爬壁動物仿圓柱面攀爬力學與行為測試系統的制作方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及爬壁動物(指腳掌能夠產生粘附力從而可以在空間曲面攀爬的動物)圓柱面攀爬力學量、形態學量的測試和仿生智能機器人領域。特別涉及樹蛙(濕粘附動物)、壁虎(干粘附動物)等爬壁動物在空間曲面上運動時，腳掌與曲面的接觸力以及同步圖像采集測試系統。
【背景技術】
[0002]動物的運動行為與力學的研究對于仿生智能機器人的研究具有非常重要的意義。動物的運動行為是在內力作用下(肌肉力)動物與環境間相互作用的結果。攀爬運動對于樹上棲息類動物來說是非常重要的，而且它們的不同攀爬行為的形態學，包括可能的仿生應用，已經獲得了許多國內外研究者的關注。一些研究已經檢驗了動物在水平和斜面窄板上的攀爬能力，并設計了平面爬行研究裝置(發明專利“動物足-面接觸反力的測試方法及系統” ZL200810156169.0和“三維微小載荷測力陣列系統” ZL200310106299.0)，但大多數研究都是平面運動并運用兩自由度進行觀察。而動物的生存環境遠遠不是平面這么簡單，對于樹上棲息的動物通過足掌和曲面間的相互作用力，實現攀爬、穩定、機動等運動行為，對足掌和曲面間作用力的測試是認識動物攀爬運動規律的重要途徑，所獲得的信息對機器人，特別是抱壁攀爬類機器人的設計具有重要指導意義。
[0003]盡管目前國內外已有研究人員對樹上棲息類動物進行形態學及攀爬能力的測量，但是由于技術上的原因無法采集到動物圓柱面黏附和抱柱攀爬時的可視化力學數據，因此，很難將抓附行為與抓附力對應起來進行分析。
[0004]
【發明內容】
[0005]本發明提出一種爬壁動物仿圓柱面攀爬力學與行為測試系統，設計能夠模擬空間圓柱面狀態，可以有效的測量動物圓柱面攀爬運動時每只腳掌與附著表面間的3維接觸反力，以及分析各足間接觸反力的協調關系，同時獲得抓附行為，并將力學量的測試與運動行為和步態結合起來的測試分析系統。該系統對能夠抱壁攀爬類動物的力學研究以及機器人領域，特別是抱壁攀爬類機器人的設計具有重要指導意義。
[0006]為了達成上述目的，本發明的解決方案是:
一種爬壁動物仿圓柱面攀爬力學與行為測試系統，用于在圓柱面上自由攀爬動物接觸反力及各足間接觸反力的協調關系和抓附行為的測試，其特征在于:
包括傳感器測力裝置支架、傳感器陣列固定軸、第一種傳感器組件、第二種傳感器組件、數據采集模塊、計算機、高速攝像機；
其中第一種傳感器組件包括承力片、倒T型三維力傳感器(發明專利號:ZL200610041133.9)、“C”型夾具、“Z”字型夾具、“一”字型夾具；其中倒T型三維力傳感器包括承力端、第一固定端、第二固定端，承力片安裝于倒T型三維力傳感器的承力端，“一”字型夾具包括第一固定端和第二固定端，“一”字型夾具位于倒T型三維力傳感器的第一固定端和第二固定端所在的支臂下方，“一”字型夾具的第一固定端與倒T型三維力傳感器的第一固定端通過“C”型夾具固定，倒T型三維力傳感器的第二固定端通過“Z”字型夾具固定于“一”字型夾具的中部；
其中第二種傳感器組件包括承力片、倒T型三維力傳感器、“C”型夾具、“Z”字型夾具、“L”型夾具；其中倒T型三維力傳感器包括承力端、第一固定端、第二固定端，承力片安裝于倒T型三維力傳感器的承力端，“L”字型夾具包括第一夾具臂和第二夾具臂，其中第一夾具臂末端為第一安裝端，第二夾具臂末端為第二安裝端，“L”字型夾具位于倒T型三維力傳感器的第一固定端和第二固定端所在的支臂下方，“L”字型夾具的第一固定端與倒T型三維力傳感器的第一固定端通過“C”型夾具固定，倒T型三維力傳感器的第二固定端通過“Z”字型夾具固定于“L”字型夾具的第一夾具臂的中部；
上述傳感器組件組陣排列于固定軸，傳感器陣列固定軸安裝于傳感器測力裝置支架上，傳感器陣列固定軸的中段為多面體結構，設多面體結構的一條棱柱邊為基礎邊，過基礎邊和中心軸線的面為基礎面；
按逆時針方向沿基礎邊依次相鄰的兩個面為第一外表面和第二外表面，按順時針方向沿基礎邊依次相鄰的兩個面為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間至少還有一個外表面；上述第一外表面與第三外表面，第二外表面與第四外表面均相對于基礎面對稱；
上述傳感器陣列固定軸的第一外表面和第三外表面分別安裝一列第一種傳感器組件，其中第一種傳感器組件通過其“一”字型夾具的第二固定端固定于第一外表面或第三外表面的安裝槽內；
上述傳感器陣列固定軸的第二外表面和第四外表面分別安裝一列第二種傳感器組件，其中第二種傳感器組件通過其“L”型夾具的第二固定端固定于第二外表面或第四外表面的安裝槽內；
上述第一外表面和第三外表面固定的第一種傳感器組件的承力片、第二外表面和第四外表面固定的第二種傳感器組件的承力片構成了四列仿圓柱面的多邊形測力陣列。
[0007]所述的爬壁動物圓柱面攀爬行為與力學測試系統，其特征在于:上述“L”型夾具的第一夾具臂有用于減輕重量提高系統固有頻率的腰形孔。
[0008]基于以上分析，本發明提出一種爬壁動物仿圓柱面攀爬力學與行為測試系統，可以有效的測量動物圓柱面攀爬運動時每只腳掌與附著表面間的3維接觸反力，以及分析各足間接觸反力的協調關系，同時獲得抓附行為等信息。
[0009]運用該系統，我們可以通過仿圓柱面測力裝置測量樹蛙、壁虎等動物圓柱面攀爬運動時每只腳掌與附著表面間的3維接觸反力，并通過傳感器信號線連接信號調理和接收模塊，同時觸發兩個高速攝像采集系統對動物攀爬運動進行圖像信號采集，用來分析各足間接觸反力的協調關系，同時獲得抓附行為，并將力學量的測試與運動行為和步態結合起來進行測試分析。
[0010]【附圖說明】:
圖1.“一”字型夾具組件；
圖2.“L”型夾具組件； 圖3.傳感器陣列固定軸-1I結構示意圖；
圖4.三段式傳感器陣列固定軸裝配示意圖；
圖5.仿圓柱面傳感器八邊形陣列的布陣形式；
圖6.傳感器組件在固定軸上的安裝方式和陣列裝配示意圖；
圖7.動物仿圓柱面攀爬運動反力測試系統的組成；
圖中標號名稱:1.承力片，2.傳感器彈性體，3.“C”型夾具，4.“一”字型夾具，5.“Z”型夾具，6.將傳感器組件固定于傳感器陣列軸上的通孔，7.“L”型夾具，10.將傳感器組件固定于傳感器陣列軸上的通孔，9.和8用于減輕重量和提高固有頻率的腰型孔，11.軸-1I，12.安裝傳感器組件的長槽，13.減輕重量的矩形槽，14.軸-1，ll.軸-1I，15.軸-1II，16.高速攝像機，17.計算機，18.信號調理和放大器，19.仿圓柱面傳感器八邊形陣列測力裝置，20.外殼，21.底板，22.測力裝置支架。
[0011]【具體實施方式】:
為了進一步說明本發明的技術要點，下面將結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細的說明。
[0012]圓柱面測力系統的設計方法:
(1)首先選取合適量程的傳感器，測定動物在傳感器表面自由運動狀態下的運動反力。這里測試實驗要進行多次(一般大于16次)，檢查有沒有測到特征載荷，例如粘附動物在需要產生粘附力時，腳要有一個先施加法向力的過程，該力稱為預載荷(Preload forces)。用于確定擬用于這種動物運動反力實驗的傳感器的分辨率。本發明中選取實驗室自行研制的倒T型三維力學傳感器進行圓柱面測力裝置的設計。(2)傳感器的標定，采用靜重法進行標定。(3)傳感器承力片尺寸的確定(圖1，結構尺寸aXb，厚度dl)，本發明中傳感器承力片要適度大于所測定動物腳掌的大小，目的盡量讓單個腳掌踩在一個傳感器承力片上，以獲得直接的測力結果。(4)根據傳感器和承力片的尺寸確定圓柱面測力裝置的直徑，由于本發明中承力片設計為30X30的正方形(非圓弧)結構，因此，考慮用多面體結構代替圓柱面結構，然后根據傳感器的尺寸確定多邊形的邊數，并確定仿圓柱面多邊形測力裝置的直徑。
(5)觀測動物在仿圓柱面多邊形柱體上的攀爬運動行為，設計對應的測力陣列的布置形式。
(6)根據測力陣列的布置形式設計傳感器陣列固定軸及夾具。(7)設計、加工和調試測力陣列，運用數據采集軟件，實現力采集和圖像采集的同步。(8)