[发明专利]离心式昆虫与小型动物爬附力及步态测量装置与测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种离心式昆虫与小型动物爬附力及步态测量装置与测量方法，属于生物爬附力测试和运动行为研究领域。

背景技术

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生物。生物通过摩擦、吸附等作用牢牢的爬附于接触表面，其快速的爬、脱附能力是生物捕食、逃逸、生殖、繁衍等行为的基础。爬行过程中与接触面间的附着机制及步态是仿生学的重要分支。昆虫是地球上的原始物种，在地球上已经存在了三十多亿年，他们已经进化成为最能适应生存环境的生物，对其进行研究也最具有代表性。研究蚂蚁、蜘蛛等昆虫在各种表面(水平面、竖直面、天花板)上运动时脚掌的运动行为以及爬附力，可帮助理解生物运动的规律性。为生物学家和工程师们研究生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。

近几年国内开发了一些生物爬附力的测量装置，也可以用于昆虫的测试。例如专利申请号为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爬附力的测力装置和测试方法，但是该测试装置只能测试生物活体垂直脱附接触表面时的法向爬附力，同时测试方法制样复杂、测试步骤繁琐。对于利用电子传感器进行感应的测试装置，由于电子传感器在测试过程中交易受到外界环境(如电流、温湿度等)的影响，且测试量程交小，容易造成超过测试量程而损坏的现象。如专利申请号为CN200810156169.0的“生物足-面接触反力的测试方法及系统”提出了可以同时测量生物在水平面、垂直面和天花板运动时每只脚掌与附着表面间爬附力力的测试方法和系统，但是该传感器阵列布置太过繁琐，成本高，而且无法测量生物最大接触爬附力。上述专利都与本发明的装置和方法不同，而且仅限于几种昆虫的爬附力测量，测试范围小。

对于利用离心作用测试昆虫爬附力的装置。例如德国的Walter Federle等人在2003年杂志《The Journal of Experimental Biology》第206卷“Biomechanics of ant adhesive pads：frictional forces are rate-and temperature-dependent”一文中首次给出了用离心分离技术来测量蚂蚁的水平和垂直爬附力的测试装置，该装置通过电机驱动转盘旋转来测量蚂蚁在水平面上的爬附力，目测蚂蚁的接触状态，测试误差大、不精确；国内周群等人在同济大学学报2008年第36卷《蚂蚁附着力的测试及ANSYS分析》也给出了一种离心式基于高速图像反馈的爬附力测试平台，但是该装置通过电机带动实验平台转动，同时通过摄像机观察整个实验过程，能够测试蚂蚁在水平面和垂直面上的爬附力；以上两个专利都不能测试昆虫在悬位时的爬附力值，精确度不高，无法用于研究昆虫在实验过程中的步态。

发明内容

由于昆虫与小型动物爬行的爪、足结构不同，握持机制不同，因此在平位、竖位和悬位三种状态下其步态和产生的爬附力值也不同，而目前对于昆虫与小型动物步态的研究还较少，对于昆虫与小型动物在三种状态下爬附力值的研究更是欠缺。本发明的目的就是提供一种离心式昆虫与小型动物爬附力及步态测量装置与方法，实现能够观察昆虫与小型动物在平位、竖位和悬位三种状态下的步态，同时得到其最大爬附力值。

为了达到上述目的，本发明提供了一种离心式昆虫与小型动物爬附力及步态测量装置，其特征在于，包括转动离心机构、滑块升降机构、双滑块缩放机构、遥感CCD摄像机构和实验舱；实验舱内设有遥感CCD摄像机构，实验舱固定连接由滑块升降机构驱动的双滑块缩放机构，双滑块缩放机构可滑动地连接转动离心机构。

优选地，所述的转动离心机构包括由离心步进电机驱动的转动轴，转动轴固定连接平移轨道。

优选地，所述的滑块升降机构包括由升降步进电机驱动的螺杆，螺杆连接螺母，螺母固定连接升降连杆。

优选地，所述的双滑块缩放机构包括升降滑块、平移滑块以及连杆，升降滑块和平移滑块通过铰链分别连接连杆的两端，平移滑块固定连接实验舱。

优选地，所述的遥感CCD摄像器4包括俯视摄像器，内侧视摄像器和外侧视摄像器。

优选地，所述的实验舱包括流线型舱体以及舱门，流线型舱体内设有实验板、隔墙、照明光源和充电插口。实验板可以粘贴在流线型舱体的顶面、底面或侧面上，其材料可以是硅片、玻璃、抛光纸等。