[發明專利]挑針式干擾昆蟲或小型動物爬姿及爬附力測量裝置和方法

有效

• 申請號: 201210030553.2
• 申請日: 2012-02-11
• 公開（公告）號: CN102589777A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 于偉東;崔瑞國;劉洪玲
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: G01L5/00
• 分類號: G01L5/00;G01N21/84
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 翁若瑩

技術領域

本發明涉及一種挑針式干擾昆蟲或小型動物爬姿及爬附力測量裝置和測量方法，屬于生物活體行走特征與爬附力測量技術領域。

背景技術

地面上生活的足類動物通過足掌和地面間的相互作用，實現奔跑、靜止、跳躍等運動行為。尤其是人們常常見到蒼蠅、螞蟻、蟋蟀等昆蟲在光滑的表面快速爬行，甚至能倒吊在天花板上。這吸引了生物學家的興趣，并且開展了廣泛的研究。研究發現，許多昆蟲足上都有著形態各異的粘性足墊。這些足墊可迅速釋放，并且通過足墊產生的爬附力控制行進和奔跑。其爬附機制顯示了驚人的結構多樣性和卓越的性能。對昆蟲行走特征和足-面間爬附力的測試是認識動物運動規律的重要途徑，揭示動物運動的力學規律，能夠指導機器人的動力學設計，提升機器人的性能，而且所獲得的信息對仿生機器人設計具有重要指導意義。

近幾年來有一些關于測量動物與表面間爬附力的測試裝置和測試方法。例如德國的Walter?Federle等人在2003年雜志《The?Journal?of?Experimental?Biology》第206卷“Biomechanics?of?ant?adhesive?pads：frictional?forces?are?rate-and?temperature-dependent”一文中首次給出了用離心分離技術來測量螞蟻的水平爬附力的測試裝置，但是僅能測試動物在水平面上的爬附力；國內周群等人在同濟大學學報2008年第36卷《螞蟻附著力的測試及ANSYS分析》也給出了一種離心式基于高速圖像反饋的爬附力測試平臺，但是該裝置不能測試在天花板上的爬附力；專利申請號為200810203235.5“一種測量生物活體與物體間粘附力的測力裝置及測試方法”提出了一種運用杠桿原理測量生物活體與物體間爬附力的測力裝置和測試方法，但是該測試方法制樣復雜、測試步驟繁瑣，而且試樣臺固定，只能測試水平面上的爬附力，測試范圍較小。專利申請號為CN200810156169.0的“動物足-面接觸反力的測試方法及系統”提出了可以同時測量動物在水平面、垂直面和天花板運動時每只腳掌與附著表面間的接觸反力的測試方法和系統，但是該傳感器陣列布置太過繁瑣，而且只局限于測試三種特殊狀態下的動物-表面接觸情況，不能獲得最大爬附力值。上述專利都與本發明的裝置和方法不同，亦不用于測試受干擾條件下昆蟲爬附力的測量。

發明內容

昆蟲或小型動物在受到外界環境的干擾條件下，往往會通過本能或神經系統來調節步態和足掌的接觸狀態以適應外界環境的變化，由此更能反映出昆蟲或小型動物應激性和足掌爬附特征。針對目前在昆蟲或小型動物干擾狀態下爬附力測量的空白，本發明所要解決的技術問題是提供一種挑針式干擾昆蟲或小型動物爬姿及爬附力測量裝置與方法，裝置簡單實用、設計成本低，而且能夠實現觀察水平、懸位上昆蟲或小型動物行走特征、昆蟲或小型動物足掌接觸狀態和測試昆蟲或小型動物爬附力值的目的。

為了解決上述技術方案，本發明提供了一種挑針式干擾昆蟲或小型動物爬姿及爬附力測量裝置，其特征在于，包括試樣臺、測力機構、用于干擾昆蟲或小型動物爬姿的爬附力機構、三軸移動機構以及顯微攝像系統，所述的爬附力機構連接三軸移動機構。

優選地，所述的測力機構包括懸臂梁、應變片組、力激光器、力反射鏡和感光桿，所述的懸臂梁的一端固定，另一端與試樣臺固定連接，所述的應變片組包括粘貼在懸臂梁上面的兩塊應變片和粘貼在懸臂梁下面的兩塊應變片，所述的應變片呈平行并列排列并相互連接組成全橋式電路，應變片組的位置緊靠懸臂梁的固定端，力激光器通過鉸鏈可旋轉地連接于懸臂梁的上方，力反射鏡粘貼在懸臂梁上側，感光桿設于懸臂梁上方。

優選地，所述的爬附力機構包括挑針、挑針片、針反射鏡、針激光器和挑針應變片組，挑針側面設有挑針應變片組，挑針固定連接挑針片，針反射鏡粘結在挑針片上，針激光器通過鉸鏈可旋轉地連接于挑針片的前方。

優選地，所述的三軸移動機構包括x移動機構、y移動機構和z移動機構。

更優選地，所述的x移動機構包括x移動臺、x微調螺桿、x支撐座、x旋轉手柄和x步進電機，x移動臺與x微調螺桿的中部連接，x微調螺桿的一端固定連接x旋轉手柄，另一端連接x步進電機，所述的x支撐座通過滾動軸承與x微調螺桿連接。

更優選地，所述的y移動機構包括y移動臺、y微調螺桿、y支撐座、y旋轉手柄、y螺桿和y步進電機，y移動臺與y螺桿的中部連接，y螺桿的一端連接y步進電機，另一端與y微調螺桿相嚙合，y微調螺桿固定連接y旋轉手柄，所述的y微調螺桿和y螺桿通過滾動軸承與y支撐座連接。