2006年第25卷第12期傳感器與微系統(tǒng)( Transducer and Microsystem Technologies)動物運動力學(xué)測試系統(tǒng)吉愛紅12,戴振東,顏化冰2,周來水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(jī)電學(xué)院江蘇南京210016)摘要:研究蜘蛛、昆蟲等微小動物在地面、墻面、天花板等不同表面的光滑或粗糙狀況下自如運動時的附著機(jī)理,可以為特種仿生機(jī)器人的研究提供理論依據(jù)。研制了動物運動力學(xué)測試系統(tǒng),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(diào)理以及數(shù)據(jù)采集與處理;動態(tài)圖像的放大、記錄與分析等。該系統(tǒng)在仿生學(xué)的研究中有很大的應(yīng)用價值,是了解和深人認(rèn)識動物運動步態(tài)及其接觸力學(xué)規(guī)律的重要手段關(guān)鍵詞:仿生;附著;傳感器;測試中圖分類號:Q66文獻(xiàn)標(biāo)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狀況下自如運動時的附著機(jī)理,研制了動物運動力學(xué)測試在35億年的生命進(jìn)化過程中,生物體發(fā)展了靈巧的運系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)包括三維微力傳感器陣列,可測得爬壁動機(jī)構(gòu)和機(jī)敏的運動模式,這成為仿生機(jī)器人發(fā)展取之不生物在不同位置表面爬行過程中,其腳掌與表面各個接觸盡的知識源泉。2000年,美國的 Autumn等人利用微機(jī)電點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(tǒng)(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獲生物在爬行或附著時的直觀的影像資料大壁虎( Gekko gecko)單個剛毛的粘附力,從而通過實驗證為了解和深人認(rèn)識生物運動步態(tài)及其接觸力學(xué)規(guī)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(nèi)3。重要手段。德國馬普學(xué)會的Corb等人對類似壁虎、蒼蠅這類爬壁生物1動物運動力學(xué)測試系統(tǒng)在各種表面上的附著機(jī)制已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)难芯?。但中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所研制的多功能類皮膚是,生物與壁面間基于分子間的附著力的產(chǎn)生機(jī)理;附著壁觸覺傳感器陣列是基于MEMS技術(shù)制作的可定量獲取面時各個腿之間的力是如何調(diào)節(jié)的以及腳掌上各個腳趾是三A∽又陣餡譽(yù)桂感器。能夠?qū)崿F(xiàn)接觸如何配合的等問題目前還不清楚。為了研究蜘蛛、昆蟲等分中國煤某化二能的數(shù)據(jù)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)基金重點資助項目(60535020)60傳感器與微系統(tǒng)第25卷蟲的測力用傳感器陣列。本文研究的動物運動力學(xué)測試系測力陣列一起布置在一個金屬罩內(nèi)。該金屬罩在保護(hù)測力統(tǒng)可以研究蜘蛛、昆蟲等微小動物在正表面、零表面、負(fù)表陣列的同時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時的運動步4數(shù)據(jù)采集與處理態(tài),從而了解生物運動姿態(tài)及其接觸力學(xué)規(guī)律測力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及控制硬件采用了ADⅤ ANTECH動物運動力學(xué)測試系統(tǒng)包括由16只三維微牛級力傳公司的2塊PCI-1713數(shù)據(jù)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(diào)理以及數(shù)32個獨立的輸入通道,均為12位精度,可分別設(shè)置成32個據(jù)采集與處理;基于LabⅤEW平臺開發(fā)的一套實驗測試軟單端輸入和16個差分輸入,測量范圍為-10~10V;該卡件;動態(tài)圖像的放大記錄與分析等。采用自動通道增益掃描電路,用于在多通道采樣時對各個傳感器陣列通道及其增益進(jìn)行配置,滿足多通道同步采樣的要求。數(shù)傳感器陣列由16只相同的微牛級測力傳感器按照據(jù)處理軟件平臺采用的是美國N公司的 LabVIEW系統(tǒng)定的規(guī)則排列而成。測力傳感器由金屬彈性體(硬鋁合根據(jù)48通道數(shù)據(jù)采集的智能化要求,開發(fā)了一套基于Lb金)、有機(jī)玻璃懸臂梁、測力片(有機(jī)玻璃)以及粘貼在彈性VEW的測力陣列數(shù)據(jù)采集與處理專用程序。程序包括初體上半導(dǎo)體應(yīng)變計組成,如圖1所示。在倒“L”型彈性體始化模塊、數(shù)據(jù)掃描模塊、信號解耦合模塊、有效數(shù)據(jù)判斷上設(shè)計三處貼片位置(AB,C)貼有三組半導(dǎo)體應(yīng)變計,分模塊圖形、顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊等6個模塊。別用于測量被測力的3個分量(F,F,F)。當(dāng)傳感器右端動態(tài)圖像的放大記錄與分析的測力片(有機(jī)玻璃片)上有力的作用時,通過三處應(yīng)變計為了在獲得三維力大小方向數(shù)據(jù)的同時,對接觸的過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)行觀察和攝像,該測力陣列設(shè)計成了透明的陣列。透3個方向的分力,從而通過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”。傳感器的線性測量范圍為100-100uN,機(jī)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平面內(nèi),可以滿足測量蜘蛛、昆蟲等六足微小動物爬伸進(jìn)由16只懸臂梁式傳感器圍成的空腔內(nèi),攝像用CCD行、附著時的多點接觸力,如圖2。安裝在顯微鏡上,蜘蛛、昆蟲等微小動物在測力片上的運動步態(tài)可以通過顯微鏡光學(xué)放大后,由CCD實時記錄下來B有機(jī)玻璃梁測力片CCD的圖像采集速度可以達(dá)到24幀/秒。通過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力的同時獲得關(guān)于生物運動狀態(tài)下附著在各種壁面上所具有的運動步態(tài)。6傳慼器標(biāo)定圖1傳感器結(jié)構(gòu)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,每個傳感器的性能不盡相同,因此,需要對每一個傳感器的主要的性能(如,線性度、重復(fù)性等)指標(biāo)做標(biāo)定。對三維微力傳感器的設(shè)計而言除要考慮傳統(tǒng)力學(xué)量傳感器的動力學(xué)性能和靜態(tài)標(biāo)定指標(biāo)等特性外,還要對其各維靈敏度及維間耦合系數(shù)等指標(biāo)予以充分考慮。圖1中,當(dāng)測力片受到沿z方向的力F作用時,傳感器的B,C圖2測力陣列及其信號放大電路處的應(yīng)變計會產(chǎn)生彎曲變形;當(dāng)測力片受到沿y方向的力Fig 2 Sensors array and signal amplifying circuiF,作用時,傳感器的A處的應(yīng)變計會產(chǎn)生彎曲變形;當(dāng)測3信號放大電路力片受到沿x方向的力F作用時,傳感器的A處的應(yīng)變計維傳感器上的應(yīng)變計的阻值變化變成電壓變化的輸會產(chǎn)生彎曲變形。即從理論上分析在C處存在沿x,z兩個出,采用應(yīng)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。實際應(yīng)用中,由于彈性體的加工、貼片工信號放大電路進(jìn)行放大。每一個傳感器上有3對應(yīng)變計,藝等中國煤化工個方向上的作用力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(jù)模擬施加載荷后傳感器的輸出信號大小,選擇了放大機(jī)采集得到的輸出電壓向量U與力向量F的關(guān)系應(yīng)該為500倍的增益。4張放大電路卡安裝在測力陣列的周圍,和=CF,即第12期吉愛紅等:動物運動力學(xué)測試系統(tǒng)CCC處理的方法非常適用于微小動物的運動步態(tài)及其接觸力學(xué)U,=C, C CIF,規(guī)律的研究。從微力傳感器各項靜態(tài)性能指標(biāo)的測定數(shù)據(jù)CCC來看,傳感器的線性測量范圍為100-10000gN,分辨力為式中C為解耦系數(shù)矩陣,元素C的物理意義是在y方向100μN,并且,具有良好的線性度、重復(fù)性。通過專門開發(fā)的計算機(jī)應(yīng)用程序可以實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)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(shù)矩陣間解耦處理,獲得各點接觸力的大小和方向。透明的陣列加x,y可以通過標(biāo)定獲得。在傳感器的測力片上分別施加x,y,z三個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(shù)據(jù)信息的同時,及時分析數(shù)據(jù)變化和波動的原因。生物附著力測試處的應(yīng)變計受到彎矩的作用后橋路輸出電壓經(jīng)過計算機(jī)采系統(tǒng)的研制成功將為隨后進(jìn)行的蜘蛛、昆蟲等生物的接集。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(guī)律的研究奠定堅實的基礎(chǔ)9條輸出特性曲線,從而得到傳感器的解耦系數(shù)矩陣C將解耦系數(shù)矩陣C求逆,即可得到傳感器的靈敏度系數(shù)矩參考文獻(xiàn)陣K。當(dāng)有未知的作用力作用在測力片上時,由計算機(jī)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(biāo)定結(jié)果。標(biāo)定結(jié)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(dá)到蜘蛛、昆蟲等cademy of Sciences, 2002. 12251-12256接觸力測試實驗要求。[3 Liang Y A, Autumn K, Hsieh S T, et al. Adhesion force measure-表1傳感器標(biāo)定結(jié)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性滯后重復(fù)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(fù)表面等不同表面的光滑或粗71顏化冰,吉愛紅,沈輝,等用于昆蟲足力測試的三維微力糙狀況下自如運動時的運動步態(tài)及其接觸力學(xué)規(guī)律的研傳感器[],傳感器與微系統(tǒng),2006,25(4):82-84.究,可以為仿生機(jī)器人機(jī)構(gòu)、步態(tài)和控制的設(shè)計提供重要的作者簡介: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,并配合動態(tài)圖像的實時記錄與事仿生機(jī)器人、動物運動力學(xué)、傳感器技術(shù)等方面的研究上接第58頁)其進(jìn)展[J]地球物理學(xué)進(jìn)展,2004,19(3):515-5234結(jié)論[3]付建偉,肖立志,張元中,等,網(wǎng)絡(luò)化永久性油藏動態(tài)實時監(jiān)本文利用虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)了FBG溫度傳感器實時測技術(shù)進(jìn)展[J].測井技術(shù),2005,29(4):281-284數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。根據(jù)FBG溫度傳感器實驗系統(tǒng)的要4]陳敏湯曉安虛擬儀器開發(fā)環(huán)境 labVIEW及其數(shù)據(jù)采集[J求,利用虛擬儀器 LabVIEW語言進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的搭建計算機(jī)工程與設(shè)計,2001,22(5):61-63和軟件系統(tǒng)的開發(fā)。通過FBG溫度傳感器實驗測量,驗證[5 Nellen P N, Mauron P, Frank A, et al. Reliability of fiber Bragg了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。開發(fā)過程中,發(fā)現(xiàn)利based sensors for downhole application[J). Seneor and Actuators用虛擬儀器技術(shù)來實現(xiàn)FBG傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時,具有便于操作、控制方便及直觀顯示等優(yōu)點[6]中國煤化工光纖應(yīng)變測試系統(tǒng)[J]參考文獻(xiàn):CNMHG:15-17[1]張元中,肖立志新世紀(jì)第一個五年測井技術(shù)的若干進(jìn)展[J]作者簡介地球物理學(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(yīng)用及永久性光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)