動(dòng)物運動(dòng)力學(xué)測試系統

2006年第25卷第12期傳感器與微系統( Transducer and Microsystem Technologies)動(dòng)物運動(dòng)力學(xué)測試系統吉愛(ài)紅12,戴振東,顏化冰2,周來(lái)水2(1.南京航空航天大學(xué)高新技術(shù)研究院江蘇南京210016;2.南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院江蘇南京210016)摘要:研究蜘蛛、昆蟲(chóng)等微小動(dòng)物在地面、墻面、天花板等不同表面的光滑或粗糙狀況下自如運動(dòng)時(shí)的附著(zhù)機理,可以為特種仿生機器人的研究提供理論依據。研制了動(dòng)物運動(dòng)力學(xué)測試系統,包括由16只三維微牛級力傳感器組成的傳感器測試陣列:48通道的信號放大、調理以及數據采集與處理;動(dòng)態(tài)圖像的放大、記錄與分析等。該系統在仿生學(xué)的研究中有很大的應用價(jià)值,是了解和深人認識動(dòng)物運動(dòng)步態(tài)及其接觸力學(xué)規律的重要手段關(guān)鍵詞:仿生;附著(zhù);傳感器;測試中圖分類(lèi)號:Q66文獻標識碼:B文章編號:1000-9787(2006)12-0059-03Study on animals locomotive mechanics measurement systemJI Ai-hong,,DAI Zhen-dong, YAN Hua-bing, ZHOU Lai-shui(1. Institute of Bio-inspired Structure and Surface Engineering, Nanjing University of Aeronautics andAstronautics, Nanjing 210016, China2. College of Mechanical and Electronic Engineering, Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsNanjing 210016, ChinAbstract: Small animals such as spider, insects, et al. have the exellent ability to adhere to surfaces when walkingupright, climbing vertically and walking on an inverted surface. By studying the target surface-foot reaction forcesgenerated by insects onunderstand adhesion mechanism and locomotion dynamics. Ananimals locomotive mechanics measurement system is composed of a sensor-array with 16 sensors of 3-D micro-force, 48 channels signal amplification, data acquisition and processing and dynamic images manipulation. Theystem is of great importance in bionics field. The system is widely used to study creatures locomotive gait andadhesion mechanismKey words: creature biomimetic; adhesion; sensor; measure狀況下自如運動(dòng)時(shí)的附著(zhù)機理,研制了動(dòng)物運動(dòng)力學(xué)測試在35億年的生命進(jìn)化過(guò)程中,生物體發(fā)展了靈巧的運系統。該測試系統包括三維微力傳感器陣列,可測得爬壁動(dòng)機構和機敏的運動(dòng)模式,這成為仿生機器人發(fā)展取之不生物在不同位置表面爬行過(guò)程中,其腳掌與表面各個(gè)接觸盡的知識源泉。2000年,美國的 Autumn等人利用微機電點(diǎn)之間微小的三維接觸力;并配合攝像和圖像處理的方法系統(MEMS)技術(shù)制作的二維微牛級壓阻式傳感器研究了在測力的同時(shí)獲生物在爬行或附著(zhù)時(shí)的直觀(guān)的影像資料大壁虎( Gekko gecko)單個(gè)剛毛的粘附力,從而通過(guò)實(shí)驗證為了解和深人認識生物運動(dòng)步態(tài)及其接觸力學(xué)規律的提供明:該接觸力的大小的確在分子間作用力作用范圍內3。重要手段。德國馬普學(xué)會(huì )的Corb等人對類(lèi)似壁虎、蒼蠅這類(lèi)爬壁生物1動(dòng)物運動(dòng)力學(xué)測試系統在各種表面上的附著(zhù)機制已經(jīng)有了相當的研究-。但中國科學(xué)院合肥智能機械研究所研制的多功能類(lèi)皮膚是,生物與壁面間基于分子間的附著(zhù)力的產(chǎn)生機理;附著(zhù)壁觸覺(jué)傳感器陣列是基于MEMS技術(shù)制作的可定量獲取面時(shí)各個(gè)腿之間的力是如何調節的以及腳掌上各個(gè)腳趾是三A∽又陣餡譽(yù)桂感器。能夠實(shí)現接觸如何配合的等問(wèn)題目前還不清楚。為了研究蜘蛛、昆蟲(chóng)等分中國煤某化二能的數據測試。但生物在地面、墻壁、天花板等不同表面的光滑或粗糙CNMHG適合用來(lái)作為蜘蛛收稿日期:2006-08-1基金項目:國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項目(60535020)60傳感器與微系統第25卷蟲(chóng)的測力用傳感器陣列。本文研究的動(dòng)物運動(dòng)力學(xué)測試系測力陣列一起布置在一個(gè)金屬罩內。該金屬罩在保護測力統可以研究蜘蛛、昆蟲(chóng)等微小動(dòng)物在正表面、零表面、負表陣列的同時(shí)起到屏蔽外界電磁干擾作用。面等不同的表面的光滑或粗糙狀況下自如運動(dòng)時(shí)的運動(dòng)步4數據采集與處理態(tài),從而了解生物運動(dòng)姿態(tài)及其接觸力學(xué)規律測力系統的數據采集及控制硬件采用了ADⅤ ANTECH動(dòng)物運動(dòng)力學(xué)測試系統包括由16只三維微牛級力傳公司的2塊PCI-1713數據采集卡。每張采集卡分別具有感器組成的傳感器陣列;48通道的信號放大、調理以及數32個(gè)獨立的輸入通道,均為12位精度,可分別設置成32個(gè)據采集與處理;基于LabⅤEW平臺開(kāi)發(fā)的一套實(shí)驗測試軟單端輸入和16個(gè)差分輸入,測量范圍為-10~10V;該卡件;動(dòng)態(tài)圖像的放大記錄與分析等。采用自動(dòng)通道增益掃描電路,用于在多通道采樣時(shí)對各個(gè)傳感器陣列通道及其增益進(jìn)行配置,滿(mǎn)足多通道同步采樣的要求。數傳感器陣列由16只相同的微牛級測力傳感器按照據處理軟件平臺采用的是美國N公司的 LabVIEW系統定的規則排列而成。測力傳感器由金屬彈性體(硬鋁合根據48通道數據采集的智能化要求,開(kāi)發(fā)了一套基于Lb金)、有機玻璃懸臂梁、測力片(有機玻璃)以及粘貼在彈性VEW的測力陣列數據采集與處理專(zhuān)用程序。程序包括初體上半導體應變計組成,如圖1所示。在倒“L”型彈性體始化模塊、數據掃描模塊、信號解耦合模塊、有效數據判斷上設計三處貼片位置(AB,C)貼有三組半導體應變計,分模塊圖形、顯示模塊、數據存儲模塊等6個(gè)模塊。別用于測量被測力的3個(gè)分量(F,F,F)。當傳感器右端動(dòng)態(tài)圖像的放大記錄與分析的測力片(有機玻璃片)上有力的作用時(shí),通過(guò)三處應變計為了在獲得三維力大小方向數據的同時(shí),對接觸的過(guò)的電阻的變化以及維間的解耦,可以計算出該力在x,y,程進(jìn)行觀(guān)察和攝像,該測力陣列設計成了透明的陣列。透3個(gè)方向的分力,從而通過(guò)力的合成可以計算出該力的大小明的部分即傳感器的測力片和懸臂梁。傳感器測力片由有和作用方向”。傳感器的線(xiàn)性測量范圍為100-100uN,機玻璃制成,6只測力片組成傳感器陣列的透明的測力平分辨力為100μN。16只測力片作為模擬接觸表面位于同面,測力平面的大小為16mmx16mm。顯微鏡的鏡頭可以一個(gè)平面內,可以滿(mǎn)足測量蜘蛛、昆蟲(chóng)等六足微小動(dòng)物爬伸進(jìn)由16只懸臂梁式傳感器圍成的空腔內,攝像用CCD行、附著(zhù)時(shí)的多點(diǎn)接觸力,如圖2。安裝在顯微鏡上,蜘蛛、昆蟲(chóng)等微小動(dòng)物在測力片上的運動(dòng)步態(tài)可以通過(guò)顯微鏡光學(xué)放大后,由CCD實(shí)時(shí)記錄下來(lái)B有機玻璃梁測力片CCD的圖像采集速度可以達到24幀/秒。通過(guò)圖像分析軟單性體件,可以在獲得生物在測力平面上的附著(zhù)力的同時(shí)獲得關(guān)于生物運動(dòng)狀態(tài)下附著(zhù)在各種壁面上所具有的運動(dòng)步態(tài)。6傳慼器標定圖1傳感器結構傳感器測力陣列由16只微牛級傳感器組成。由于制Fig 1 Structure diagram of force sensor造工藝的影響,每個(gè)傳感器的性能不盡相同,因此,需要對每一個(gè)傳感器的主要的性能(如,線(xiàn)性度、重復性等)指標做標定。對三維微力傳感器的設計而言除要考慮傳統力學(xué)量傳感器的動(dòng)力學(xué)性能和靜態(tài)標定指標等特性外,還要對其各維靈敏度及維間耦合系數等指標予以充分考慮。圖1中,當測力片受到沿z方向的力F作用時(shí),傳感器的B,C圖2測力陣列及其信號放大電路處的應變計會(huì )產(chǎn)生彎曲變形;當測力片受到沿y方向的力Fig 2 Sensors array and signal amplifying circuiF,作用時(shí),傳感器的A處的應變計會(huì )產(chǎn)生彎曲變形;當測3信號放大電路力片受到沿x方向的力F作用時(shí),傳感器的A處的應變計維傳感器上的應變計的阻值變化變成電壓變化的輸會(huì )產(chǎn)生彎曲變形。即從理論上分析在C處存在沿x,z兩個(gè)出,采用應變計橋式電路。電橋電壓輸出值非常微小,采用方向的力的耦合。實(shí)際應用中,由于彈性體的加工、貼片工信號放大電路進(jìn)行放大。每一個(gè)傳感器上有3對應變計,藝等中國煤化工個(gè)方向上的作用力16只傳感器(共48通道)的信號放大采用了4張12通道對A信號放大電路板。信號放大采用的AD624高精度放大器維間口CNMHG的影響,因此存在即棚山也L舊號經(jīng)放大、濾波,計算根據模擬施加載荷后傳感器的輸出信號大小,選擇了放大機采集得到的輸出電壓向量U與力向量F的關(guān)系應該為500倍的增益。4張放大電路卡安裝在測力陣列的周?chē)?和=CF,即第12期吉愛(ài)紅等:動(dòng)物運動(dòng)力學(xué)測試系統CCC處理的方法非常適用于微小動(dòng)物的運動(dòng)步態(tài)及其接觸力學(xué)U,=C, C CIF,規律的研究。從微力傳感器各項靜態(tài)性能指標的測定數據CCC來(lái)看,傳感器的線(xiàn)性測量范圍為100-10000gN,分辨力為式中C為解耦系數矩陣,元素C的物理意義是在y方向100μN,并且,具有良好的線(xiàn)性度、重復性。通過(guò)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的計算機應用程序可以實(shí)現多路數據采集、數據顯示和維加單位載荷力,在x方向上的電壓輸出值。解耦系數矩陣間解耦處理,獲得各點(diǎn)接觸力的大小和方向。透明的陣列加x,y可以通過(guò)標定獲得。在傳感器的測力片上分別施加x,y,z三個(gè)方向已知大小和方向的作用力,傳感器A,B,C組成的測力平面配合攝像的方法,可以在獲得數據信息的同時(shí),及時(shí)分析數據變化和波動(dòng)的原因。生物附著(zhù)力測試處的應變計受到彎矩的作用后橋路輸出電壓經(jīng)過(guò)計算機采系統的研制成功將為隨后進(jìn)行的蜘蛛、昆蟲(chóng)等生物的接集。由A,B,C處輸出電壓與已知作用力的關(guān)系可以得到力學(xué)規律的研究奠定堅實(shí)的基礎9條輸出特性曲線(xiàn),從而得到傳感器的解耦系數矩陣C將解耦系數矩陣C求逆,即可得到傳感器的靈敏度系數矩參考文獻陣K。當有未知的作用力作用在測力片上時(shí),由計算機采[1] Autumn K, Liang Y A, Hsieh S T, et al. Adhesive force of a singlegecko foot-hair[J]. Nature, 2000, 405(6): 681-685.集到的橋路輸出電壓向量U,通過(guò)F=KU,可以得到作用[2 Autumn K, Sitti M, Liang Y A, et al. Evidence for van der waals在測力片上的力的大小和方向。表1為其中一只傳感器的adhesion in gecko setae[ A], Proceedings of the National Acade-標定結果。標定結果表明:16只傳感器的性能不完全相my of Sciences of USA[C]. Washington, DC, USA: National A-同,但是,測力范圍、精度、分辨力等都能達到蜘蛛、昆蟲(chóng)等cademy of Sciences, 2002. 12251-12256接觸力測試實(shí)驗要求。[3 Liang Y A, Autumn K, Hsieh S T, et al. Adhesion force measure-表1傳感器標定結果ments on single gecko setae[ A]. Solid-state Sensor and ActuatorTab 1 Calibration result of sensorWorkshop[C]. South Carolina, USA: Hilton Head Island, 2000三向測量范圍分辨力非線(xiàn)性滯后重復性精度[4 Gorb S Attachment device and insect cuticle[M], Dordrecht分力(mN)(μN)(%FS)(%FS)(%FS)(%FS)Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 2001. 135-176F,±101000.130.230.230.45[5] Niederegger S, Gorb S. Tarsal movements in flies during leg at-0.100.190.200.37tachment and detachment on a smooth substrate [J]. Jourmal ofF:±100.130.250.240.46Insect Physiology, 2003, 49(3): 611-620[6]梅濤,戈瑜,倪禮賓,等多功能陣列式觸覺(jué)傳感器的研究[].高技術(shù)通訊,200,(3):53-56生物在正表面零表面、負表面等不同表面的光滑或粗71顏化冰,吉愛(ài)紅,沈輝,等用于昆蟲(chóng)足力測試的三維微力糙狀況下自如運動(dòng)時(shí)的運動(dòng)步態(tài)及其接觸力學(xué)規律的研傳感器[],傳感器與微系統,2006,25(4):82-84.究,可以為仿生機器人機構、步態(tài)和控制的設計提供重要的作者簡(jiǎn)介:啟示。本文作者已經(jīng)取得的成果表明:用16只三維懸臂式吉愛(ài)紅(1973-),男,江蘇如舉人,講師,在職博土生,主要從微力傳感器組成測力陣列,并配合動(dòng)態(tài)圖像的實(shí)時(shí)記錄與事仿生機器人、動(dòng)物運動(dòng)力學(xué)、傳感器技術(shù)等方面的研究上接第58頁(yè))其進(jìn)展[J]地球物理學(xué)進(jìn)展,2004,19(3):515-5234結論[3]付建偉,肖立志,張元中,等,網(wǎng)絡(luò )化永久性油藏動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監本文利用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現了FBG溫度傳感器實(shí)時(shí)測技術(shù)進(jìn)展[J].測井技術(shù),2005,29(4):281-284數據采集處理系統。根據FBG溫度傳感器實(shí)驗系統的要4]陳敏湯曉安虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境 labVIEW及其數據采集[J求,利用虛擬儀器 LabVIEW語(yǔ)言進(jìn)行數據采集系統的搭建計算機工程與設計,2001,22(5):61-63和軟件系統的開(kāi)發(fā)。通過(guò)FBG溫度傳感器實(shí)驗測量,驗證[5 Nellen P N, Mauron P, Frank A, et al. Reliability of fiber Bragg了數據采集系統的穩定性和可靠性。開(kāi)發(fā)過(guò)程中,發(fā)現利based sensors for downhole application[J). Seneor and Actuators用虛擬儀器技術(shù)來(lái)實(shí)現FBG傳感器的數據采集系統時(shí),具有便于操作、控制方便及直觀(guān)顯示等優(yōu)點(diǎn)[6]中國煤化工光纖應變測試系統[J]參考文獻:CNMHG:15-17[1]張元中,肖立志新世紀第一個(gè)五年測井技術(shù)的若干進(jìn)展[J]作者簡(jiǎn)介地球物理學(xué)進(jìn)展,2004,19(4):828-836趙曉亮(1978-),男,遼寧人,碩士研究生,研究方向為油氣井[2]付建偉,肖立志,張元中油氣井水久性光纖傳感器的應用及永久性光纖傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)