[发明专利]昆虫弹跳行为和力学观测方法

说明书

本发明涉及一种昆虫弹跳行为和力学观测方法，属于机器人技术应用领域。本发明包括2套机械结构，每套机械结构均包括支撑台、水平调节杆、角度调节装置、弱力应变梁、平台。该系统行为观测部件包括X向、Y向和Z向摄像机，分别从三个方向拍摄被测昆虫的弹跳运动过程，并将数据传输到上位机。该系统力学观测部分包括贴于弱力应变梁的弱力应变片、对准平台用于测量其微小位移量的激光测距仪；上位机可计算获得被测昆虫起跳和着陆冲击力和加速度。本发明结构简单、运动原理清晰、运动实现方便。

技术领域

本发明属于机器人技术应用领域，具体涉及一种昆虫弹跳行为和力学观测系统和测试方法，主要用于分析昆虫的弹跳行为方式和弹跳力学，探究昆虫的弹跳运动机理。

背景技术

适应各种陆地自然复杂环境的机器人是当今机器人研究领域最为前沿的课题之一，它集机械、电子、计算机、材料、传感器、控制技术及人工智能等多门学科于一体，反映了一个国家的智能化和自动化研究水平，同时也作为一个国家高科技实力的重要标志，各发达国家在该领域相继投入巨资开展研究。

陆上移动机器人移动方式大致可以分为四类：轮式、履带式、腿式和弹跳式。面对非结构环境，跳跃是其中最有效的移动手段。弹跳同样是生物最敏捷的动作。面对复杂的开放环境时，地形适应性最强、反应最为敏捷的弹跳运动是机器人运动方式的最佳选择。自然界中昆虫的弹跳能力惊人，按照相同比例计算，昆虫跳跃的高度将是自身身高的十几甚至几十倍以上，探究昆虫的弹跳机理，急需要研制相关运动行为和力学观测系统，由于昆虫自重很小，约为几十毫克，而弹跳瞬间爆发力相对较大且速度快，一般的测试系统很难精确同时获取微小的作用力、力矩和加速度值。

目前用于测量昆虫运动力学的装置多为悬臂梁装置，如专利“一种三平面上昆虫行走与爬附特征测量装置” （专利号：201210030554.7），通过三维爬附力测量机构、侧视摄像机，来直接观测昆虫在不同角度平面的爬附运动；专利“一种悬臂梁式昆虫或小型动物爬附力的测量装置与方法”（专利号：201210030831.4），通过竖直向和侧向的应变片，和CCD成像系统，可以测量多种昆虫的较大的抓附能力。专利“一种昆虫微力测量装置”（专利号：201310215472.4）采用新的机械机构，除测量附着力之外，还增加测量摩擦力和剪切力。

目前为止，所述的大多数测量装置或系统主要针对昆虫的爬附运动，对昆虫的跳跃运动无法有效地测量；综上所述，一种昆虫弹跳行为和力学观测系统和测试方法尚未报道过，也并未开展过研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种昆虫弹跳行为和力学观测方法。

所述的一种昆虫弹跳行为和力学观测系统，其特征在于：包括水平基座、左边机械机械结构、右边机械结构、行为观测部件、力学观测部件、上位机；所述左边机械结构从左向右包括依次相连的Ⅰ号支撑台、I号水平调节杆、Ⅰ号角度调节装置、Ⅰ号弱力应变梁、Ⅰ号平台；其中Ⅰ号支撑台通过Ⅰ号台面高度调节杆安装于水平基座左侧；所述右边机械结构从右向左包括依次相连的Ⅱ号支撑台、Ⅱ号水平调节杆、Ⅱ号角度调节装置、Ⅱ号弱力应变梁、Ⅱ号平台；其中Ⅱ号支撑台通过Ⅱ号台面高度调节杆安装于水平基座右侧； 所述Ⅱ号平台和Ⅰ号平台之间具有跳跃间隙。

所述行为观测部件包括对准上述跳跃间隙的X向高速摄像机、Y向高速摄像机和Z向高速摄像机；上述X向高速摄像机、Y向高速摄像机和Z向高速摄像机的信号输出口与上位机相连；所述力学观测部件包括贴于Ⅰ号弱力应变梁的Ⅰ号弱力应变片，贴于Ⅱ号弱力应变梁的Ⅱ号弱力应变片；还包括对准Ⅰ号平台用于测量其微小位移量的Ⅰ号激光测距仪，对准Ⅱ号平台用于测量其微小位移量的Ⅱ号激光测距仪；所述Ⅰ号激光测距仪和Ⅱ号激光测距仪的信号输出口通过采集卡与上位机相连。