[发明专利]挑针式干扰昆虫或小型动物爬姿及爬附力测量装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种挑针式干扰昆虫或小型动物爬姿及爬附力测量装置和测量方法，属于生物活体行走特征与爬附力测量技术领域。

背景技术

地面上生活的足类动物通过足掌和地面间的相互作用，实现奔跑、静止、跳跃等运动行为。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。对昆虫行走特征和足-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，能够指导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。

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爬附力的测试装置，但是仅能测试动物在水平面上的爬附力；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，但是该装置不能测试在天花板上的爬附力；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，只能测试水平面上的爬附力，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-表面接触情况，不能获得最大爬附力值。上述专利都与本发明的装置和方法不同，亦不用于测试受干扰条件下昆虫爬附力的测量。

发明内容

昆虫或小型动物在受到外界环境的干扰条件下，往往会通过本能或神经系统来调节步态和足掌的接触状态以适应外界环境的变化，由此更能反映出昆虫或小型动物应激性和足掌爬附特征。针对目前在昆虫或小型动物干扰状态下爬附力测量的空白，本发明所要解决的技术问题是提供一种挑针式干扰昆虫或小型动物爬姿及爬附力测量装置与方法，装置简单实用、设计成本低，而且能够实现观察水平、悬位上昆虫或小型动物行走特征、昆虫或小型动物足掌接触状态和测试昆虫或小型动物爬附力值的目的。

为了解决上述技术方案，本发明提供了一种挑针式干扰昆虫或小型动物爬姿及爬附力测量装置，其特征在于，包括试样台、测力机构、用于干扰昆虫或小型动物爬姿的爬附力机构、三轴移动机构以及显微摄像系统，所述的爬附力机构连接三轴移动机构。

优选地，所述的测力机构包括悬臂梁、应变片组、力激光器、力反射镜和感光杆，所述的悬臂梁的一端固定，另一端与试样台固定连接，所述的应变片组包括粘贴在悬臂梁上面的两块应变片和粘贴在悬臂梁下面的两块应变片，所述的应变片呈平行并列排列并相互连接组成全桥式电路，应变片组的位置紧靠悬臂梁的固定端，力激光器通过铰链可旋转地连接于悬臂梁的上方，力反射镜粘贴在悬臂梁上侧，感光杆设于悬臂梁上方。

优选地，所述的爬附力机构包括挑针、挑针片、针反射镜、针激光器和挑针应变片组，挑针侧面设有挑针应变片组，挑针固定连接挑针片，针反射镜粘结在挑针片上，针激光器通过铰链可旋转地连接于挑针片的前方。

优选地，所述的三轴移动机构包括x移动机构、y移动机构和z移动机构。

更优选地，所述的x移动机构包括x移动台、x微调螺杆、x支撑座、x旋转手柄和x步进电机，x移动台与x微调螺杆的中部连接，x微调螺杆的一端固定连接x旋转手柄，另一端连接x步进电机，所述的x支撑座通过滚动轴承与x微调螺杆连接。

更优选地，所述的y移动机构包括y移动台、y微调螺杆、y支撑座、y旋转手柄、y螺杆和y步进电机，y移动台与y螺杆的中部连接，y螺杆的一端连接y步进电机，另一端与y微调螺杆相啮合，y微调螺杆固定连接y旋转手柄，所述的y微调螺杆和y螺杆通过滚动轴承与y支撑座连接。