[发明专利]一种三平面上昆虫行走与爬附特征测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种三平面上昆虫行走与爬附特征测量装置，属于测量生物行走与爬附特征技术领域。

背景技术

运动是动物的基本特征，是动物捕食、逃逸、生殖、迁徙等行为的基础。地面上生活的足类动物通过足掌和地面间的相互作用，实现驱动、稳定、机动等运动行为。尤其是人们常常见到苍蝇、蚂蚁、蟋蟀等昆虫在光滑的表面快速爬行，甚至能倒吊在天花板上。这吸引了生物学家的兴趣，并且开展了广泛的研究。研究发现，许多昆虫足上都有着形态各异的粘性足垫。这些足垫可迅速释放，并且通过足垫产生的爬附力控制行进和奔跑。其爬附机制显示了惊人的结构多样性和卓越的性能。同时运动行为是昆虫生物学功能的体现，评测昆虫运动行为是昆虫学研究的重要组成部分。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动物。研究昆虫和其脚掌的运动行为以及与接触表面的相互作用力，可帮助理解动物运动的规律性。为生物学家和工程师们研究动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。

传统的昆虫行为学研究主要是以直接观察和手工记录为主，存在定性武断和费时费力等诸多问题。专利申请号为200910105865.3的“关于果蝇行为实验的方法”通过LED等显示出不同色彩、图形以及运动图案来刺激果蝇，进而直接观察果蝇的行为；专利申请号为201020155828.1的“一种昆虫行为监测系统”给出了一种利用摄像机和录像装置长时间实时观测昆虫姿态变化和运动行为的装置；专利申请号为02113827.3的“动物行为视频分析系统”给出了一种测试小白鼠等动物的运动特征、运动轨迹和运动速度的测试装置；但是以上几个专利测试范围小，仅针对单一动物进行测试；不能观察到具体各个脚掌的接触状态，测试精度低；只能测试水平面上的运动行为，不能实现多角度观察的目的；不能实时观察生物足掌的接触状态和力值。专利申请号为CN200810156169.0的“动物足-面接触反力的测试方法及系统”提出了可以同时测量动物在水平面、垂直面和天花板运动时每只脚掌与附着表面间的接触反力的测试方法和系统，但是该传感器阵列布置太过繁琐，成本较高。

发明内容

由于昆虫爬行的爪、足结构不同，握持机制不同，因此对不同的粗糙度表面的爬附力不同，不同站姿的爬行稳定性也不同。这将引起昆虫在不同空间位置的爬附行为的变化。而目前自主、原位测量昆虫空间爬附行为的装置欠缺，实现三平面上昆虫爬附力测量的装置也较少。本发明的目的是提供一种三平面上昆虫行走与爬附特征测量装置，装置简单实用、精度精准，能够实现在昆虫自主状态下，数字化、自动化观察水平、竖直、悬位面上昆虫步态、足掌接触状态和昆虫爬附力测试。

为了达到上述目的，本发明提供了一种三平面上昆虫行走与爬附特征测量装置，其特征在于，包括爬鼓、振动测力机构、三位爬附力测量机构、三位固定座、侧视摄像机以及拾音器，拾音器设于爬鼓内，拾音器连接振动测力机构，三位爬附力测量机构设于三位固定座上。

优选地，所述的三平面上昆虫行走与爬附特征测量装置还包括计算机控制与数据处理系统，所述的振动测力机构包括振动应变片组，所述的三位爬附力测量机构包括拉动应变片组、步进电机以及正视摄像机，所述的拾音器包括麦克风，所述的计算机控制与数据处理系统包括与所述的拉动应变片组相连的用于采集和处理所测得力值的爬附力模块，与所述的正视摄像机相连的用于采集和分析昆虫所处位置的正视图像模块，与所述的侧视摄像机相连的用于采集和分析昆虫步态以及足掌与鼓面接触状态的侧视图像模块，与所述的振动应变片组相连的用于采集和处理所测得力值的振动测力模块，与所述的拾音器相连的用于采集和处理昆虫足掌踏附声音的爬动声模块，与所述的步进电机相连的用于驱动步进电机转动的拉动驱动模块以及与爬附力模块、正视图像模块、侧视图像模块、振动测力模块、爬动声模块和拉动驱动模块相连接的计算机。

更优选地，所述的爬鼓包括包覆架以及设于包覆架外的鼓面。所述的鼓面是指高聚物膜、皮、金属片或纸，绷紧包覆在包覆架外侧；所述的爬鼓形状为是长方体，有中腔，其中放置有拾音器。

更优选地，所述的振动测力机构包括振动悬臂梁，振动悬臂梁一端固定连接爬鼓，另一端固定在底座上，所述的振动应变片组包括粘贴在振动悬臂梁上表面、呈平行排列的两块应变片和粘贴在振动悬臂梁下表面、呈平行排列的两块应变片，四块应变片组成全桥式电路，且位置紧靠振动悬臂梁的固定在底座上的一端。