[发明专利]适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置与方法，属于生物活体与表面爬附力测量技术领域。

背景技术

运动是动物的基本特征，是动物捕食、逃逸、生殖、迁徙等行为的基础。动物的运动行为是在内力作用下(肌肉力)动物与环境间相互作用的结果。地面上生活的足类动物通过足掌和地面间的相互作用，实现驱动、稳定、机动等运动行为。尤其是人们常常见到苍蝇、蚂蚁、蟋蟀等昆虫在光滑的表面快速爬行，甚至能倒吊在天花板上。这吸引了无数生物学家的兴趣，并且开展了广泛的研究。研究发现，许多昆虫足上都有着形态各异的粘性足垫。这些足垫可迅速释放，并且通过足垫产生的爬附力控制行进和奔跑。其爬附机制显示了惊人的结构多样性和卓越的性能。对足-面间爬附力的测试是认识动物运动规律的重要途径，揭示动物运动的力学规律，能够知道机器人的动力学设计，提升机器人的性能，而且所获得的信息对仿生机器人设计具有重要指导意义。

悬臂梁式测量装置被广泛用于动物爬附力的测量，例如专利申请号为200510094990.0的“二维小量程力传感器”通过在方形且没有扭转的悬臂梁左右和上下两面分别粘贴2个应变片来测试垂直和水平方向的力，但是该装置最小分辨率为1mN，不能满足小型昆虫的测试要求；中国专利申请号为200510023641.x的“二维微力测量传感器”，采用弹性体悬臂结构，由相互垂直的立式弯曲梁和卧式弯曲梁组成，通过其上粘贴的应变片组成的桥式电路可以测得垂直分力和水平分力，并保证测试精度和分辨率，它的缺点在于弹性体刚度小，容易变形；固有频率低，不利于动态测试；没有过载保护结构；专利申请号为200710011275.5的“压电薄膜悬臂链式微力传感器的微力加载装置”，解决了微牛顿级力加载的测量，但是测试量程较小，只能用于扫描力显微镜等精密测试仪器中。上述专利都与本发明的装置和方法不同，亦不用于昆虫爬附力的测量。

近几年来有一些关于测量动物与表面间爬附力的测试装置和测试方法。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间爬附力的测力装置和测试方法，但是该测试方法制样复杂、测试步骤繁琐，而且试样台固定，只能测试垂直方向的爬附力，测试范围较小。专利申请号为CN200810156169.0的“动物足-面接触反力的测试方法及系统”提出了可以同时测量动物在水平面、垂直面和天花板运动时每只脚掌与附着表面间的接触反力的测试方法和系统，但是该传感器阵列布置太过繁琐，而且只局限于测试三种特殊状态下的动物与表面接触情况。

发明内容

由于昆虫爬行的爪、足结构不同，握持机制不同，因此对不同粗糙度表面的爬附力不同，不同站姿的爬行稳定性也不同。这将引起昆虫对不同空间位置和粗糙度表面的适应性或喜好不同。而目前合适、客观的表征手段欠缺。本发明的目的是提供一种适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置与方法，以解决目前在此类测量上装置与方法的不足、测量复杂、低精度及对昆虫的伤害。通过扭转悬臂梁上的z向应变片和y向应变片测量垂直分力和水平分力，通过俯视摄像和侧视摄像观察昆虫所处位置和步态，以实现高精度、数字化、自动化、多角度测量昆虫爬附力并分析昆虫对不同粗糙度表面的趋向性。

为了达到上述目的，本发明提供了一种适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置，其特征在于，包括测力单元、实验箱、测试箱、xy轴移动机构、z轴移动机构、转动机构和CCD成像系统；实验箱设于测试箱中，实验箱连接xy轴移动机构，xy轴移动机构连接z轴移动机构，测试箱连接转动机构。

优选地，所述的测力单元包括连接悬臂梁，y向应变片，z向应变片和牵线，所述的悬臂梁的前端连接牵线，所述的y向应变片包括粘贴在悬臂梁根部前面的两片顺序排列的a应变片和粘贴在悬臂梁根部后面的两片顺序排列的b应变片，所述的z向应变片包括粘贴在悬臂梁根部上面的两片顺序排列的a应变片和粘贴在悬臂梁根部下面的两片顺序排列的b应变片。

优选地，所述的实验箱包括实验箱体，实验箱体的正面开有实验门，实验箱体的内底面上粘贴有试样板，实验箱体固定连接托杆的顶端。所述的试样板可以是光滑玻璃或硅片、或者具有一定粗糙度的抛光纸等片状材料，也可以是具有不同粗糙度材料制成的如图5所示的圆形爬道或直条型爬道；所述的实验箱体为长方体，是由透明有机玻璃或透明高聚物塑料制成。

优选地，所述的测试箱包括测试箱体，测试箱体的正面开有测试门。