本发明专利技术提供了一种适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置和方法，所述的装置，包括测力单元、实验箱、测试箱、xy轴移动机构、z轴移动机构、转动机构和CCD成像系统。其方法是转动测试箱到所需角度，将昆虫用牵线拴于悬臂梁头端，放置到不同粗糙度爬道的试样板上，以俯视摄像和侧视摄像配合测得昆虫步态和其空间所处的位置；由y向应变片和z轴向应变片均匀排布在悬臂梁根部并组成的两个桥式电路，分别测得昆虫垂直向下和水平方向的分力，由此求得昆虫爬行时或试样台下降时的爬附力。该装置不仅实现了昆虫三维空间爬附力的无干扰测量，而且可以用于分析昆虫在测试过程中的三维空间趋向性，具有操作简便、测试干扰小、测量精准等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种，属于生物活体与表面爬附力测量
技术介绍
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。动物的运动行为是在内力作用下(肌肉力)动物与环境间相互作用的结果。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。这吸引了无数生物学家的兴趣，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。对足-面间爬附力的测试是认识动物运动规律的重要途径， 揭示动物运动的力学规律，能够知道机器人的动力学设计，提升机器人的性能，而且所获得的信息对仿生机器人设计具有重要指导意义。悬臂梁式测量装置被广泛用于动物爬附力的测量，例如专利申请号为 200510094990. O的“二维小量程力传感器”通过在方形且没有扭转的悬臂梁左右和上下两面分别粘贴2个应变片来测试垂直和水平方向的力，但是该装置最小分辨率为lmN，不能满足小型昆虫的测试要求；中国专利申请号为200510023641. x的“二维微力测量传感器”，采用弹性体悬臂结构，由相互垂直的立式弯曲梁和卧式弯曲梁组成，通过其上粘贴的应变片组成的桥式电路可以测得垂直分力和水平分力，并保证测试精度和分辨率，它的缺点在于弹性体刚度小，容易变形；固有频率低，不利于动态测试；没有过载保护结构；专利申请号为200710011275. 5的“压电薄膜悬臂链式微力传感器的微力加载装置”，解决了微牛顿级力加载的测量，但是测试量程较小，只能用于扫描力显微镜等精密测试仪器中。上述专利都与本专利技术的装置和方法不同，亦不用于昆虫爬附力的测量。近几年来有一些关于测量动物与表面间爬附力的测试装置和测试方法。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间爬附力的测力装置和测试方法，但是该测试方法制样复杂、测试步骤繁琐，而且试样台固定，只能测试垂直方向的爬附力，测试范围较小。专利申请号为CN200810156169. O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，而且只局限于测试三种特殊状态下的动物与表面接触情况。
技术实现思路
由于昆虫爬行的爪、足结构不同，握持机制不同，因此对不同粗糙度表面的爬附力不同，不同站姿的爬行稳定性也不同。这将引起昆虫对不同空间位置和粗糙度表面的适应性或喜好不同。而目前合适、客观的表征手段欠缺。本专利技术的目的是提供一种，以解决目前在此类测量上装置与方法的不足、测量复杂、低精度及对昆虫的伤害。通过扭转悬臂梁上的z向应变片和y向应变片测量垂直分力和水平分力，通过俯视摄像和侧视摄像观察昆虫所处位置和步态，以实现高精度、 数字化、自动化、多角度测量昆虫爬附力并分析昆虫对不同粗糙度表面的趋向性。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置，其特征在于，包括测力单元、实验箱、测试箱、xy轴移动机构、z轴移动机构、转动机构和CCD成像系统；实验箱设于测试箱中，实验箱连接xy轴移动机构，xy轴移动机构连接z轴移动机构,测试箱连接转动机构。优选地，所述的测力单元包括连接悬臂梁，y向应变片，z向应变片和牵线，所述的悬臂梁的前端连接牵线，所述的y向应变片包括粘贴在悬臂梁根部前面的两片顺序排列的 a应变片和粘贴在悬臂梁根部后面的两片顺序排列的b应变片，所述的z向应变片包括粘贴在悬臂梁根部上面的两片顺序排列的a应变片和粘贴在悬臂梁根部下面的两片顺序排列的b应变片。优选地，所述的实验箱包括实验箱体，实验箱体的正面开有实验门，实验箱体的内底面上粘贴有试样板，实验箱体固定连接托杆的顶端。所述的试样板可以是光滑玻璃或硅片、或者具有一定粗糙度的抛光纸等片状材料，也可以是具有不同粗糙度材料制成的如图5 所示的圆形爬道或直条型爬道；所述的实验箱体为长方体，是由透明有机玻璃或透明高聚物塑料制成。优选地，所述的测试箱包括测试箱体，测试箱体的正面开有测试门。优选地,所述的xy移动机构包括X步进电机、X螺杆、X螺母、xy架、y步进电机、y 螺杆和I螺母；所述的X步进电机连接X螺杆，X螺杆连接X螺母，所述的I步进电机连接 y螺杆，y螺杆连接I螺母，所述的xy架与χ步进电机和y螺母固接且与χ螺杆转动连接。优选地,所述的ζ轴移动机构包括ζ步进电机、ζ螺杆、ζ螺母和zy架；所述的ζ步进电机连接ζ螺杆，ζ螺杆连接ζ螺母，ζ螺母固定连接zy架。优选地,所述的转动机构包括r步进电机和与r步进电机连接的转动轴,所述的转动轴与测试箱两端固接。优选地，所述的CCD成像系统包括固定在测试箱内壁上的俯视摄像机、侧视摄像机和投影光源。优选地，所述的适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置还包括数据处理与控制系统，所述的数据处理与控制系统包括计算机，计算机连接测力模块、图像分析模块和驱动控制模块，所述的测力单元包括y向应变片和ζ向应变片，所述的xy移动机构包括χ步进电机和I步进电机，所述的ζ轴移动机构包括ζ步进电机,所述的转动机构包括r 步进电机，所述的CCD成像系统包括俯视摄像机、侧视摄像机和投影光源，所述的测力模块连接y向应变片和ζ向应变片,所述的图像分析模块连接俯视摄像机和侧视摄像机,所述的驱动控制模块连接χ步进电机、y步进电机、ζ步进电机、r步进电机和投影光源。本专利技术还提供了一种适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量方法，采用上述的适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置，具体步骤为第一步将昆虫连接测力单元并置于实验箱内；第二步以所述的测力单元和CCD成像系统观测昆虫自由爬行时的爬附力及其步态；将实验箱下移时测昆虫的爬附力；或快速水平移动实验箱测昆虫的步态失衡速度和爬附力；所述的步态是指昆虫爬行的步姿和触地脚数；所述的失衡是指昆虫的侧翻或滚动；第三步计算昆虫的爬附力。所述的适于昆虫多姿态和不同爬道爬行的爬附力测量装置，测试过程中是昆虫的自主行为，故可用于昆虫及壁虎、树蛙等小型动物爬附力的测量。由于采用了上述的技术方案，本专利技术与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果(a)由于是悬臂梁式的应变片测量，其适用对象的范围更广，能够测量在不同种类昆虫活体，如蝇类、蟋蟀、甲虫或蚂蚁等与不同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；(b)需要测试不同空间位置昆虫爬附特征时，不要换台，简化操作， 避免昆虫损伤和生理生命状态变化；(c)既可以测量昆虫自主状态下的爬附力，又可以测试昆虫在任意空间状态下的爬附力，以及昆虫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)测试过程实现了数字化、自动化、而且测试昆虫自主行为，故该装置干扰小，测量精准，重现性好。附图说明图I是悬臂梁式昆虫爬附力测量装置的主视图；图2是悬臂梁式昆虫爬附力测量装置的俯视图；图3是y，ζ向a，b本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：于伟东，崔瑞国，刘洪玲，杜赵群，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：
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