[发明专利]杠杆式链条加压的昆虫或小型动物爬附力测量装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种杠杆式链条加压的昆虫或小型动物爬附力测量装置与测量方法，属于昆虫或小型动物爬附力测量领域。

背景技术

在35亿年的进化和生存竞争中，动物形成了许多优异的几何结构、轻巧的材料拓扑、简约而有效的控制方式和功能丰富的表面结构。这些结构、材料和运动控制方式使动物在运动平稳性、灵活性、环境适应性及高能源利用效率等方面优于现代机械系统。它们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、蟋蟀等动物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，许多动物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。对动物运动过程中运动行为以及与运动表面间相互作用力的研究，可帮助理解动物运动的规律性，同时为仿生机器人的机构设计、步态规划和控制系统设计提供指导和借鉴作用。

目前，获得生物与表面间爬附力数值往往是通过探针原子力显微镜(AFM)、力传感器等仪器得到。但是，AFM不能测试生物活体与物体之间的爬附力，对测量对象的选择有很大的局限性，而且根据测试的目的不同，往往要更换某些机构来实现，成本比较高；传统的力传感器，例如压电式、电容式传感器，测量爬附力的范围有限，尤其是精度较高的传感器很容易在使用过程中损坏，而且传感器较易受到外界环境(如温湿度和电磁干扰)的影响。例如专利申请号为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(平位)、垂直面(竖位)和天花板(悬位)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，而且测试精度仅为mN级，不能用于动物等小型动物接触力直接测量，且与本发明的原理和机构均不同。

而且现有的杠杆式动物与表面间爬附力测试装置也有待改进，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。虽原理相似，但杠杆的加压机构和测量原理均不同，而且该测试装置精确度不高，效率低、自动化程度低；测试方法制样复杂、测试步骤繁琐；测试过程中试样台固定，动物束缚在杠杆上，不能自主移动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种杠杆式链条加压的昆虫或小型动物爬附力测量装置与方法，通过杠杆作用来测量昆虫或小型动物爬附力，同时实时观察昆虫或小型动物运动步态、脚掌接触状态，实现测试过程的自动化、数字化，测试结果精准平稳。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种杠杆式链条加压的昆虫或小型动物爬附力测量装置，其特征在于，包括杠杆机构、平衡加压机构、移动加压机构、CCD摄像系统以及观察台；杠杆机构的一端连接昆虫或小型动物，另一端连接平衡加压机构，平衡加压机构连接用于改变杠杆机构的力臂的移动加压机构。

优选地，所述的杠杆机构包括平衡杆以及设于平衡杆下的支点，平衡杆一端经由牵线连接昆虫或小型动物，平衡杆中嵌入水平仪。

优选地，所述的平衡加压机构包括加压杆、加压锥、铰链点、砝码链、第二升降移杆、第二升降螺母、第二升降螺杆和第二升降步进电机，所述的加压杆的一端与加压锥焊接固定在一起，另一端通过铰链点连接到第二平移连杆上并可以铰链点为中心上下摆动；所述的砝码链由多个环形金属环串套而成，其一端套在第二升降移杆上，另一端套在加压杆上；所述的第二升降移杆连接第二升降螺母，第二升降螺母连接由第二升降步进电机驱动的第二升降螺杆。

优选地，所述的移动加压机构包括第二平移步进电机、由第二平移步进电机驱动的第二平移螺杆、第二平移螺母、第二平移连杆、第一平移步进电机、由第一平移步进电机驱动的第一平移螺杆、第一平移螺母和第一平移连杆；所述的第二平移螺杆连接第二平移螺母，第二平移螺母连接第二平移连杆，第二平移连杆固定连接第一平移步进电机，第一平移螺杆连接第一平移螺母，第一平移螺母连接第一平移连杆。

优选地，所述的CCD摄像系统包括俯视摄像机、侧视摄像机和投影光源。俯视摄像机用于观察昆虫或小型动物测试过程以及昆虫或小型动物位置定位，侧视摄像机用于观察整个测试过程中昆虫或小型动物步态以及与爬板接触情况，投影光源用于提供照明。

优选地，所述的观察台包括观察罩，观察罩内设有托架，托架上设有托盘，托盘上设有爬板，托架固定连接托架螺母，托架螺母连接由第一升降步进电机驱动的螺杆。