專利名稱：動物足-面接觸反力的測試方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及動物運動力學(xué)量的測試和機器人仿生領(lǐng)域。特別涉及壁虎、蜘蛛、 甲蟲等粘附動物(指腳掌能夠產(chǎn)生粘附力從而可以在3度空間各表面運動的動 物)在水平面、垂直面和天花板等各種表面上運動時，腳掌與表面的作用力及實 時圖像采集的測試系統(tǒng)。并可用于測定機器人的運動性能。
背景技術(shù)：
運動是動物的基本特征，是動物捕食、逃逸、生殖、遷移等行為的基礎(chǔ)。動 物的運動行為是在內(nèi)力作用下(肌肉力)動物與環(huán)境間相互作用的結(jié)果。地面上 生活的足類動物通過足掌和地面(對粘附動物包含墻面、天花板等各種位置表面) 間的力相互作用，實現(xiàn)驅(qū)動、穩(wěn)定、機動等運動行為，對足一面間作用力的測試 是認識動物運動規(guī)律的重要途徑，所獲得的信息對機器人，特別是爬壁機器人的 設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。
壁虎、蜘蛛和昆蟲等動物有三維空間無障礙(Three Dimensional-terrain Obstacle Free—TDOF)運動的能力，能在正、零和負表面(以地球外法線為正，對 應(yīng)地面、墻面和天花板)等各種表面位置做自如的實現(xiàn)各種復(fù)雜的運動。目前人 們對足一面間相互作用力的認識還不夠充分。具有同樣運動能力的機器人在搜 救、探險、外空探測、特種偵察等領(lǐng)域具有明確而迫切的需求?，F(xiàn)有的這類機器 人的運動能力還遠落后于動物。揭示動物運動的力學(xué)規(guī)律，能夠指導(dǎo)機器人的動 力學(xué)設(shè)計，提升機器人的性能。本設(shè)計實施例以大壁虎(Gekko gecko)在地面、 墻面和天花板上的3維運動反力的測試展開。壁虎是體重最重(可達150g，平 均70g)、運動速度快(可達1.5m/s)、負重能力強，具有代表性。是典型的具 有3維空間無障礙運動能力的動物。
為了準確定義相關(guān)概念，這里我們所述的運動反力指動物的單個腳掌全部作 用在單個傳感器上時測到的力。慣性反力指動物整體處于傳感器上，由于肢體的 運動、腳掌對傳感器承力片的作用等原因造成的作用于傳感器的力的動態(tài)變化。
與本發(fā)明相關(guān)的運動反力測試方法、多維力傳感器、傳感器的陣列及其測試 系統(tǒng)的相關(guān)的技術(shù)背景分別論述如下。
運動慣性力或反力的測試方法-
按照傳感器的定位方式一般分為固定式和隨動式。隨動式指傳感器固聯(lián)于運 動動物的測試方式。該方法可用較少的傳感器實現(xiàn)運動反力的連續(xù)測定，但對運 動動物的要求較高。目前主要和人的鞋子設(shè)計為一體，用于人的運動反力測試。 用于傳感器較大，測試精度有限，不適合于小型動物運動反力的測試。固定式指 傳感器固聯(lián)于靜止參照系的測試方式。應(yīng)用較多，又分為單個傳感器的測試和多 傳感器陣列的測試兩種方法。單個傳感器的實驗測試方法早在1938年就有人研 究。Full等人1995年實現(xiàn)了測試的數(shù)值化，該測試方法是在一個較大的承力面 下安裝了4個梁式傳感器，用于測量3維地面反力，測試蜥蜴、壁虎、甲蟲等動 物在該承力面上運動時產(chǎn)生的慣性力(腳掌和承力面接觸，身體運動等產(chǎn)生的慣 性力)。(Journal of Experimental Biology, 1995， 198: 244卜2452)。由于測 量時全部動物位于傳感器的承力片上，因此僅能測得動物運動過程的慣性力，不 能得到單個腳掌上的運動反力。
組成動物運動反力測試陣列的傳感器技術(shù)
除了滿足量程、分辯率等要求外，因為動物腳掌對接觸面的作用是一個沖擊 作用力，因此傳感器還必須有高的固有頻率才能保證測試結(jié)果的真實性。為了實 現(xiàn)組陣，傳感器的安裝固定還要考慮不發(fā)生干涉。Full (JEB， 1995， 198: 2441-2452 )的傳感器測力范圍和動態(tài)性能是合適的，但傳感器結(jié)構(gòu)太大，不能 組成陣列。1999年臺灣逢甲大學(xué)研制的腳掌接觸力傳感器測量人在步行的不同 階段腳掌與接觸面間的接觸反力(見The six-component force sensor for measuring the loading of the feet of in locomotion, Materials and design, 1999， 20: 237-244)，在鞋底前腳掌與腳跟兩個位置安裝兩個相同的6維力傳感 器，基于電阻應(yīng)變測量原理制成，彈性體結(jié)構(gòu)為輪輻式，測量力的范圍可達到 土1000N。該傳感器沒報道動態(tài)性能，用于安裝到人的腳底，測量范圍也不適合 于動物運動反力的測定。本專利發(fā)明人曾提出的倒T型傳感器(CN1912559 )有 較高的固有頻率、量程和測試精度，且能夠滿足組成陣列對防止傳感器間的固定 干涉的要求。傳感器的組陣技術(shù)
從組成傳感器陣列的結(jié)構(gòu)方面分類，傳感器和陣列間的關(guān)系可以分為整體式 和分體式，傳感器陣列表面可以有覆蓋物或者沒有覆蓋物。傳感器能夠測定的力
的維數(shù)也是重要的指標。2006年Heo J S等用光纖光柵系統(tǒng)制成的3X3的單維 力傳感器陣歹!J [Tactile sensor arrays using fiber Bragg grating sensors. Sensors and Actuators A， 2006， 126: 312-327],可用于測量皮膚 觸覺和指尖力的分布，用于測量機器人指尖力的應(yīng)變式傳感器陣列，量程為 100N，分辨率0. 1N。該測力陣列僅測量一維力，分辨率不能滿足動物運動反力 測試的要求。2004年中國科學(xué)院合肥智能機械研究所研制的"柔性三維力觸覺 傳感器(CN1796954)"，呈4X4陣列設(shè)置的16只三維力傳感器，采用單晶硅材 料通過MEMS工藝技術(shù)制作而成，通過半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，實現(xiàn)對三維力的檢測， 其空間分辨率可達5ram，最小分辨力是0.1N。該陣列為整體結(jié)構(gòu)，分辨率不能滿 足動物運動反力測試的要求。改變陣列的組陣方式也不方便。2005年中國科學(xué) 院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的"基于數(shù)字跑道的田徑訓(xùn)練信息采集和反饋系統(tǒng) (CN1818569)"。該發(fā)明為多個傳感器單元置于起保護作用上塑膠層和下塑膠層 之間，傳感器單元由行引線和列引線連接，作為跑道放置在地面，測量運動員的 腳底與跑道的接觸力和時間等。2006年，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的"機 器人手爪仿生指面柔性接觸傳感器陣列(CN100999079)"。該發(fā)明利用微型氣壓 傳感器和微型柔軟氣囊結(jié)合構(gòu)成仿生指面柔性接觸傳感器。在傳感器基板上設(shè)置 多個微型氣壓傳感器，在微型氣壓傳感器上包覆固定有氣囊微孔的微型柔軟氣 囊，傳感器基板設(shè)置有小孔，該孔與微型氣壓傳感器的參考腔互通。制作成可以 自動適應(yīng)外界環(huán)境變化的柔性接觸傳感器陣列。這幾種陣列在傳感器上均覆蓋有 連續(xù)的保護層，不能獲得動物運動反力的真實結(jié)果。
1998年Goodyear橡膠輪胎公司研制的"三維力銷傳感器陣列(US Patent 6536292)"，用多個懸臂梁式的傳感器來測量輪胎質(zhì)構(gòu)與附著表面的接觸力，每 個傳感器獨立的安裝在基座上面，允許對陣列中損壞的傳感器快速更換，能防止 灰塵和污染對測量的影響。
以下為與本發(fā)明最為接近的現(xiàn)有技術(shù)
動物運動反力的研究屬于多學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域，實驗系統(tǒng)的研制更需要發(fā)
明人熟知動物運動規(guī)律研究的需要，還需要具有傳感器研制，測力陣列設(shè)計研制， 數(shù)據(jù)采集及圖像采集等綜合性的知識背景，國內(nèi)外能夠開展這類研究和研制的團 隊及人員非常少。2003年戴振東教授提出了一種"三維微載荷測力陣列系統(tǒng) (CN1544900)"。系統(tǒng)采用L型3維力傳感器組成傳感器陣列，基于半導(dǎo)體應(yīng)變 測試技術(shù)，傳感器的量程為土10mN，設(shè)計分辨率為0. 1%F. S.，即10,，用于測 試質(zhì)量較小的粘附動物(如黃斑蝽、甲蟲等)3維接觸反力。該技術(shù)為本運動反 力測試系統(tǒng)的前期自有技術(shù)。它采用了半導(dǎo)體應(yīng)變測試技術(shù)，穩(wěn)定性還有待提高， 測力范圍不能適應(yīng)壁虎等較大的動物運動反力的測定。傳感器陣列的調(diào)試復(fù)雜， 難于組成多種不同需求的陣列形式。.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一套適合于于3維空間無障礙運動動物在各種表面上自由運動時
腳掌和表面間接觸反力測試的方法，設(shè)計能夠模擬3維空間表面狀態(tài)、測試動物
運動中的3維反力、并將力學(xué)量的測試與運動行為和步態(tài)結(jié)合起來的運動行為和
力學(xué)測試分析系統(tǒng)。以滿足人們探索動物運動規(guī)律的需求，該研究將啟發(fā)仿生機
器人(特別是仿壁虎等具有3維空間無障礙運動能力的機器人)設(shè)計。該系統(tǒng)同
樣可用于僅在地面上運動的動物(如貓、狗等)運動地面反力的測試。
一種動物足一面接觸反力的測試方法，實現(xiàn)對各種表面上自由運動動物足一
面接觸反力的測試，其特征在于包括以下步驟-
步驟l:選擇量程較大的3維傳感器，測定動物在各種表面自由運動狀態(tài)下 的運動反力，經(jīng)多次測量選取所測最大載荷，用于確定擬用于該動物運動反力實 驗的傳感器的量程范圍；
步驟2:選取滿足上述量程范圍的3維傳感器，測定該動物在各種表面自由
運動狀態(tài)下的運動反力，經(jīng)多次測量檢査有無特征載荷(例如預(yù)載荷)，用于確
定擬用于該動物運動反力實驗的傳感器的分辨率；
步驟3:根據(jù)步驟l、步驟2設(shè)計研制傳感器，并進行在線標定；
步驟4:觀測該動物的運動行為，設(shè)計對應(yīng)的測力陣列的布置形式，以便模
擬該動物在水平地面，豎直墻面，天花板，斜面等不同空間位置，以及直線行走，
拐彎行走，墻面過渡等不同行進方式的運動狀態(tài)；
其中測力陣列由多個獨立的測力傳感器及獨立的承力片組成；
步驟5:設(shè)計引導(dǎo)動物通過測力傳感器的通道，并訓(xùn)練實驗動物；
步驟6:引導(dǎo)動物通過測力傳感器陣列通道，并利用傳感器系統(tǒng)采集反力數(shù) 據(jù)，利用錄像系統(tǒng)采集動物通過測力傳感器陣列通道的畫面；
步驟7:利用錄像畫面在所采集的反力數(shù)據(jù)中篩選出動物全部腳掌作用在傳 感器上的數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)。
一種動物足一面接觸反力的測試系統(tǒng)，用于對各種表面上自由運動動物足一 面接觸反力的測試，其特征在于包括
傳感器陣列支架、安裝于傳感器陣列支架上的測力傳感器陣列、傳感器陣列 經(jīng)信號調(diào)理放大器連于計算機，還包括與測力數(shù)據(jù)實現(xiàn)同步采集的高速攝像機；
并且在測力傳感器陣列兩側(cè)安裝有兩面角度可調(diào)的鏡子，以配合高速攝像實 現(xiàn)動物運動時正面與側(cè)面的圖像采集；
其中測力陣列由多個獨立的測力傳感器及獨立的承力片組成，且每個獨立的 測力傳感器整體成為倒"T"型結(jié)構(gòu)，包括垂直梁和水平梁，垂直梁上部有一個 腰形孔，下部有兩個在空間上相互垂直的"H"型通孔；水平梁上有兩個"H"型 通孔，兩孔相對于垂直梁的中心線對稱，彈性體上設(shè)計三處貼片位置各貼有一組 金屬應(yīng)變片，分別用于測量被測力的三個分量(Fx、 FY、 Fz)。
以往對動物(含人)運動力學(xué)的測試，主要針對在地面上運動的情況開展研 究(所以該反力一般稱為地面反力一Ground Reaction Force-GRF)。但壁虎等動 物具有地面、墻面、天花板等任何表面運動的3維空間無障礙運動能力。這類動 物在地面以外的表面上的運動反力的測試，僅見Autumn的壁虎在模擬墻面上的 整體測試實驗(Journal of Experimental Biology, 2006， 209: 260-27)，但 所用的測試儀器還是1995年的單個梁式3維傳感器。
現(xiàn)有力傳感器陣列需求背景各不相同，有的用于機器人手掌觸覺，有的測量 車輪與地面的接觸狀況，也有的用于動物運動反力的測試。不同的需求對所發(fā)明 的測試系統(tǒng)的要求也不同。本發(fā)明以壁虎3度空間(地面，墻面，天花板等) 的3維運動反力的測試為背景，問題本身就是全新的，還未見同類設(shè)備發(fā)明的報 道。現(xiàn)有的動物運動反力測試方法和測試系統(tǒng)，也無法得到動物運動中各足接觸 反力的相互關(guān)系及其隨時間的變化(從支撐相到移動相間的轉(zhuǎn)化)等理解動物運 動力學(xué)規(guī)律的重要信息。
采用本實驗系統(tǒng)，我們成功實現(xiàn)了對多種小動物運動反力的測定。例如大壁
虎、黃斑蝽、林蛙等動物運動反力的測定。
結(jié)合國家自然科學(xué)基金項目研究，我們首次測到了自由運動壁虎的預(yù)載荷 (Preload forces)。預(yù)載荷指壁虎在接觸時腳趾對接觸表面的壓力，國外的研 究(Autumn, et al， Nature, 2000)表明，預(yù)載荷是產(chǎn)生粘附力的基本條件。 測試結(jié)果表明，壁虎的預(yù)載荷不可思議的小，僅幾亳牛到幾十亳牛！并且測定了 預(yù)載荷和運動速度、粘附力及運動反力間的關(guān)系。該結(jié)果向人們展示了大壁虎運 動反力非常精細和豐富的一面。典型的運動反力隨時間變化的曲線見圖5。
運用該系統(tǒng)，我們首次系統(tǒng)測定了大壁虎在地面、墻面和天花板上的運動反 力。我們發(fā)現(xiàn)在地面上大壁虎的運動反力，特別是側(cè)向力，并不是前人所預(yù)測的 那樣，在壁虎腳上指向外側(cè)。而是主要指向內(nèi)側(cè)。這表明壁虎在地面上運動時四 肢向外側(cè)用力。我們發(fā)現(xiàn)大壁虎用于驅(qū)動的力非常小的，僅僅幾個毫牛到幾十個 毫牛，說明其運動的效率非常高。我們首次確認大壁虎運動中前肢比后肢更加重 要一前肢承擔(dān)60%的體重，而后肢僅承擔(dān)40%的體重(圖6)。
運用該系統(tǒng)，我們首次測定了大壁虎在天花板上的運動反力，發(fā)現(xiàn)這時大壁 虎四肢主動內(nèi)收，形成指向外側(cè)的面內(nèi)反力。且前腳上的反力指向前進方向，后 腳上的反力指向運動的反方向。所產(chǎn)生的粘附力比壁虎的體重大一點。運動反力 的各個分力具有非常確定的方向。在天花板上壁虎各個反力的數(shù)值是最大的。
運用該系統(tǒng)，我們發(fā)現(xiàn)在墻面上，壁虎的前肢起到主要的作用，產(chǎn)生的側(cè)向 力，驅(qū)動力和粘附力足以支撐壁虎的運動，且對運動的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向行為起到控 制性作用。后肢產(chǎn)生的側(cè)向力和粘附力僅幾個毫牛到幾十個毫牛，僅在驅(qū)動力方
面有所貢獻o
運用該系統(tǒng)，我們測定了黃斑蝽的運動反力，發(fā)現(xiàn)其運動反力小到幾百微牛 到幾個毫牛。


圖1A陣列用3維傳感器及其承力片；圖1 B傳感器電阻應(yīng)變片的布置及其連線。
圖l的標號名稱l.承力片，點2、 3、 5所指位置分別安置前后、側(cè)向和法 向3個方向的承力片，點4 、 6用于將傳感器固定到機架上，7.傳感器彈性體。 圖2.傳感器陣列實現(xiàn)不同表面位置。圖2A傳感器陣列出于水平位置，做動
物在地面上運動的反力實驗；圖2B傳感器陣列出于垂直位置，做動物在墻面上 運動的反力實驗；圖2C傳感器陣列出于向下位置，做動物在天花板上運動的反 力實驗；傳感器陣列的法向方向和地球外法線方向間的夾角0 — 180度均能實現(xiàn)。
圖3.傳感器陣列的不同布置形式。圖3A動物延直線運動時的陣列布置； 圖3 B動物轉(zhuǎn)向運動時的陣列布置；圖3 C動物墻面間過渡運動時的陣列布置。
圖4.動物運動反力測試系統(tǒng)的組成。
圖4中標號名稱8.陣列的支架，9.傳感器組，IO.鏡子，ll.信號調(diào)理和 放大器，12.計算機，13.高速攝像機。
具體實施例方式
為了進一步說明本發(fā)明的技術(shù)要點，下面結(jié)合壁虎運動反力的測定表明本發(fā) 明所提出的技術(shù)方案的可行性及其實施效果。 測試方法
為了實現(xiàn)對各種表面上自由運動動物足一面接觸反力的測試，我們在多年研
究中確立測試方法如下。(1)首先選擇量程較大的3維傳感器，測定動物在各種 表面自由運動狀態(tài)下的運動反力。這里測試實驗要進行多次(一般大于16次)， 選取最大的載荷(峰值)，用于確定擬用于這種動物運動反力實驗的傳感器的量 程。(2)選取合適量程的傳感器，測定動物在各種表面自由運動狀態(tài)下的運動反 力。這里測試實驗要進行多次(一般大于16次)，檢査有沒有測到特征載荷，例 如粘附動物在需要產(chǎn)生粘附力時，腳要有一個先施加法向力的過程，該力稱為預(yù) 載荷(Preload forces)。用于確定擬用于這種動物運動反力實驗的傳感器的分 辨率。(3)傳感器的標定一般采用靜重法或者用電子天平(一般精度達到萬分之 一)進行標定。(4)觀測動物的運動行為，設(shè)計對應(yīng)的測力陣列的布置形式。(5) 設(shè)計引導(dǎo)動物通過測力傳感器的通道，訓(xùn)練實驗動物。(6)設(shè)計、加工和調(diào)試測 力陣列，開發(fā)數(shù)據(jù)采集軟件，實現(xiàn)力采集和圖像采集的同步。(7)從錄像和實驗 采集到的反力數(shù)據(jù)中找出全部腳掌作用在傳感器上的結(jié)果。(8)傳感器陣列系統(tǒng) 的幾何位置可調(diào)，能夠模擬動物在地面，墻面，天花板等不同空間位置的運動狀 態(tài)。
測力陣列的設(shè)計要充分考慮下列問題
(l)本發(fā)明中，每個傳感器能夠測定3個獨立的作用力分量(圖1A)，這樣
可以保證所測得的反力是完整的，而沒有損失某個方向的作用力。根據(jù)應(yīng)變傳感 器的電路原理，每個傳感器有12個(3X4)輸出線路(圖1 B)。本發(fā)明中，將 每個傳感器的輸出集成為一個獨立的輸出連接單元(圖1B中線路連接點D1， D2， D3， D4)。各個輸出形成連接集合。每個輸出單元連接到中間轉(zhuǎn)接盒。轉(zhuǎn)接盒連 接到應(yīng)變信號調(diào)理和放大器11。經(jīng)過放大的信號經(jīng)連接線輸入到計算機，由多 路采集電路完成模擬信號的采集，轉(zhuǎn)換成為數(shù)值信號。在實驗中，采集到的數(shù)值 信號展示在計算機的顯示屏上，便于試驗者觀察。這些信號同時存儲到計算機的 硬盤，以備后續(xù)分析。為了獲得運動行為和運動反力的關(guān)系，試驗中同步采集動 物的運動圖像，該錄像通過動物進入觀測區(qū)的信號實現(xiàn)自動觸發(fā)。本發(fā)明用沒有 表面覆蓋物的獨立的傳感器能夠提高測試的精度，并保證測試的動態(tài)性能。
(2) 傳感器承力片(圖1，結(jié)構(gòu)尺寸aXb)的尺寸確定。本發(fā)明中傳感器 承力片要適度大于所測定動物腳掌的大小，目的盡量讓單個腳掌踩在一個傳感器 承力片上，以獲得直接的測力結(jié)果。
(3) 為使傳感器陣列模擬不同表面的轉(zhuǎn)動裝置(圖2說明3種表面及轉(zhuǎn)動 裝置的設(shè)計。圖2A傳感器陣列出于水平位置，做動物在地面上運動的反力實驗； 圖2B傳感器陣列出于垂直位置，做動物在墻面上運動的反力實驗；圖2C傳感器 陣列出于向下位置，做動物在天花板上運動的反力實驗；傳感器陣列的法向方向 和地球外法線方向間的夾角0—180度均能實現(xiàn))?？紤]測力陣列能夠模擬不同位 置的表面，為此設(shè)計了一個轉(zhuǎn)動裝置，模擬從地面和天花板間的任何表面位置。 當(dāng)轉(zhuǎn)動到所需的位置時，測力陣列能夠用螺紋鎖緊，保證位置的穩(wěn)定。
(4) 根據(jù)實驗?zāi)康?，設(shè)計和確定傳感器的布置形式和傳感器的數(shù)量(圖3， 說明幾種傳感器的布置形式。圖3A動物延直線運動時的陣列布置；動物的運動 反力測定，傳統(tǒng)上僅限于平面上運動狀態(tài)的測定，這里我們保留這樣一個基本的 功能，這里傳感器陣列的長度尺寸(L)應(yīng)大于壁虎一個運動周期的長度，傳感 器陣列的寬度應(yīng)大于壁虎左右腳掌間的距離，以便保證有4個腳掌能夠作用踩在 傳感器上，即有不少于一個周期的運動被采集到。圖3B動物轉(zhuǎn)向運動時的陣列 布置；平面內(nèi)測定動物轉(zhuǎn)向時運動反力的傳感器陣列布置形式。這里傳感器的轉(zhuǎn) 向區(qū)域的布置使之所構(gòu)成的轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)該大于動物實際運動中的轉(zhuǎn)彎半徑。圖3 C動物墻面間過渡運動時的陣列布置)。用于測試動物平面間過渡運動的傳感器
陣列的布置形式。這里平面1和平面2內(nèi)的傳感器的數(shù)量取決于動物的過渡運 動的方式。直接過渡時，寬度(W)和圖3A中的寬度一致即可，若是側(cè)面單腳逐 步過渡，則寬度(W)要達到能夠支撐完成全部過渡行為。在墻面間過渡時運動 反力測定用傳感器陣列的布置
(5) 根據(jù)受力的大小、傳感器的剛度和傳感器的量程確定傳感器之間以及 傳感器和運動平面間的距離(圖3 A，B，C中的dl和d2)。 (5)避免傳感器間的 干涉。傳感器間的距離(圖3A， B， C中的dl)以及傳感器和運動平面間的距離
(圖3A， B， C中的d2)根據(jù)動物最大作用力下傳感器的變形量確定，并預(yù)留一 定間隙。此設(shè)計有保護傳感器避免受力太大導(dǎo)致傳感器的損壞的功能。
(6) 傳感器在機架上的固定。本發(fā)明中傳感器的固定由其兩端的固定平臺 (參考圖1標號6)實現(xiàn)，用螺釘固定在機架上(參考圖1標號4)。因此在設(shè)
計傳感器陣列時需要考慮固定部分有足夠的空間避免傳感器及其固定部分發(fā)生 干涉。
測力陣列的系統(tǒng)組成、相關(guān)部件及其連接關(guān)系
圖4表示測力陣列的系統(tǒng)組成及其連接關(guān)系。組成測力陣列的零部件有
3維力傳感器(1一7)，陣列的支架8，傳感器組9，鏡子IO，信號調(diào)理和放大器 11，經(jīng)信號線連接到計算機完成數(shù)據(jù)的采集，力信號和圖像采集通過信號線實現(xiàn) 同步，動物運動過程的步態(tài)用高速攝像機13采集，經(jīng)信號線連接并存儲到計算 機。
大壁虎具有超級的運動能力，能夠在各種表面上運動，為了說明問題，我們 選擇地面、墻面和天花板的情況開展測試。這些表面可分別定義為正、零和負表 面(指表面的外法線分析和地球外法線方向一致、垂直和相反)。任何表面均介 于正表面和負表面之間。因此本實施例所展示的技術(shù)方案可以用于任何表面的運 動反力測定。
該系統(tǒng)(圖l)由三維力傳感器(CN1912559)、根據(jù)大壁虎的腳掌面積的 大小確定組成三維力傳感器承力片尺寸為30腿X30mm(圖1中aXb)。通過對壁 虎身體參數(shù)的測量，考慮到成本等因素，組成2列每列8個傳感器組成的測力陣 列。成年大壁虎在運動狀態(tài)下前后足的最大跨距約為65皿左右，左右足張開的 距離略小于前后足的最大跨距。陣列平面由16個3維力傳感器的30mmX30腿
的有機玻璃承力片組成。根據(jù)3維力傳感器彈性體結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果，X和Y 方向分別在滿量程(1.5N)的力作用下，承力片沿X方向位移為0.86mm，沿Y 方向位移為0.28mm。組成陣列的相鄰傳感器的承力片之間的間距為lmm，能保證 在滿量程力作用下相鄰承力片不會碰撞。動物運動的通道、能夠調(diào)整測力陣列位 置使之模擬地面、墻面和天花板的轉(zhuǎn)動機構(gòu)、傳感器信號的引出和調(diào)理，多通道 信號采集，處理和顯示所需要的軟件和硬件、與力信號同步采集的高速圖像采集 和匹配的光源系統(tǒng)等部分組成。
用于組成傳感器陣列的單個三維小量程力傳感器(圖1， CN1912559)整體 成為倒"T"型結(jié)構(gòu)，包括垂直梁和水平梁，垂直梁上部有一個腰形孔(用于減 輕彈性體的重量，減小傳感器重力對測量結(jié)果的影響)，下部有兩個在空間上相 互垂直的"H"型通孔；水平梁上有兩個"H"型通孔，兩孔相對于垂直梁的中心 線對稱，彈性體上設(shè)計三處貼片位置各貼有一組金屬應(yīng)變片，分別用于測量被測 力的三個分量(Fx、 FY、 Fz)。
考慮三維力傳感器在加工、貼片、運輸、安裝過程中同樣會出現(xiàn)微小的誤差 或變形，影響原先設(shè)計的承力片的安裝位置，設(shè)計了安裝位置調(diào)整裝置，可調(diào)節(jié) 傳感器承力片之間的相互距離，以及承力片與有機玻璃板間的平整性和間距等參 數(shù)。裝配時將每個傳感器都裝夾在單獨的夾具上，傳感器水平梁的兩端作為裝夾 部位，傳感器可以在夾具的滑槽內(nèi)移動來調(diào)節(jié)相鄰傳感器Y方向的間距，滑槽的 寬度略大于傳感器水平梁寬度，通過螺栓可微調(diào)X方向的間距。該夾具安裝在傳 感器陣列的安裝底板上，由于大壁虎大小個體差異，根據(jù)大壁虎體寬，通過使夾 具在安裝底板的滑槽內(nèi)移動來調(diào)節(jié)兩列傳感器的間距，從而使大壁虎腳掌正好踩 在承力片上。
3維力傳感器電壓信號采集調(diào)理硬件采用National Instruments公司的 SCXI-1001機箱，該硬件安裝了 6塊SCXI-1520通用應(yīng)變測量模塊，SCXI-1314 是與SCXI-1520配套的外部接線模塊，每塊SCXI-1520可以實現(xiàn)8組獨立橋路的 信號調(diào)理。通過使用截止頻率為100Hz (可調(diào))的低通濾波以及穩(wěn)定的激勵電源， 可以有效提高信號的信噪比，配合PCI-6052E數(shù)據(jù)采集卡，在多路復(fù)用模式下， 可以實現(xiàn)多通道的同步采樣。
在大壁虎接觸反力同步測試實驗中，在LabVIEW開發(fā)環(huán)境下編寫的專用測試
程序，實驗測試程序整體上可以分成3個模塊即開始采集模塊、初始化模塊、實 驗數(shù)據(jù)采集與保存模塊。設(shè)定采樣率為1000scans/s，建立48個虛擬通道，采 用帶緩沖區(qū)的連續(xù)循環(huán)采集。雖然三維力傳感器X、 Y、 Z間耦合很小，但由于對 精度要求較高，在標定過程中對每個傳感器進行解耦，并將解耦矩陣寫入到測試 程序中，最終輸出的是每個傳感器上作用的三個方向力的大小，并在程序中實現(xiàn) 傳感器自動初始化零點平衡。使用移位寄存器，設(shè)置內(nèi)存中的數(shù)據(jù)隊列，保存的 數(shù)據(jù)是觸發(fā)時前幾秒(可調(diào))內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)的有效性后，才決定是 否觸發(fā)數(shù)據(jù)采集與保存，提高了實驗效率。
大壁虎腳掌的接觸力與爬行的速度和步態(tài)有很大關(guān)系，因此在測力的同時有 必要對大壁虎的運動過程進行觀察和攝像。為不影響攝像，大壁虎爬行的通道四 周都使用透明材料制作而成。輔助攝像組件中的光線調(diào)節(jié)是通過兩個強光源分別 從一定角度直射到3維傳感器陣列上，通過PC機上的圖形顯示分別調(diào)整好傳感 器陣列在模擬正、零、負表面時，每個強光源的位置和照射角度。在3維傳感器 陣列的兩側(cè)分別有兩面鏡子，鏡面和大壁虎運動通道平面之間的角度是可調(diào)的， 通過鏡面角度的調(diào)節(jié)可由高速攝像拍攝到在鏡面中的大壁虎運動影像，這是大壁 虎運動時的側(cè)面影像，一個側(cè)面可清晰的看到大壁虎身體一側(cè)的兩只腳掌的運動 狀態(tài)，兩面鏡子就可以觀測大壁虎的四只腳掌的狀態(tài)。與高速攝像機直接從正面 拍攝到的大壁虎運動的背部影像結(jié)合起來，就可以完整的觀測到大壁虎運動的圖 形影像。
考慮大壁虎爬行速度和分析的需要，設(shè)定高速攝像機采集速度為250幀/秒， 圖像先保存在4G的內(nèi)存空間內(nèi)，判斷試驗數(shù)據(jù)有效時才轉(zhuǎn)存到計算機的硬盤中， 提高實驗效率。通過圖像分析軟件,可以在獲得大壁虎在測力平面上的附著力的 同時，獲得關(guān)于大壁虎運動狀態(tài)下附著在各種表面上所具有的運動步態(tài)，運動速 度以及大壁虎腳掌與附著表面接觸力等數(shù)據(jù)。
用16只三維倒"T"型力傳感器組成測力陣列，并配合動態(tài)圖像的實時記錄 與處理的方法非常適用于大壁虎的運動步態(tài)及其接觸力學(xué)規(guī)律的研究。從微力傳 感器各項靜態(tài)性能指標的測定數(shù)據(jù)來看,傳感器的線性測量范圍為0 1. 5N,分 辨力為lmN,維間耦合小于O. 15%，并且具有良好的線性度、重復(fù)性。通過專門開 發(fā)的計算機應(yīng)用程序可以實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示和維間解耦處理,獲得各
點接觸力的大小和方向。透明的測力平面配合兩側(cè)可調(diào)鏡面，利用高速攝像和圖 像采集程序,獲得大壁虎運動步態(tài)的圖像數(shù)據(jù)，及時分析力學(xué)數(shù)據(jù)變化和波動的 原因?；谌S傳感器陣列的大壁虎運動測試系統(tǒng)，將為隨后進行的大壁虎接觸 力學(xué)規(guī)律的研究奠定堅實的基礎(chǔ)。
由于大壁虎體重比較大，在正、零和負表面運動時，F(xiàn)x、 Fy、 Fz、三個方向的 均有可能超過自身體重，因此要求測力傳感器每個方向的量程均必須在1.5N以 上。在某些運動狀態(tài)下，大壁虎腳掌在和附著表面接觸時力值很小，且迅速的改 變力的大小與方向，這就要求傳感器不僅要有較高的力分辨率，而且對傳感器的 動態(tài)性能有一定的要求。
在分析協(xié)調(diào)機制時，大壁虎腳掌的接觸力與其運動的步態(tài)特征有直接的關(guān) 系，單獨的分析受力特征或步態(tài)特征都不能很好的揭示內(nèi)在的協(xié)調(diào)原理，有必要 將攝像和測力同步進行。大壁虎腳掌與附著表面的接觸過程通常在很短的時間就 完成了， 一般的攝像CCD的采樣速度不能滿足實驗要求。
權(quán)利要求
1、一種動物足—面接觸反力的測試方法，實現(xiàn)對各種表面上自由運動動物足—面接觸反力的測試，其特征在于包括以下步驟步驟1選擇量程較大的3維傳感器，測定動物在各種表面自由運動狀態(tài)下的運動反力，經(jīng)多次測量選取所測最大載荷，用于確定擬用于該動物運動反力實驗的傳感器的量程范圍；步驟2選取滿足上述量程范圍的3維傳感器，測定該動物在各種表面自由運動狀態(tài)下的運動反力，經(jīng)多次測量檢查有無特征載荷，用于確定擬用于該動物運動反力實驗的傳感器的分辨率；步驟3根據(jù)步驟1、步驟2設(shè)計研制傳感器，并進行在線標定；步驟4觀測該動物的運動行為，設(shè)計對應(yīng)的測力陣列的布置形式，以便模擬該動物在不同空間位置以及不同行進方式的運動狀態(tài)；其中測力陣列由多個獨立的測力傳感器及獨立的承力片組成；步驟5設(shè)計引導(dǎo)動物通過測力傳感器的通道，并訓(xùn)練實驗動物；步驟6引導(dǎo)動物通過測力傳感器陣列通道，并利用傳感器系統(tǒng)采集反力數(shù)據(jù)，利用錄像系統(tǒng)采集動物通過測力傳感器陣列通道的畫面；步驟7利用錄像畫面在所采集的反力數(shù)據(jù)中篩選出動物全部腳掌作用在傳感器上的數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)。
2、 一種動物足一面接觸反力的測試系統(tǒng)，用于對各種表面上自由運動動物 足一面接觸反力的測試，其特征在于包括-傳感器陣列支架、安裝于傳感器陣列支架上的測力傳感器陣列、傳感器陣列 經(jīng)信號調(diào)理放大器連于計算機，還包括與測力數(shù)據(jù)實現(xiàn)同步釆集的高速攝像機；并且在測力傳感器陣列兩側(cè)安裝有兩面角度可調(diào)的鏡子，以配合高速攝像實 現(xiàn)動物運動時正面與側(cè)面的圖像采集；其中測力陣列由多個獨立的測力傳感器及獨立的承力片組成，且每個獨立的 測力傳感器整體成為倒"T"型結(jié)構(gòu)，包括垂直梁和水平梁，垂直梁上部有一個 腰形孔，下部有兩個在空間上相互垂直的"H"型通孔；水平梁上有兩個"H"型 通孔，兩孔相對于垂直梁的中心線對稱，彈性體上設(shè)計三處貼片位置各貼有一組 金屬應(yīng)變片，分別用于測量被測力的三個分量(Fx、 F" Fz)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種動物足—面接觸反力的測試方法及系統(tǒng)，屬測力技術(shù)。該方法包括以下步驟確定量程范圍及分辨率滿足要求的傳感器；傳感器標定；設(shè)計測力陣列的布置形式；設(shè)計由傳感器的組成的動物運動通道；引導(dǎo)動物通過測力傳感器通道，利用錄像畫面和在傳感器系統(tǒng)所采集的反力數(shù)據(jù)，篩選出動物全部腳掌作用在傳感器上的數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)包括傳感器陣列支架、安裝于傳感器陣列支架上的測力傳感器陣列、陣列上傳感器的應(yīng)變信號經(jīng)調(diào)理放大器連于計算機，還包括與測力數(shù)據(jù)實現(xiàn)同步采集的高速攝像機。本系統(tǒng)可以同時測量大壁虎、蜘蛛(但不局限于)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、接觸時間和運動行為等信息。
文檔編號A61B5/22GK101380235SQ200810156169
公開日2009年3月11日 申請日期2008年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月24日
發(fā)明者吉愛紅, 戴振東, 文智平, 王周義, 王金童 申請人:南京航空航天大學(xué)