用有限单元法求解行波波动方程，研究振动包络线的形成与衰减过程，确定影响振动的特征参数。破坏部分网眼结构，分析振动信息传输过程中路径、振幅、频率、速度的变化趋势，对比蜘蛛网中心振幅，评估传输性能与传输效果，总结信息转发、路径选择规则，可以实现构建仿圆形螺旋蛛网的传感器网络路由模型。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本结构和功能在于上述基本方案，对本领域技术人员而言，根据本发明的教导，采用其他模块、装置、结构、安装方式不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种拟生蛛网研究装置，其特征在于，包括底座、若干用于固定拟生蛛网放射丝的支撑件、用于张紧所述放射丝的张紧件、用于测量所述放射丝张力的张力测量装置，所述支撑件上设有用于牵引放射丝的蛛网牵引件，所述蛛网牵引件上设置有绕线轴，所述张力测量装置设置于所述蛛网牵引件上，所述放射丝绕过所述绕线轴、再通过所述张力测量装置后，与所述张紧件相连，所述支撑件在所述底座上周向分布，所述张紧件设置于所述支撑件上。

2.根据权利要求1所述的一种拟生蛛网研究装置，其特征在于，所述底座上各支撑件所围成的范围内设置有用于在所述放射丝张紧条件下测量拟生蛛网振动幅度的位移检测装置。

3.根据权利要求1或2所述的一种拟生蛛网研究装置，其特征在于，所述蛛网牵引件上下可调的装配在所述支撑件上。

4.根据权利要求3所述的一种拟生蛛网研究装置，其特征在于，所述蛛网牵引件通过调整螺栓上下可调的装配在所述支撑件上；所述支撑件上设有T型滑槽，所述调整螺栓具有与所述T型滑槽导向配合的T型头或者T型滑槽中设有与所述调整螺栓螺纹配合的调整滑块。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种拟生蛛网研究装置，其特征在于，所述张紧件为沿着张紧放射丝的方向活动装配在所述支撑件上的拉杆，所述拉杆具有用于与所述放射丝连接的连接锚点，所述拉杆上螺旋装配有与所述支撑件挡止配合的张紧螺母。

6.根据权利要求1、2或4所述的一种拟生蛛网研究装置，其特征在于，还包括蛛网绕线辅助装置，所述蛛网绕线辅助装置包括绕线底座，所述绕线底座上设置有定位立柱；所述绕线底座上设置有若干定位销列，各定位销列分别用于定位同一条放射丝，各定位销列分别包括以所述定位立柱为中心并沿径向呈放射状向外布置的若干捕丝定位销。

7.根据权利要求6所述的一种拟生蛛网研究装置，其特征在于，所述绕线底座上所有的捕丝定位销以所述定位立柱为中心，由内向外沿螺旋形轨迹布置。

8.根据权利要求7所述的一种拟生蛛网研究装置，其特征在于，各定位销列以所述定位立柱为中心沿周向均匀设置。

9.根据权利要求6所述的一种拟生蛛网研究装置，其特征在于，所述蛛网绕线辅助装置还包括放射丝固定器，所述放射丝固定器中心开设有固定孔，所述固定孔用于套设于所述定位立柱上；所述放射丝固定器上沿周向分布有若干个放射丝固定孔；所述放射丝固定孔的数量与定位销列的数量相同。

10.一种拟生蛛网抗毁研究方法，所述方法应用于如权利要求1所述的一种拟生蛛网研究装置，其特征在于，张紧拟生蛛网的放射丝，在拟生蛛网振动条件下利用张力检测装置测量放射丝张力变化，在拟生蛛网的下方或上方设置位移检测装置以检测拟生蛛网的振动幅度，得到第一类检测结果；破坏拟生蛛网的放射丝和/或捕丝，在同等振动条件下对被破坏后的拟生蛛网的放射丝张力进行测量得到第二类检测结果，将两类检测结果进行比较，得到拟生蛛网的抗毁性能。

11.根据权利要求10所述的一种拟生蛛网抗毁研究方法，其特征在于，利用从设定高度落下的球体击中所述拟生蛛网以激发拟生蛛网振动。