离心式昆虫或昆虫以外的小型动物爬附力及步态测量装置与测量方法

1.一种离心式昆虫或昆虫以外的小型动物爬附力及步态测量装置，其特征在于，包括转动离心机构（1）、滑块升降机构（2）、双滑块缩放机构（3）、遥感CCD摄像机构和实验舱（5）；实验舱（5）内设有遥感CCD摄像机构，实验舱（5）固定连接由滑块升降机构（2）驱动的双滑块缩放机构（3），双滑块缩放机构（3）可滑动地连接转动离心机构（1）；所述的转动离心机构（1）包括由离心步进电机（11）驱动的转动轴（12），转动轴（12）固定连接平移轨道（13）；所述的滑块升降机构（2）包括由升降步进电机（21）驱动的螺杆（22），螺杆（22）连接螺母（23），螺母（23）固定连接升降连杆（24）；所述的双滑块缩放机构（3）包括升降滑块（31）、平移滑块（32）以及连杆（33），升降滑块（31）和平移滑块（32）通过铰链分别连接连杆（33）的两端，平移滑块（32）固定连接实验舱（5）。
2.如权利要求1所述的离心式昆虫或昆虫以外的小型动物爬附力及步态测量装置，其特征在于，所述的遥感CCD摄像器（4）包括俯视摄像器（41），内侧视摄像器（42）和外侧视摄像器（43）。
3.如权利要求1所述的离心式昆虫或昆虫以外的小型动物爬附力及步态测量装置，其特征在于，所述的实验舱（5）包括流线型舱体（51）以及舱门（52），流线型舱体（51）内设有实验板（53）、隔墙（54）、照明光源（55）和充电插口（56）。
4.如权利要求1所述的离心式昆虫或昆虫以外的小型动物爬附力及步态测量装置，其特征在于，所述的离心式昆虫或昆虫以外的小型动物爬附力及步态测量装置还包括计算机控制与数据处理系统，所述的计算机控制与数据处理系统包括计算机（61），计算机（61）连接图像分析模块（62）和驱动控制模块（63），所述的遥感CCD摄像器（4）包括俯视摄像器（41），内侧视摄像器（42）和外侧视摄像器（43），所述的实验舱（5）内设有照明光源（55），所述的图像分析模块（62）连接俯视摄像器（41），内侧视摄像器（42）和外侧视摄像器（43），所述的驱动控制模块（63）连接离心步进电机（11）、升降步进电机（21）和照明光源（55）。
5.一种离心式昆虫或昆虫以外的小型动物爬附力及步态测量方法，其特征在于，采用权利要求1所述的离心式昆虫或昆虫以外的小型动物爬附力及步态测量装置，具体步骤为：
第一步：取一只昆虫或昆虫以外的小型动物，称其重量mi并将其置于实验舱（5）内，关闭实验舱（5）开始实验；
第二步：通过转动离心机构（1）驱动实验舱（5）以恒速或变速转动，或同时通过滑块升降机构（2）和双滑块缩放机构（3）驱动实验舱（5）左右移动；同时观察实验舱（5）内昆虫或昆虫以外的小型动物的步态和接触状态，待昆虫或昆虫以外的小型动物发生滑动、滚动或跌落时停止实验；
第三步：计算昆虫或昆虫以外的小型动物爬附力F，并分析昆虫或昆虫以外的小型动物在实验过程中的步态。

离心式昆虫或昆虫以外的小型动物爬附力及步态测量装置\n与测量方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种离心式昆虫与其它小型动物爬附力及步态测量装置与方法，属于生物爬附力测试和运动行为研究领域。\n背景技术\n[0002] 目前研制的仿生机器人在运动的平稳性、灵活性、环境适应性及能源利用效率等方面远远落后于生物。生物通过摩擦、吸附等作用牢牢的爬附于接触表面，其快速的爬、脱附能力是生物捕食、逃逸、生殖、繁衍等行为的基础。爬行过程中与接触面间的附着机制及步态是仿生学的重要分支。昆虫是地球上的原始物种，在地球上已经存在了三十多亿年，他们已经进化成为最能适应生存环境的生物，对其进行研究也最具有代表性。研究蚂蚁、蜘蛛等昆虫在各种表面（水平面、竖直面、天花板）上运动时脚掌的运动行为以及爬附力，可帮助理解生物运动的规律性。为生物学家和工程师们研究生物时的爬附机制提供有价值的线索，同时为仿生机器人的机构设计、步态规划和控制系统设计、进一步提高特种仿生机器人（特别是爬壁机器人）和其他复杂系统的性能提供指导和借鉴。\n[0003] 近几年国内开发了一些生物爬附力的测量装置，也可以用于昆虫的测试。例如专利申请号为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爬附力的测力装置和测试方法，但是该测试装置只能测试生物活体垂直脱附接触表面时的法向爬附力，同时测试方法制样复杂、测试步骤繁琐。对于利用电子传感器进行感应的测试装置，由于电子传感器在测试过程中交易受到外界环境（如电流、温湿度等）的影响，且测试量程交小，容易造成超过测试量程而损坏的现象。如专利申请号为CN200810156169.0的“生物足-面接触反力的测试方法及系统”提出了可以同时测量生物在水平面、垂直面和天花板运动时每只脚掌与附着表面间爬附力力的测试方法和系统，但是该传感器阵列布置太过繁琐，成本高，而且无法测量生物最大接触爬附力。上述专利都与本发明的装置和方法不同，而且仅限于几种昆虫的爬附力测量，测试范围小。\n[0004] 对于利用离心作用测试昆虫爬附力的装置。例如德国的Walter Federle等人在\n2003年杂志《The Journal of Experimental Biology》第206卷“Biomechanics of ant adhesive pads: frictional forces are rate- and temperature- dependent”一文中首次给出了用离心分离技术来测量蚂蚁的水平和垂直爬附力的测试装置，该装置通过电机驱动转盘旋转来测量蚂蚁在水平面上的爬附力，目测蚂蚁的接触状态，测试误差大、不精确；\n国内周群等人在同济大学学报2008年第36卷《蚂蚁附着力的测试及ANSYS分析》也给出了一种离心式基于高速图像反馈的爬附力测试平台，但是该装置通过电机带动实验平台转动，同时通过摄像机观察整个实验过程，能够测试蚂蚁在水平面和垂直面上的爬附力；以上两个专利都不能测试昆虫在悬位时的爬附力值，精确度不高，无法用于研究昆虫在实验过程中的步态。\n发明内容\n[0005] 由于昆虫与其它小型动物爬行的爪、足结构不同，握持机制不同，因此在平位、竖位和悬位三种状态下其步态和产生的爬附力值也不同，而目前对于昆虫与其它小型动物步态的研究还较少，对于昆虫与其它小型动物在三种状态下爬附力值的研究更是欠缺。本发明的目的就是提供一种离心式昆虫与其它小型动物爬附力及步态测量装置与方法，实现能够观察昆虫与其它小型动物在平位、竖位和悬位三种状态下的步态，同时得到其最大爬附力值。\n[0006] 为了达到上述目的，本发明提供了一种离心式昆虫与其它小型动物爬附力及步态测量装置，其特征在于，包括转动离心机构、滑块升降机构、双滑块缩放机构、遥感CCD摄像机构和实验舱；实验舱内设有遥感CCD摄像机构，实验舱固定连接由滑块升降机构驱动的双滑块缩放机构，双滑块缩放机构可滑动地连接转动离心机构；所述的转动离心机构包括由离心步进电机驱动的转动轴，转动轴固定连接平移轨道；所述的滑块升降机构包括由升降步进电机驱动的螺杆，螺杆连接螺母，螺母固定连接升降连杆；所述的双滑块缩放机构包括升降滑块、平移滑块以及连杆，升降滑块和平移滑块通过铰链分别连接连杆的两端，平移滑块固定连接实验舱。\n[0007] 优选地，所述的遥感CCD摄像器4包括俯视摄像器，内侧视摄像器和外侧视摄像器。\n[0008] 优选地，所述的实验舱包括流线型舱体以及舱门，流线型舱体内设有实验板、隔墙、照明光源和充电插口。实验板可以粘贴在流线型舱体的顶面、底面或侧面上，其材料可以是硅片、玻璃、抛光纸等。\n[0009] 优选地，所述的离心式昆虫与其它小型动物爬附力及步态测量装置还包括计算机控制与数据处理系统，所述的计算机控制与数据处理系统包括计算机，计算机连接图像分析模块和驱动控制模块，所述的遥感CCD摄像器包括俯视摄像器，内侧视摄像器和外侧视摄像器，所述的实验舱内设有照明光源，所述的图像分析模块连接俯视摄像器，内侧视摄像器和外侧视摄像器，所述的驱动控制模块连接离心步进电机、升降步进电机和照明光源。\n[0010] 本发明还提供了一种离心式昆虫与其它小型动物爬附力及步态测量方法，其特征在于，采用上述的离心式昆虫与其它小型动物爬附力及步态测量装置，具体步骤为：\n[0011] 第一步：取一只昆虫或其它小型动物（若有翅膀（或跳足）且能够飞行（或跳跃），则将其粘在一起（或用夹子夹住）以使其不能飞行（或跳跃）），称其重量mi并将其置于实验舱内，关闭实验舱开始实验；\n[0012] 第二步：通过转动离心机构驱动实验舱以恒速或变速转动，或同时通过滑块升降机构和双滑块缩放机构驱动实验舱左右移动；同时观察实验舱内昆虫或其它小型动物的步态和接触状态，待昆虫或其它小型动物发生滑动、滚动或跌落时停止实验；\n[0013] 第三步：计算昆虫或小型动物爬附力F，并分析昆虫或其它小型动物在实验过程中的步态。\n[0014] 本发明装置不仅可以用于昆虫爬附力和步态的测试，也可用于壁虎、树蛙等小型动物爬附力及步态的测试。\n[0015] 由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：（a）测试过程实现了高精度、数字化、自动化、启动和变速平稳、而且测试昆虫自主行为，故该装置干扰小、数据重现性好；（b）测试时，对昆虫活体试样的处理简单，对于不会飞行或跳跃的昆虫直接进行实验，实验速度快、成本低；（c）既可以测量昆虫的爬附力，又可以观察其在整个实验过程中的步态和脚掌的接触足数和状态，故可以用于研究昆虫的运动行为和脚掌功能；（d）使测量对象的范围更广，既能够测量在不同种类昆虫活体，如蝇类、蟋蟀、甲虫或蚂蚁等与粗糙表面间的爬附力，也可以用于壁虎、树蛙等小型动物的爬附力研究；\n附图说明\n[0016] 图1是离心式的昆虫爬附力及步态测量装置的主视图；\n[0017] 图2是离心式的昆虫爬附力及步态测量装置的俯视图；\n[0018] 图3是计算机控制与数据处理系统图；\n[0019] 图4是平移滑块和平移轨道连接方式的正视图（a）、侧视图（b）和俯视图（c）；\n[0020] 图5是实验舱的立体图；\n[0021] 图中，1-转动离心机构，其包括11-离心步进电机；12-转动轴；13-平移轨道；\n[0022] 2-滑块升降机构，其包括21-升降步进电机；22-螺杆；23-螺母；24-升降连杆；\n[0023] 3-双滑块缩放机构，其包括31-升降滑块；32-平移滑块；33-连杆；\n[0024] 遥感CCD摄像器，包括41-俯视摄像器；42-内侧视摄像器；43-外侧视摄像器；\n[0025] 5-实验舱，其包括51-流线型舱体；52-舱门；53-实验板；54-隔墙；55-照明光源；56-充电插口；\n[0026] 计算机控制与数据处理系统，包括61-计算机；62-图像分析模块；63-驱动控制模块。\n具体实施方式\n[0027] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。\n[0028] 实施例1\n[0029] 一种离心式昆虫与其它小型动物爬附力及步态测量装置，如图1和图2所示,包括转动离心机构1、滑块升降机构2、双滑块缩放机构3、遥感CCD摄像机构和实验舱5；实验舱5内设有遥感CCD摄像机构，实验舱5固定连接由滑块升降机构2驱动的双滑块缩放机构3，双滑块缩放机构3可滑动地连接转动离心机构1。所述的转动离心机构1用于带动测试昆虫以恒定或变角速度旋转，滑块升降机构2用于驱动双滑块缩放机构3运动，双滑块缩放机构3用于改变转动半径，实验舱5用于放置测试昆虫或小型动物，遥感CCD摄像机构用于观察昆虫整个实验过程。\n[0030] 所述的转动离心机构1包括由离心步进电机11驱动的转动轴12，转动轴12固定连接平移轨道13。离心步进电机11带动转动轴12转动，继而带动与转动轴12焊接在一起的平移轨道13、平移滑块32、实验舱5以恒定或变角速度的转动。平移轨道13的尺寸为\n20cm×2cm×2cm，离心步进电机11的转动轴12直径为1cm。\n[0031] 所述的滑块升降机构2包括由升降步进电机21驱动的螺杆22，螺杆22连接螺母\n23，螺母23固定连接升降连杆24。升降步进电机21带动螺杆22同步转动，继而带动螺母\n23且与螺母23固接在一起的升降连杆24、与升降连杆24固接在一起的升降滑块31的上升或下降；所述的升降步进电机21正转（或反转）带动螺母23上升（或下降）。螺杆22和螺母23的型号为M16，螺距为0.1cm。\n[0032] 所述的双滑块缩放机构3包括升降滑块31、平移滑块32以及连杆33，升降滑块31和平移滑块32通过铰链分别连接连杆33的两端，平移滑块32固定连接实验舱5。所述的升降滑块31为空心圆柱体，内径为1cm,外径为1.5cm，长度为5cm，活套在转动轴12上；如图4所示,所述的平移滑块32活套于平移轨道13上，其尺寸为5cm×2cm×2cm的内卷边槽型钢。\n[0033] 所述的遥感CCD摄像器4包括俯视摄像器41，内侧视摄像器42和外侧视摄像器\n43。所述的俯视摄像器41位于实验舱5顶部的偏后方，便于观察竖直面上的昆虫步态；同样所述的内侧视摄像器42位于实验舱5侧面的偏高位，便于观察天花板上的昆虫步态；同样所述的外侧视摄像器43位于实验舱5另一侧面的偏低位，便于观察水平面上的昆虫步态。摄像器的参数为100帧/s。\n[0034] 所述的实验舱5，如图5所示，包括流线型舱体51以及舱门52，流线型舱体51内设有实验板53、隔墙54、照明光源55和充电插口56。实验板53用于放置昆虫，舱门52通过铰链与流线型舱体51连接，且安有把手，可以方便的开启与关闭；实验舱5内部装有可充放电的电池，通过充电插口56为遥感CCD摄像器4和照明光源55提供电源。实验舱的尺寸为10cm×15cm×10cm，隔墙尺寸为10cm×10cm，舱门尺寸为12cm×8cm。\n[0035] 所述的离心式昆虫与其它小型动物爬附力及步态测量装置还包括计算机控制与数据处理系统，如图3所示,所述的计算机控制与数据处理系统包括计算机61，计算机61连接图像分析模块62和驱动控制模块63，所述的图像分析模块62连接俯视摄像器41，内侧视摄像器42和外侧视摄像器43，所述的驱动控制模块63连接离心步进电机11、升降步进电机21和照明光源55。图像分析模块62用于采集与分析昆虫步态，驱动控制模块63用于控制离心步进电机11和升降步进电机21运动和照明光源55亮度；所述的驱动控制模块\n63所需要的控制信号通过计算机61产生，控制信号包括：驱动脉冲、方向控制、全/半角控制，利用计算机61上的对外输出数据线可方便的产生。\n[0036] 使用上述离心式昆虫与其它小型动物爬附力及步态测量装置进行离心式昆虫与其它小型动物爬附力及步态测量的具体步骤为：\n[0037] 步骤1：打开计算机61，开启俯视摄像器41、内侧视摄像器42、外侧视摄影器43和照明光源55，同时开启升降步进电机21以10r/min的速度反转，驱动实验舱5向左运动到转轴12处；\n[0038] 步骤2：打开实验舱5的舱门52，取将要测试的实验板53，裁剪成5cm×10cm大小，反面用双面胶粘到流线型舱体51的底面、侧面或顶面上，之后取一只将要测试的昆虫或小型动物，若有翅膀（或跳足）且能够飞行（或跳跃），则将其粘在一起（或用夹子夹住）以使其不能飞行（或跳跃），称其重量为mi并将其放在实验板53上，而后关闭舱门52开始实验；\n[0039] 步骤3：通过计算机61设定步进电机的转向和转速，离心步进电机11和升降步进电机21以等速转动或变速转动，驱动实验舱5转动的同时平移，同时观察实验舱5内昆虫或小型动物的步态和接触状态，待昆虫发生滑动、滚动或跌落时停止实验，记录此时离心步进电机的转速n；\n[0040] 步骤4：根据式（1）计算昆虫或小型动物的爬附力值F，并将数据保存存储到计算机61中；\n[0041] （1）\n[0042] 式中，n为离心步进电机的转速，r为实验舱5左侧面与转动轴12的水平距离，d为昆虫或小型动物的质心距离实验舱5左侧面的距离。\n[0043] 步骤5：重复步骤1-步骤4，测试20次，并对测试结果取平均值，关闭离心步进电机11、升降步进电机21、俯视摄像器41、内侧视摄像器42和外侧视摄像器43，打开实验舱\n5的舱门51，取出昆虫，关闭实验舱5的舱门51和照明光源55，关闭计算机61。\n[0044] 实施例2\n[0045] 使用实施例1所述的离心式昆虫与其它小型动物爬附力及步态测量装置，以蚂蚁活体作为待测昆虫，以颗粒大小为5μm的二氧化硅抛光纸作为实验板53，测试其爬附力。\n具体步骤为：\n[0046] 步骤1：打开计算机61，开启俯视摄像器41、内侧视摄像器42、外侧视摄影器43和照明光源55，同时开启升降步进电机21以10r/min的速度反转，驱动实验舱5向左运动到转轴12处；\n[0047] 步骤2：打开实验舱5的舱门52，取将要测试的实验板53，裁剪成5cm×10cm大小，反面用双面胶粘到流线型舱体51的底面上，之后取一只待测昆虫，称其重量为mi并将其放在实验板53上，而后关闭舱门52开始实验；\n[0048] 步骤3：首先转动升降步进电机21使实验舱5复位（回到近转动轴12一侧），通过计算机61设定步进电机的转向和转速，离心步进电机11和升降步进电机21以等速转动，驱动实验舱5转动的同时平移，同时观察实验舱5内昆虫的步态和接触状态，待昆虫发生滑动、滚动或跌落时停止实验，记录此时离心步进电机的转速n；\n[0049] 步骤4：根据式（1）计算昆虫爬附力值F，并将数据保存存储到计算机61中；\n[0050] （1）\n[0051] 式中，n为离心步进电机11的转速，r为实验舱5左侧面与转动轴12的水平距离，d为昆虫质心距离实验舱5左侧面的距离。\n[0052] 步骤5：重复步骤1-步骤4，测试20次，并对测试结果取平均值，关闭离心步进电机11、升降步进电机21、俯视摄像器41、内侧视摄像器42和外侧视摄像器43，打开实验舱\n5的舱门51，取出昆虫，关闭实验舱5的舱门51和照明光源55，关闭计算机61。具体参数设置和实验结果如表1所示。\n[0053] 实施例3\n[0054] 使用实施例1所述的离心式昆虫与其它小型动物爬附力及步态测量装置，以苍蝇活体作为待测昆虫，以颗粒大小为10μm的二氧化硅抛光纸作为实验板53，测试其爬附力。\n具体步骤为：\n[0055] 步骤1：打开计算机61，开启俯视摄像器41、内侧视摄像器42、外侧视摄影器43和照明光源55，同时开启升降步进电机21以10r/min的速度反转，驱动实验舱5向左运动到转轴12处；\n[0056] 步骤2：打开实验舱5的舱门52，取将要测试的实验板53，裁剪成5cm×10cm大小，反面用双面胶粘到流线型舱体51的顶面上，之后取一只待测昆虫，用胶水将苍蝇的翅膀粘在一起，使其不能飞行，称其重量为mi并将其放在实验板53上，而后关闭舱门52开始实验；\n[0057] 步骤3：首先转动升降步进电机21使实验舱5复位（回到近转动轴12一侧），通过计算机61设定步进电机的转向和转速，离心步进电机11和升降步进电机21以等速转动，驱动实验舱5转动的同时平移，同时观察实验舱5内昆虫的步态和接触状态，待昆虫发生滑动、滚动或跌落时停止实验，记录此时离心步进电机的转速n；\n[0058] 步骤4：根据式（1）计算昆虫爬附力值F，并将数据保存存储到计算机61中；\n[0059] （1）\n[0060] 式中，n为离心步进电机11的转速，r为实验舱5左侧面与转动轴12的水平距离，d为昆虫质心距离实验舱5左侧面的距离。\n[0061] 步骤5：重复步骤1-步骤4，测试20次，并对测试结果取平均值，关闭离心步进电机11、升降步进电机21、俯视摄像器41、内侧视摄像器42和外侧视摄像器43，打开实验舱\n5的舱门51，取出昆虫，关闭实验舱5的舱门51和照明光源55，关闭计算机61。具体参数设置和实验结果如表1所示。\n[0062] 实施例4\n[0063] 使用实施例1所述的离心式昆虫与其它小型动物爬附力及步态测量装置，以壁虎活体作为待测小型动物，以玻璃板作为实验板53，测试其爬附力。具体步骤为：\n[0064] 步骤1：打开计算机61，开启俯视摄像器41、内侧视摄像器42、外侧视摄影器43和照明光源55，同时开启升降步进电机21以10r/min的速度反转，驱动实验舱5向左运动到转轴12处；\n[0065] 步骤2：打开实验舱5的舱门52，取将要测试的实验板53，裁剪成5cm×10cm大小，反面用双面胶粘到流线型舱体51的侧面上，之后取一只待测小型动物，称其重量为mi并将其放在实验板53上，而后关闭舱门52开始实验；\n[0066] 步骤3：首先转动升降步进电机21使实验舱5复位（回到近转动轴12一侧），通过计算机61设定步进电机的转向和转速，离心步进电机11和升降步进电机21以等速转动，驱动实验舱5转动的同时平移，同时观察实验舱5内小型动物的步态和接触状态，待小型动物发生滑动、滚动或跌落时停止实验，记录此时离心步进电机的转速n；\n[0067] 步骤4：根据式（1）计算小型动物爬附力值F，并将数据保存存储到计算机61中；\n[0068] （1）\n[0069] 式中，n为离心步进电机11的转速，r为实验舱5左侧面与转动轴12的水平距离，d为小型动物质心距离实验舱5左侧面的距离。\n[0070] 步骤5：重复步骤1-步骤4，测试20次，并对测试结果取平均值，关闭离心步进电机11、升降步进电机21、俯视摄像器41、内侧视摄像器42和外侧视摄像器43，打开实验舱\n5的舱门51，取出小型动物，关闭实验舱5的舱门51和照明光源55，关闭计算机61。具体参数设置和实验结果如表1所示。\n[0071] 表1 具体实施例实验参数及测试结果\n[0072] \n[0073] 注：转速为负值表示电机反转。