动物运动力学测试系统

2006年第25卷第12期传感器与微系统( Transducer and Microsystem Technologies)动物运动力学测试系统吉爱红12,戴振东,颜化冰2,周来水2(1.南京航空航天大学高新技术研究院江苏南京210016;2.南京航空航天大学机电学院江苏南京210016)摘要:研究蜘蛛、昆虫等微小动物在地面、墙面、天花板等不同表面的光滑或粗糙状况下自如运动时的附着机理,可以为特种仿生机器人的研究提供理论依据。研制了动物运动力学测试系统,包括由16只三维微牛级力传感器组成的传感器测试阵列:48通道的信号放大、调理以及数据采集与处理;动态图像的放大、记录与分析等。该系统在仿生学的研究中有很大的应用价值,是了解和深人认识动物运动步态及其接触力学规律的重要手段关键词:仿生;附着;传感器;测试中图分类号:Q66文献标识码:B文章编号: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状况下自如运动时的附着机理,研制了动物运动力学测试在35亿年的生命进化过程中,生物体发展了灵巧的运系统。该测试系统包括三维微力传感器阵列,可测得爬壁动机构和机敏的运动模式,这成为仿生机器人发展取之不生物在不同位置表面爬行过程中,其脚掌与表面各个接触尽的知识源泉。2000年,美国的 Autumn等人利用微机电点之间微小的三维接触力;并配合摄像和图像处理的方法系统(MEMS)技术制作的二维微牛级压阻式传感器研究了在测力的同时获生物在爬行或附着时的直观的影像资料大壁虎( Gekko gecko)单个刚毛的粘附力,从而通过实验证为了解和深人认识生物运动步态及其接触力学规律的提供明:该接触力的大小的确在分子间作用力作用范围内3。重要手段。德国马普学会的Corb等人对类似壁虎、苍蝇这类爬壁生物1动物运动力学测试系统在各种表面上的附着机制已经有了相当的研究-。但中国科学院合肥智能机械研究所研制的多功能类皮肤是,生物与壁面间基于分子间的附着力的产生机理;附着壁触觉传感器阵列是基于MEMS技术制作的可定量获取面时各个腿之间的力是如何调节的以及脚掌上各个脚趾是三A∽又阵餡誉桂感器。能够实现接触如何配合的等问题目前还不清楚。为了研究蜘蛛、昆虫等分中国煤某化二能的数据测试。但生物在地面、墙壁、天花板等不同表面的光滑或粗糙CNMHG适合用来作为蜘蛛收稿日期:2006-08-1基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(60535020)60传感器与微系统第25卷虫的测力用传感器阵列。本文研究的动物运动力学测试系测力阵列一起布置在一个金属罩内。该金属罩在保护测力统可以研究蜘蛛、昆虫等微小动物在正表面、零表面、负表阵列的同时起到屏蔽外界电磁干扰作用。面等不同的表面的光滑或粗糙状况下自如运动时的运动步4数据采集与处理态,从而了解生物运动姿态及其接触力学规律测力系统的数据采集及控制硬件采用了ADⅤ ANTECH动物运动力学测试系统包括由16只三维微牛级力传公司的2块PCI-1713数据采集卡。每张采集卡分别具有感器组成的传感器阵列;48通道的信号放大、调理以及数32个独立的输入通道,均为12位精度,可分别设置成32个据采集与处理;基于LabⅤEW平台开发的一套实验测试软单端输入和16个差分输入,测量范围为-10~10V;该卡件;动态图像的放大记录与分析等。采用自动通道增益扫描电路,用于在多通道采样时对各个传感器阵列通道及其增益进行配置,满足多通道同步采样的要求。数传感器阵列由16只相同的微牛级测力传感器按照据处理软件平台采用的是美国N公司的 LabVIEW系统定的规则排列而成。测力传感器由金属弹性体(硬铝合根据48通道数据采集的智能化要求,开发了一套基于Lb金)、有机玻璃悬臂梁、测力片(有机玻璃)以及粘贴在弹性VEW的测力阵列数据采集与处理专用程序。程序包括初体上半导体应变计组成,如图1所示。在倒“L”型弹性体始化模块、数据扫描模块、信号解耦合模块、有效数据判断上设计三处贴片位置(AB,C)贴有三组半导体应变计,分模块图形、显示模块、数据存储模块等6个模块。别用于测量被测力的3个分量(F,F,F)。当传感器右端动态图像的放大记录与分析的测力片(有机玻璃片)上有力的作用时,通过三处应变计为了在获得三维力大小方向数据的同时,对接触的过的电阻的变化以及维间的解耦,可以计算出该力在x,y,程进行观察和摄像,该测力阵列设计成了透明的阵列。透3个方向的分力,从而通过力的合成可以计算出该力的大小明的部分即传感器的测力片和悬臂梁。传感器测力片由有和作用方向”。传感器的线性测量范围为100-100uN,机玻璃制成,6只测力片组成传感器阵列的透明的测力平分辨力为100μN。16只测力片作为模拟接触表面位于同面,测力平面的大小为16mmx16mm。显微镜的镜头可以一个平面内,可以满足测量蜘蛛、昆虫等六足微小动物爬伸进由16只悬臂梁式传感器围成的空腔内,摄像用CCD行、附着时的多点接触力,如图2。安装在显微镜上,蜘蛛、昆虫等微小动物在测力片上的运动步态可以通过显微镜光学放大后,由CCD实时记录下来B有机玻璃梁测力片CCD的图像采集速度可以达到24帧/秒。通过图像分析软单性体件,可以在获得生物在测力平面上的附着力的同时获得关于生物运动状态下附着在各种壁面上所具有的运动步态。6传慼器标定图1传感器结构传感器测力阵列由16只微牛级传感器组成。由于制Fig 1 Structure diagram of force sensor造工艺的影响,每个传感器的性能不尽相同,因此,需要对每一个传感器的主要的性能(如,线性度、重复性等)指标做标定。对三维微力传感器的设计而言除要考虑传统力学量传感器的动力学性能和静态标定指标等特性外,还要对其各维灵敏度及维间耦合系数等指标予以充分考虑。图1中,当测力片受到沿z方向的力F作用时,传感器的B,C图2测力阵列及其信号放大电路处的应变计会产生弯曲变形;当测力片受到沿y方向的力Fig 2 Sensors array and signal amplifying circuiF,作用时,传感器的A处的应变计会产生弯曲变形;当测3信号放大电路力片受到沿x方向的力F作用时,传感器的A处的应变计维传感器上的应变计的阻值变化变成电压变化的输会产生弯曲变形。即从理论上分析在C处存在沿x,z两个出,采用应变计桥式电路。电桥电压输出值非常微小,采用方向的力的耦合。实际应用中,由于弹性体的加工、贴片工信号放大电路进行放大。每一个传感器上有3对应变计,艺等中国煤化工个方向上的作用力16只传感器(共48通道)的信号放大采用了4张12通道对A信号放大电路板。信号放大采用的AD624高精度放大器维间口CNMHG的影响,因此存在即棚山也L旧号经放大、滤波,计算根据模拟施加载荷后传感器的输出信号大小,选择了放大机采集得到的输出电压向量U与力向量F的关系应该为500倍的增益。4张放大电路卡安装在测力阵列的周围,和=CF,即第12期吉爱红等:动物运动力学测试系统CCC处理的方法非常适用于微小动物的运动步态及其接触力学U,=C, C CIF,规律的研究。从微力传感器各项静态性能指标的测定数据CCC来看,传感器的线性测量范围为100-10000gN,分辨力为式中C为解耦系数矩阵,元素C的物理意义是在y方向100μN,并且,具有良好的线性度、重复性。通过专门开发的计算机应用程序可以实现多路数据采集、数据显示和维加单位载荷力,在x方向上的电压输出值。解耦系数矩阵间解耦处理,获得各点接触力的大小和方向。透明的阵列加x,y可以通过标定获得。在传感器的测力片上分别施加x,y,z三个方向已知大小和方向的作用力,传感器A,B,C组成的测力平面配合摄像的方法,可以在获得数据信息的同时,及时分析数据变化和波动的原因。生物附着力测试处的应变计受到弯矩的作用后桥路输出电压经过计算机采系统的研制成功将为随后进行的蜘蛛、昆虫等生物的接集。由A,B,C处输出电压与已知作用力的关系可以得到力学规律的研究奠定坚实的基础9条输出特性曲线,从而得到传感器的解耦系数矩阵C将解耦系数矩阵C求逆,即可得到传感器的灵敏度系数矩参考文献阵K。当有未知的作用力作用在测力片上时,由计算机采[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.集到的桥路输出电压向量U,通过F=KU,可以得到作用[2 Autumn K, Sitti M, Liang Y A, et al. Evidence for van der waals在测力片上的力的大小和方向。表1为其中一只传感器的adhesion in gecko setae[ A], Proceedings of the National Acade-标定结果。标定结果表明:16只传感器的性能不完全相my of Sciences of USA[C]. Washington, DC, USA: National A-同,但是,测力范围、精度、分辨力等都能达到蜘蛛、昆虫等cademy of Sciences, 2002. 12251-12256接触力测试实验要求。[3 Liang Y A, Autumn K, Hsieh S T, et al. Adhesion force measure-表1传感器标定结果ments on single gecko setae[ A]. Solid-state Sensor and ActuatorTab 1 Calibration result of sensorWorkshop[C]. South Carolina, USA: Hilton Head Island, 2000三向测量范围分辨力非线性滞后重复性精度[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]梅涛,戈瑜,倪礼宾,等多功能阵列式触觉传感器的研究[].高技术通讯,200,(3):53-56生物在正表面零表面、负表面等不同表面的光滑或粗71颜化冰,吉爱红,沈辉,等用于昆虫足力测试的三维微力糙状况下自如运动时的运动步态及其接触力学规律的研传感器[],传感器与微系统,2006,25(4):82-84.究,可以为仿生机器人机构、步态和控制的设计提供重要的作者简介:启示。本文作者已经取得的成果表明:用16只三维悬臂式吉爱红(1973-),男,江苏如舉人,讲师,在职博土生,主要从微力传感器组成测力阵列,并配合动态图像的实时记录与事仿生机器人、动物运动力学、传感器技术等方面的研究上接第58页)其进展[J]地球物理学进展,2004,19(3):515-5234结论[3]付建伟,肖立志,张元中,等,网络化永久性油藏动态实时监本文利用虚拟仪器技术实现了FBG温度传感器实时测技术进展[J].测井技术,2005,29(4):281-284数据采集处理系统。根据FBG温度传感器实验系统的要4]陈敏汤晓安虚拟仪器开发环境 labVIEW及其数据采集[J求,利用虚拟仪器 LabVIEW语言进行数据采集系统的搭建计算机工程与设计,2001,22(5):61-63和软件系统的开发。通过FBG温度传感器实验测量,验证[5 Nellen P N, Mauron P, Frank A, et al. Reliability of fiber Bragg了数据采集系统的稳定性和可靠性。开发过程中,发现利based sensors for downhole application[J). Seneor and Actuators用虚拟仪器技术来实现FBG传感器的数据采集系统时,具有便于操作、控制方便及直观显示等优点[6]中国煤化工光纤应变测试系统[J]参考文献:CNMHG:15-17[1]张元中,肖立志新世纪第一个五年测井技术的若干进展[J]作者简介地球物理学进展,2004,19(4):828-836赵晓亮(1978-),男,辽宁人,硕士研究生,研究方向为油气井[2]付建伟,肖立志,张元中油气井水久性光纤传感器的应用及永久性光纤传感器网络技术