[發明專利]一種三平面上昆蟲行走與爬附特征測量裝置

有效

• 申請號: 201210030554.7
• 申請日: 2012-02-11
• 公開（公告）號: CN102578043A
• 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: A01K67/033
• 分類號: A01K67/033
• 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

本發明涉及一種三平面上昆蟲行走與爬附特征測量裝置，屬于測量生物行走與爬附特征技術領域。

背景技術

運動是動物的基本特征，是動物捕食、逃逸、生殖、遷徙等行為的基礎。地面上生活的足類動物通過足掌和地面間的相互作用，實現驅動、穩定、機動等運動行為。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。同時運動行為是昆蟲生物學功能的體現，評測昆蟲運動行為是昆蟲學研究的重要組成部分。目前研制的仿生機器人在運動的平穩性、靈活性、環境適應性及能源利用效率等方面遠遠落后于動物。研究昆蟲和其腳掌的運動行為以及與接觸表面的相互作用力，可幫助理解動物運動的規律性。為生物學家和工程師們研究動物時的爬附機制提供有價值的線索，同時為仿生機器人的機構設計、步態規劃和控制系統設計、進一步提高特種仿生機器人(特別是爬壁機器人)和其他復雜系統的性能提供指導和借鑒。

傳統的昆蟲行為學研究主要是以直接觀察和手工記錄為主，存在定性武斷和費時費力等諸多問題。專利申請號為200910105865.3的“關于果蠅行為實驗的方法”通過LED等顯示出不同色彩、圖形以及運動圖案來刺激果蠅，進而直接觀察果蠅的行為；專利申請號為201020155828.1的“一種昆蟲行為監測系統”給出了一種利用攝像機和錄像裝置長時間實時觀測昆蟲姿態變化和運動行為的裝置；專利申請號為02113827.3的“動物行為視頻分析系統”給出了一種測試小白鼠等動物的運動特征、運動軌跡和運動速度的測試裝置；但是以上幾個專利測試范圍小，僅針對單一動物進行測試；不能觀察到具體各個腳掌的接觸狀態，測試精度低；只能測試水平面上的運動行為，不能實現多角度觀察的目的；不能實時觀察生物足掌的接觸狀態和力值。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，成本較高。

發明內容

由于昆蟲爬行的爪、足結構不同，握持機制不同，因此對不同的粗糙度表面的爬附力不同，不同站姿的爬行穩定性也不同。這將引起昆蟲在不同空間位置的爬附行為的變化。而目前自主、原位測量昆蟲空間爬附行為的裝置欠缺，實現三平面上昆蟲爬附力測量的裝置也較少。本發明的目的是提供一種三平面上昆蟲行走與爬附特征測量裝置，裝置簡單實用、精度精準，能夠實現在昆蟲自主狀態下，數字化、自動化觀察水平、豎直、懸位面上昆蟲步態、足掌接觸狀態和昆蟲爬附力測試。

為了達到上述目的，本發明提供了一種三平面上昆蟲行走與爬附特征測量裝置，其特征在于，包括爬鼓、振動測力機構、三位爬附力測量機構、三位固定座、側視攝像機以及拾音器，拾音器設于爬鼓內，拾音器連接振動測力機構，三位爬附力測量機構設于三位固定座上。

優選地，所述的三平面上昆蟲行走與爬附特征測量裝置還包括計算機控制與數據處理系統，所述的振動測力機構包括振動應變片組，所述的三位爬附力測量機構包括拉動應變片組、步進電機以及正視攝像機，所述的拾音器包括麥克風，所述的計算機控制與數據處理系統包括與所述的拉動應變片組相連的用于采集和處理所測得力值的爬附力模塊，與所述的正視攝像機相連的用于采集和分析昆蟲所處位置的正視圖像模塊，與所述的側視攝像機相連的用于采集和分析昆蟲步態以及足掌與鼓面接觸狀態的側視圖像模塊，與所述的振動應變片組相連的用于采集和處理所測得力值的振動測力模塊，與所述的拾音器相連的用于采集和處理昆蟲足掌踏附聲音的爬動聲模塊，與所述的步進電機相連的用于驅動步進電機轉動的拉動驅動模塊以及與爬附力模塊、正視圖像模塊、側視圖像模塊、振動測力模塊、爬動聲模塊和拉動驅動模塊相連接的計算機。

更優選地，所述的爬鼓包括包覆架以及設于包覆架外的鼓面。所述的鼓面是指高聚物膜、皮、金屬片或紙，繃緊包覆在包覆架外側；所述的爬鼓形狀為是長方體，有中腔，其中放置有拾音器。

更優選地，所述的振動測力機構包括振動懸臂梁，振動懸臂梁一端固定連接爬鼓，另一端固定在底座上，所述的振動應變片組包括粘貼在振動懸臂梁上表面、呈平行排列的兩塊應變片和粘貼在振動懸臂梁下表面、呈平行排列的兩塊應變片，四塊應變片組成全橋式電路，且位置緊靠振動懸臂梁的固定在底座上的一端。