用于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下圖像與接觸力的同步采集系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下圖像與接觸力的同步采集系統(tǒng)，包括傳感器陣列、高速攝像機(jī)、數(shù)據(jù)信號采集模塊、信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)服務(wù)器及固定支架，其中圖像傳感器包括位于具有透明面的固定臺(tái)內(nèi)的傳像光纖束和光電傳感器；所述傳像光纖束的一端連接在固定臺(tái)透明面上，傳像光纖束的另一端連接光電傳感器，利用傳像光纖束形成通道采集動(dòng)物與固定臺(tái)透明面的接觸面圖像；所述力學(xué)傳感器通過連桿與固定臺(tái)固定連接，同步采集動(dòng)物與受力面的接觸受力。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對動(dòng)物運(yùn)動(dòng)中接觸面圖像、運(yùn)動(dòng)受力及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的全方位采集，有助于分析動(dòng)物運(yùn)動(dòng)中的腳掌和接觸面間的相互作用力，提高自動(dòng)化和全面性，充分掌握動(dòng)物運(yùn)動(dòng)過程。
【專利說明】用于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下圖像與接觸力的同步采集系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種圖像與接觸力數(shù)據(jù)的同步采集系統(tǒng)，尤其涉及一種用于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下圖像與接觸力的同步采集系統(tǒng)，屬于測試傳感器領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]運(yùn)動(dòng)是動(dòng)物的基本特征，是捕食、逃逸、生殖、遷移等行為的基礎(chǔ)。壁虎、蜘蛛等具有三維空間無障礙運(yùn)動(dòng)的代表，通過足掌和接觸面間的相互作用力，能夠?qū)崿F(xiàn)各種表面位置的驅(qū)動(dòng)、穩(wěn)定、機(jī)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)行為；對可粘附動(dòng)物運(yùn)動(dòng)過程中其粘脫附行為以及與運(yùn)動(dòng)表面間相互作用力的研究，可幫助揭示動(dòng)物粘脫附最基本的物理學(xué)機(jī)制，同時(shí)為仿生爬壁機(jī)器人的步足系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和借鑒。
[0003]目前關(guān)于粘脫附機(jī)制的研究主要集中于人為操作下的非自主的單元性實(shí)驗(yàn)，如在人工操作下對可粘附動(dòng)物(大壁虎)的粘附單元(單個(gè)腳趾或者單根剛毛)的摩擦粘附實(shí)驗(yàn)，以測試其粘附極限等。人為操作下的非自主的單元性實(shí)驗(yàn)使得整個(gè)可粘附動(dòng)物粘附系統(tǒng)的研究受到很大的局限，無法觀測其在粘附過程中粘附單元的自由粘脫附狀態(tài)，以及各個(gè)粘附單元(如腳趾與腳趾間)間的相互協(xié)調(diào)作用時(shí)，各個(gè)粘附單元間的內(nèi)在協(xié)調(diào)及優(yōu)化機(jī)制。
[0004]為了能夠觀測粘附動(dòng)物在自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)反力以及粘附單元腹面形態(tài)變化，測試系統(tǒng)就需要實(shí)現(xiàn)各個(gè)數(shù)據(jù)的同步記錄。專利(CN101380235A)介紹的爬行動(dòng)物足-面接觸力的測試系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)粘附動(dòng)物運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、粘附單元背面以及運(yùn)動(dòng)受力之間的相互關(guān)系；但是很難滿足實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀測粘附單元在整個(gè)自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的接觸狀態(tài)及展現(xiàn)各粘附單元間的協(xié)調(diào)粘附狀態(tài)，不能夠同步提供粘附單元腹面形態(tài)變化，以計(jì)算接觸面積，評價(jià)粘附系統(tǒng)的冗余度、粘附極限等。而在專利(CN201110152933)中給出的通過數(shù)碼碼相機(jī)、控制數(shù)碼相機(jī)移動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)與連接裝置構(gòu)成系統(tǒng)，來解決對實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)、神態(tài)、體色等多項(xiàng)指標(biāo)的采集分析等，根據(jù)專利(CN101380235A)中所闡述的測力系統(tǒng)，具有滑軌控制的相機(jī)成像由于受到力學(xué)傳感器的遮擋很難采集到全部圖像，同時(shí)由于動(dòng)物的快速運(yùn)動(dòng)與相機(jī)的運(yùn)動(dòng)會(huì)增加后期的圖像還原處理，成像效果不理想。在專利(CN201010249155)給出的動(dòng)物腹部吸盤輪廓采集技術(shù)，顯然有利于計(jì)算出動(dòng)物與表面接觸時(shí)的面積，但是此方式是無法獲得動(dòng)物在運(yùn)動(dòng)全局范圍內(nèi)與表面接觸過程的情形，因此存在局限。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種用于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下圖像與接觸力的同步采集系統(tǒng)，有效的同步獲得動(dòng)物在多表面的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)受力以及腳掌與接觸表面完整粘附脫附過程的數(shù)據(jù)，以幫助揭示動(dòng)物粘脫附最基本的物理學(xué)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對仿生粘附結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等提供生物依據(jù)。
[0006]本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題:
用于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下圖像與接觸力的同步采集系統(tǒng)，包括傳感器陣列、高速攝像機(jī)、數(shù)據(jù)信號采集模塊、信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)服務(wù)器及用于固定傳感器陣列的固定支架，利用信號發(fā)生器發(fā)出脈沖信號控制傳感器陣列和高速攝像機(jī)同步采集動(dòng)物的接觸面信息和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，將采集的信號通過數(shù)據(jù)信號采集模塊進(jìn)行調(diào)理后傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器處理；所述傳感器陣列至少包括一組圖像傳感器和力學(xué)傳感器，其中所述圖像傳感器包括位于具有透明面的固定臺(tái)內(nèi)的傳像光纖束和光電傳感器；所述傳像光纖束的一端連接在固定臺(tái)透明面上，傳像光纖束的另一端連接光電傳感器，利用傳像光纖束形成通道采集動(dòng)物與固定臺(tái)透明面的接觸面圖像；所述力學(xué)傳感器通過連桿與固定臺(tái)固定連接，同步采集動(dòng)物與受力面的接觸受力。
[0007]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述固定臺(tái)的透明面由玻璃制成。
[0008]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述高速攝像機(jī)的視軸中心線與傳感器陣列所在的平面垂直。
[0009]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述傳感器陣列通過固定支架實(shí)現(xiàn)任意調(diào)節(jié)角度。
[0010]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，能產(chǎn)生如下技術(shù)效果:
本發(fā)明的用于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下圖像與接觸力的同步采集系統(tǒng)，將圖像傳感器置于力學(xué)傳感器的一端，將圖像傳感器所在的固定臺(tái)作為力學(xué)傳感器與運(yùn)動(dòng)物體的接觸表面，當(dāng)動(dòng)物在圖像傳感器表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，圖像傳感器通過傳像光纖束形成通道采集動(dòng)物與固定臺(tái)透明面的接觸面圖像，同時(shí)力學(xué)傳感器同步采集動(dòng)物與受力面的接觸受力，且高速攝像機(jī)同步采集動(dòng)物運(yùn)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，因此，整體實(shí)現(xiàn)對動(dòng)物運(yùn)動(dòng)中的腳掌接觸狀態(tài)圖像、腳掌的運(yùn)動(dòng)受力及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的全方位采集，并利用采集的各數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和顯示。通過增加動(dòng)物與接觸面的圖像數(shù)據(jù)，充分掌握動(dòng)物運(yùn)動(dòng)過程，有助于分析動(dòng)物運(yùn)動(dòng)中的腳掌和接觸面間的相互作用力，便于對可粘附動(dòng)物運(yùn)動(dòng)過程中其粘脫附行為以及與運(yùn)動(dòng)表面間相互作用力的研究，提高自動(dòng)化和全面性，使得系統(tǒng)的使用效率提高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明的用于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下圖像與接觸力的同步采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]其中標(biāo)號解釋:1_數(shù)據(jù)服務(wù)器，2-信號發(fā)生器，3-高速攝像機(jī)4-傳感器陣列，5-數(shù)據(jù)信號調(diào)理模塊，6-固定支架。
[0013]圖2為本發(fā)明中傳感器陣列所在平面示意圖。
[0014]圖3為本發(fā)明中圖像傳感器和力學(xué)傳感器位置關(guān)系示意圖。
[0015]圖4為本發(fā)明中圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]其中標(biāo)號解釋:a_圖像傳感器，b_力學(xué)傳感器，c -固定臺(tái)，d -傳像光纖束，e_光電傳感器，f-數(shù)據(jù)線。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行描述。
[0018]如圖1和圖3、圖4所示，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種用于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下圖像與接觸力的同步采集系統(tǒng)，包括傳感器陣列4、高速攝像機(jī)3、數(shù)據(jù)信號采集模塊5、信號發(fā)生器2、數(shù)據(jù)服務(wù)器I及用于固定傳感器陣列的固定支架6，利用信號發(fā)生器2發(fā)出脈沖信號控制傳感器陣列4和高速攝像機(jī)3同步采集動(dòng)物的接觸面信息和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，將采集的信號通過數(shù)據(jù)信號采集模塊5進(jìn)行調(diào)理后傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器I處理；所述傳感器陣列4至少包括一組圖像傳感器a和力學(xué)傳感器b，其中所述圖像傳感器a包括位于具有透明面的固定臺(tái)c內(nèi)的傳像光纖束d和光電傳感器e ;所述傳像光纖束d的一端連接在固定臺(tái)c透明面上,傳像光纖束d的另一端連接光電傳感器e，利用傳像光纖束d形成通道采集動(dòng)物與固定臺(tái)c透明面的接觸面圖像；所述力學(xué)傳感器b通過連桿與固定臺(tái)c固定連接，同步采集動(dòng)物與受力面的接觸受力。
[0019]其中，固定臺(tái)c透明面可以采用現(xiàn)有技術(shù)中公知的透明材料構(gòu)成，如由透明玻璃或者透明塑料制成，形 成一個(gè)薄片結(jié)構(gòu)來替代受力面片同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)圖像的采集。對于高速攝像機(jī)3，其視軸中心線與傳感器陣列4所在的平面垂直，高速攝像機(jī)3可以通過固定支架6與傳感器陣列4所在的定位結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體,也可以單獨(dú)固定，實(shí)現(xiàn)高速攝像機(jī)3視軸中心線與傳感器陣列4所在的平面垂直進(jìn)行動(dòng)物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的采集即可。
[0020]對于傳感器陣列4可以包括多組力學(xué)傳感器b和圖像傳感器a，如圖2所示，傳感器陣列所在平面示意圖，圖中給出傳感器陣列4的所在平面是由多個(gè)圖像傳感器a內(nèi)的固定臺(tái)c組成的。傳感器陣列4的底部與固定支架6連接的地方則為力學(xué)傳感器b所在的區(qū)域。光電傳感器e、力學(xué)傳感器b通過數(shù)據(jù)線f連接數(shù)據(jù)信號采集模塊5，將感應(yīng)到相應(yīng)的信號通過數(shù)據(jù)線f傳輸?shù)綌?shù)據(jù)信號采集模塊5。
[0021]對于固定在固定支架6上的傳感器陣列4能夠通過固定支架6整體實(shí)現(xiàn)不同角度的調(diào)節(jié)，但是若傳感器陣列4的表面相對于固定支架6發(fā)生變化，則高速攝像機(jī)3需要與之配合轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度，保證其視軸中心線與傳感器陣列4所在的平面垂直即可，從而實(shí)現(xiàn)傳感器陣列4以及高速攝像機(jī)3采集不同角度下的動(dòng)物運(yùn)動(dòng)表征。
[0022]系統(tǒng)整體利用多個(gè)圖像傳感器a、力學(xué)傳感器b組成傳感器陣列4后，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)在傳感器陣列4表面的動(dòng)物運(yùn)動(dòng)中的腳掌接觸狀態(tài)圖像、腳掌的運(yùn)動(dòng)受力及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的全方位采集，采集后的運(yùn)動(dòng)信息通過數(shù)據(jù)信號采集模塊5進(jìn)行調(diào)理，然后再傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器I進(jìn)行分析處理和顯示，根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)，充分掌握動(dòng)物運(yùn)動(dòng)過程，分析動(dòng)物運(yùn)動(dòng)中的腳掌和接觸面間的相互作用力，實(shí)現(xiàn)對可粘附動(dòng)物運(yùn)動(dòng)過程中其粘脫附行為以及與運(yùn)動(dòng)表面間相互作用力的研究。
[0023]為了驗(yàn)證本發(fā)明能夠同步采集到動(dòng)物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，例舉一實(shí)施例進(jìn)行驗(yàn)證。
[0024]實(shí)施例按照圖1至4結(jié)構(gòu)組建系統(tǒng),傳像光纖束d和光電傳感器e均固定于固定臺(tái)c中，其中選擇質(zhì)量輕、剛度強(qiáng)以及傳像率高的傳像光纖束d，將傳像光纖束d按照圖4所示的形狀構(gòu)造上大下小的固定臺(tái)c內(nèi)部結(jié)構(gòu)，上端緊貼固定結(jié)構(gòu)c的內(nèi)表面，下端直接與光電傳感器e接觸，光電傳感器e接收上端傳遞的圖像，實(shí)現(xiàn)圖像采集。
[0025]固定臺(tái)c的結(jié)構(gòu)成立方體狀，剛度強(qiáng)，其表面的透明面采用玻璃面，玻璃表面的下表面與傳像光纖束d的上端接觸，便于成像；固定臺(tái)c作為整體通過一個(gè)連桿固定在力學(xué)傳感器b的一端，實(shí)現(xiàn)圖像傳感器a與力學(xué)傳感器b的結(jié)構(gòu)定位，形成傳感器陣列4，滿足力學(xué)數(shù)據(jù)與圖像同步采集需求。
[0026]將高速攝像機(jī)3的視軸中心線與傳感器陣列4所在的平面垂直。當(dāng)動(dòng)物開始在傳感器陣列4表面運(yùn)動(dòng)時(shí),信號發(fā)生器2發(fā)出脈沖信號控制光電傳感器e、力學(xué)傳感器b同時(shí)同步進(jìn)行采集。腳掌運(yùn)動(dòng)接觸傳像光纖束d的上的玻璃面時(shí)，相對應(yīng)的力學(xué)傳感器b接收受力變化，將力學(xué)數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)信號采集模塊5 ;與此同時(shí)，光電傳感器e則采集來自傳像光纖束d的圖像，并將圖像數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線f傳遞給數(shù)據(jù)信號采集模塊5 ;從而實(shí)現(xiàn)同一腳掌在觸及力學(xué)傳感器時(shí)實(shí)現(xiàn)的力數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)的同步采集。數(shù)據(jù)信號采集模塊5再將力和圖像數(shù)據(jù)、高速圖像內(nèi)存數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器1，實(shí)現(xiàn)各數(shù)據(jù)信息的同步顯示，數(shù)據(jù)服務(wù)器I再結(jié)合三個(gè)數(shù)據(jù)，綜合分析動(dòng)物運(yùn)動(dòng)中的腳掌和接觸面間的相互作用力，可以得到動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的全方位數(shù)據(jù)及其關(guān)系，再顯示出其結(jié)果。
[0027]根據(jù)上述實(shí)施例 能夠驗(yàn)證本發(fā)明對可粘附動(dòng)物爬行姿態(tài)、粘附單元腹面或腳掌形態(tài)以及附力的同步采集，能夠便于分析，掌握動(dòng)物運(yùn)動(dòng)過程，有助于對可粘附動(dòng)物運(yùn)動(dòng)過程中其粘脫附行為以及與運(yùn)動(dòng)表面間相互作用力的研究，提高自動(dòng)化和全面性。
[0028]上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。
【權(quán)利要求】
1.用于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下圖像與接觸力的同步采集系統(tǒng)，包括傳感器陣列、高速攝像機(jī)、數(shù)據(jù)信號采集模塊、信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)服務(wù)器及用于固定傳感器陣列的固定支架，利用信號發(fā)生器發(fā)出脈沖信號控制傳感器陣列和高速攝像機(jī)同步采集動(dòng)物的接觸面信息和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，將采集的信號通過數(shù)據(jù)信號采集模塊進(jìn)行調(diào)理后傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器處理；其特征在于:所述傳感器陣列至少包括一組圖像傳感器和力學(xué)傳感器，其中所述圖像傳感器包括位于具有透明面的固定臺(tái)內(nèi)的傳像光纖束和光電傳感器；所述傳像光纖束的一端連接在固定臺(tái)透明面上，傳像光纖束的另一端連接光電傳感器，利用傳像光纖束形成通道采集動(dòng)物與固定臺(tái)透明面的接觸面圖像；所述力學(xué)傳感器通過連桿與固定臺(tái)固定連接，同步采集動(dòng)物與受力面的接觸受力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下圖像與接觸力的同步采集系統(tǒng)，其特征在于:所述固定臺(tái)的透明面由玻璃制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下圖像與接觸力的同步采集系統(tǒng)，其特征在于:所述高速攝像機(jī)的視軸中心線與傳感器陣列所在的平面垂直。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下圖像與接觸力的同步采集系統(tǒng)，其特征在于:所述傳感器陣列通過固定支架實(shí)現(xiàn) 任意調(diào)節(jié)角度。
【文檔編號】A61B5/11GK103654803SQ201310624145
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】王周義, 邢強(qiáng), 戴振東, 吉愛紅, 王浩 申請人:南京航空航天大學(xué)