[發明專利]一種懸臂梁式昆蟲或小型動物爬附力的測量裝置與方法

有效

• 申請號: 201210030831.4
• 申請日: 2012-02-11
• 公開（公告）號: CN102589781A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 于偉東;崔瑞國;劉洪玲;于昊慧
• 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

本發明涉及一種懸臂梁式昆蟲或小型動物爬附力的測量裝置與方法，屬于生物活體與表面爬附力測量技術領域。

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。動物的運動行為是在內力作用下(肌肉力)動物與環境間相互作用的結果。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。例如蒼蠅、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。這吸引了無數生物學家的興趣，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爬附墊。這些爬附墊可迅速釋放，并且通過爬附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，對了解機器人的動力學設計，提升機器人的性能，以及用所獲得的信息對仿生機器人設計具有重要指導意義。

懸臂梁式測量裝置被廣泛用于動物爬附力的測量，例如專利申請號為200510094990.0的“二維小量程力傳感器”通過在方形且沒有扭轉的懸臂梁左右和上下兩面分別粘貼兩個應變片來測試垂直和水平方向的力，但是該裝置最小分辨率為1mN，不能滿足小型昆蟲的測試要求；中國專利申請號為200510023641.x的“二維微力測量傳感器”，采用彈性體懸臂結構，由相互垂直的立式彎曲梁和臥式彎曲梁組成，通過其上粘貼的應變片組成的橋式電路可以測得垂直分力和水平分力，并保證測試精度和分辨率，它的缺點在于彈性體剛度小，容易變形；固有頻率低，不利于動態測試；沒有過載保護結構；專利申請號為200710011275.5的“壓電薄膜懸臂鏈式微力傳感器的微力加載裝置”，解決了微牛頓級力加載的測量，但是測試量程較小，只能用于掃描力顯微鏡等精密測試儀器中。上述專利都與本發明的裝置和方法不同，亦不用于昆蟲爬附力的測量。

近幾年來有一些關于測量動物與表面間接觸力的測試裝置和測試方法。例如專利申請號為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，只能測試垂直方向的爬附力，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(懸位)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。

發明內容

本發明的目的是提供一種懸臂梁式昆蟲或小型動物爬附力的測量裝置與方法，以解決目前在此類測量上裝置與方法的不足、測量復雜、低精度及對昆蟲或小型動物的傷害。通過扭轉懸臂梁上的z向應變片和y向應變片測量垂直分力和水平分力，通過俯視攝像和側視攝像觀察昆蟲或小型動物所處位置和步態，以實現高精度、數字化、自動化、多角度測量昆蟲或小型動物爬附力。

為了達到上述目的，本發明提供了一種懸臂梁式昆蟲或小型動物爬附力的測量裝置，包括懸臂梁握持器、應變片測力單元、試樣臺、xy軸移動機構、z軸移動機構和CCD成像系統，xy軸移動機構連接z軸移動機構和試樣臺，懸臂梁握持器連接應變片測力單元。

優選地，所述的懸臂梁握持器包括扭轉懸臂梁，扭轉懸臂梁的前端設有握持孔，握持孔連接牽線，扭轉懸臂梁的根部設有四個梁組成的扭轉段，四個梁依次轉動90°。

優選地，所述的應變片測力單元包括z向a、b應變片，z向c、d應變片、y向a、b應變片和y向c、d應變片；所述的z向a、b應變片和z向c、d應變片以及y向a、b應變片和y向c、d應變片分別組成橋式電路。

優選地，所述的試樣臺包括托桿，托桿的一端連接托板，托板上設有試樣板，試樣板上設有實驗罩，實驗罩具有門，托板的四個角固接固定塊。

優選地，所述的xy移動機構由x步進電機、x螺桿、x螺母、xy架、y步進電機、y螺桿和y螺母組成；所述的x步進電機連接x螺桿，x螺桿連接x螺母，所述的y步進電機連接y螺桿，y螺桿連接y螺母，所述的xy架與x步進電機、y螺母固接且與x螺桿轉動連接。

優選地，所述的z軸移動機構包括z步進電機、z螺桿、z螺母和zy架；所述的z步進電機連接z螺桿，z螺桿連接z螺母，z螺母固接zy架。

優選地，所述的CCD成像系統包括俯視攝像機、側視攝像機和投影光源。