一种基于偏转角的飞行昆虫降落/起飞接触反力测试系统及测试方法

摘要

本发明公开了一种基于偏转角的飞行昆虫降落/起飞接触反力测试系统及测试方法，包括方形的有机玻璃罩、碳纤维弹簧和高帧数相机，有机玻璃罩内放置水平方向的碳纤维弹簧，高帧数相机用于飞行昆虫接触反力测试过程中测试图像的清晰拍摄，有机玻璃罩的后侧面粘贴有位置信息参考标尺，高帧数相机的镜头中心与碳纤维弹簧处于同一水平高度。本发明专门用于测试飞行昆虫降落/起飞时在界面所产生的接触反力，具有测力精度毫‑微牛级、测试过程无人为干扰、测试系统结构简便等特点。

说明书

技术领域

本发明属于力学测试技术领域，尤其涉及一种基于偏转角的飞行昆虫降落/起飞接触反力测试系统及测试方法，具有测试过程无干扰、测力精度毫-微牛级等特点。

背景技术

接触面对昆虫运动系统的作用力称为接触反力，其测试在机械仿生领域应用较为普遍。运动是动物繁衍、捕食、躲避天敌的基础。许多动物，诸如苍蝇、蚊子、水黾等，拥有独特的运动功能特性，使其独立完成复杂行为。测力系统不断被研制出，用以昆虫接触反力的测试。飞行昆虫在降落/起飞时会对界面产生作用力，亦为接触反力。该接触反力的测试，对研究其运动特性至关重要，还将利于小型飞行机器人的研制。该接触反力的测试精度在毫-微牛级，且测试过程不能有人为干扰，否则会造成接触反力测试数据的不准确。此外，还需要测力系统的核心部件具有低成本、结构简便等特点。

发明专利CN101380235A公开了一种动物足-面接触反力的测试方法及系统测力技术，该方法通过16个传感器组成2×8式传感器阵列，用于测试动物在地面、壁面和天花板表面的接触力，测试系统主要由弹性体、金属应变片、有机玻璃板和摄像机组成，弹性体结构呈倒T形状，其分布有腰型孔以减轻弹性体重量，避免重力对测力结果产生影响，有机玻璃板上对应的测力片位置处设置长宽为31毫米的正方形方孔，传感器测力片的测力范围为30毫米×30毫米，但该项技术适用于测试大型爬行动物的接触反力，对于飞行昆虫则不能满足测试需求，更不能测试起飞/降落过程中的接触反力。发明专利CN107340231A公开了一种离心式微牛级昆虫摩擦力在线实时测试系统及测试方法，测试系统包括测试平台及附属机构、调速电机及转速控制器、视频监控系统和能够实现各部件固定安装的机座等4部分，采用滚珠丝杠及步进电机结构，能够精确控制高速视频成像系统的位移，视频监控系统的摄像机中心与测试平台中心保持重合，摄像机具有垂直方向上自由度可调节功能，并可实时调节其与测试平台的垂直距离，用于准确获取测试对象脱离平台时的半径信息，由此计算出测试对象在材料表面产生的最大附着力，但该测力系统仅用于测试昆虫在材料表面的最大附着力，而不能测试飞行昆虫降落/起飞时在界面产生的接触反力。发明专利CN105444940A提出了一种微小力值的测量方法，该发明利用阴影提取法观测水生昆虫腿部与水面接触产生的阴影面积计算获取运动支撑力，根据所拍摄到的水生昆虫在水面上划行产生的阴影图片，通过阿基米德原理对水生昆虫腿部进行三维模型的重建并计算出相应的运动支撑力，该发明涉及的测力技术，测试精度可达到微牛级，但测试对象只能为水生昆虫，不能用于飞行昆虫降落/起飞时的接触反力的测试。

综上所述，现阶段以测力传感器阵列为核心、基于离心运动原理、基于图像处理方法的接触反力测试系统，其在测力精度、测试对象固定平台等方面不能满足飞行昆虫降落/起飞时在界面产生的接触反力的测试。因此，需要研制一种基于偏转角的飞行昆虫降落/起飞接触反力测试系统及测试方法，具有测力精度毫-微牛级、测试过程无人为干扰、测试系统结构简便等特点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于偏转角的飞行昆虫降落/起飞接触反力测试系统及测试方法，该系统专门用于测试飞行昆虫降落/起飞时在界面所产生的接触反力，具有测力精度毫-微牛级、测试过程无人为干扰、测试系统结构简便等特点。

本发明要解决的技术问题是提供一种基于偏转角的飞行昆虫降落/起飞接触反力测试方法，该方法基于上述测试系统，可以快速计算得到昆虫降落/起飞接触反力。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于偏转角的飞行昆虫降落/起飞接触反力测试系统及测试方法，其特征在于包括方形的有机玻璃罩、碳纤维弹簧和高帧数相机，其中有机玻璃罩置于测试系统底座上，有机玻璃罩的前面和右面分别设有高帧数相机镜头移动通道和碳纤维弹簧安放方孔，碳纤维弹簧穿过碳纤维弹簧安放方孔，并水平置于有机玻璃罩内部，碳纤维弹簧一端通过Z字形支座连接，穿过有机玻璃罩并固定于测试系统底座，高帧数相机的镜头穿过高帧数相机镜头移动通道，进入有机玻璃罩内部，并用于飞行昆虫接触反力测试过程中测试图像的清晰拍摄，有机玻璃罩的上表面设有飞行昆虫投放方孔，飞行昆虫投放方孔处设有飞行昆虫投放方孔挡板，有机玻璃罩的后侧面粘贴有水平布置的位置信息参考标尺，高帧数相机的镜头中心与碳纤维弹簧处于同一水平高度。

对上述方案作进一步限定，所述的碳纤维弹簧通过夹紧螺栓固定在Z字形支座与碳纤维弹簧固定压板之间，碳纤维弹簧固定端的周围设置用于约束其位置的橡胶垫，Z字形支座通过螺钉固定安装在测试系统底座上。

对上述方案作进一步限定，所述的Z字形支座上设置有照明组件，其中照明组件包括LED照明光源和LED照明光源固定斜台，LED照明光源和LED照明光源固定斜台之间采用双面胶粘接的方式进行固定，并放置于有机玻璃罩内部。

对上述方案作进一步限定，所述的测试系统底座上表面设置有机玻璃罩安装卡槽，测试系统底座下表面设置调平地脚螺栓，调平地脚螺栓分布在测试系统底座的4个角落。

对上述方案作进一步限定，所述的高帧数相机通过固定组件支撑固定，固定组件包括高帧数相机连接件、三脚架、高帧数相机连接件固定螺栓、三脚架固定元件、水平固定螺栓、承重支架，垂直固定螺栓设置高帧数相机固定螺纹孔、高帧数相机连接件固定螺纹孔，高帧数相机与高帧数相机连接件通过高帧数相机固定螺纹孔及螺钉连接；高帧数相机连接件固定螺纹孔与高帧数相机连接件固定螺栓配合，实现高帧数相机连接件与三脚架的连接。

一种基于偏转角的飞行昆虫降落/起飞接触反力测试方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）首先，高帧数相机初始化，然后通过调平地脚螺栓调节测试系统底座的水平度，以此确保测试系统底座绝对水平，然后将有机玻璃罩安放在有机玻璃罩安装卡槽上，再将碳纤维弹簧固定安装在Z字形支座上，使碳纤维弹簧通过碳纤维弹簧安放方孔进入有机玻璃罩内，以供飞行昆虫停靠并在降落与起飞过程中产生接触反力；

（2）将飞行昆虫通过有机玻璃罩的飞行昆虫投放方孔放置至有机玻璃罩的内部；

（3）通过螺钉连接的方式将高帧数相机固定安装在高帧数相机连接件上，通过螺栓连接的方式将高帧数相机连接件与高帧数相机连接件固定螺栓实现固定安装，然后将高帧数相机及其固定组件移动至高帧数相机镜头移动通道；碳纤维弹簧与高帧数相机镜头的中心位于同高度；

（4）飞行昆虫在无人为干扰状态下，降落至碳纤维弹簧或从碳纤维弹簧起飞时，会使碳纤维弹簧产生偏转角，此时高帧数相机对整个过程进行高清视频记录，对所记录的视频转换成图片，并导入仿生原型微形貌结构偏转角求解系统中；

（5）然后分析获取碳纤维弹簧的偏转角数据

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明的一种基于偏转角的飞行昆虫降落/起飞接触反力测试系统及测试方法，专门用于测试飞行昆虫降落/起飞时在界面产生的接触反力，采用碳纤维弹簧产生偏转角，利用高帧数相机对整个过程进行高清视频记录，并导入到仿生原型微形貌结构偏转角求解系统中，根据碳纤维弹簧的特性方程可获取不同偏转角对应的接触反力，具有测力精度毫-微牛级、测试过程无人为干扰、测试系统结构简便等特点，对揭示飞行昆虫在降落/起飞过程中的运动特性具有重要意义。

附图说明

图1本发明中测试系统的整体结构示意图；

图2本发明中测试系统的碳纤维弹簧固定组件轴侧图；

图3本发明中测试系统的轴侧图；

图4本发明中测试系统的测试系统底座轴侧图；

图5本发明中测试系统的有机玻璃罩轴侧图；

图6本发明中测试系统的有机玻璃罩及其标尺组件轴侧图；

图7本发明中测试系统的飞行昆虫投放方孔挡板轴侧图；

图8本发明中测试系统的高帧数相机连接件轴侧图；

图9本发明中测试系统的三脚架轴侧图；

图10本发明中测试方法的功能流程图。

图中：1、碳纤维弹簧及其固定组件；1-1、碳纤维弹簧；1-2、Z字形支座；1-2-1、Z字形支座固定螺栓通孔；1-3、橡胶垫；1-4、碳纤维弹簧固定压板；1-5、夹紧螺栓；2、测试系统底座及其照明组件；2-1、LED照明光源；2-2、LED照明光源固定斜台；2-3、测试系统底座；2-3-1、有机玻璃罩安装卡槽；2-3-2、调平地脚螺纹孔；2-3-3、Z字形支座固定螺纹孔；2-4、调平地脚螺栓；3、有机玻璃罩及其标尺组件；3-1、有机玻璃罩；3-1-1、碳纤维弹簧安放方孔；3-1-2、高帧数相机镜头移动通道；3-1-3、飞行昆虫投放方孔；3-2、位置信息参考标尺；3-3、飞行昆虫投放方孔挡板；3-3-1、飞行昆虫投放方孔挡板固定螺纹孔；3-4、飞行昆虫投放方孔挡板固定螺栓；4、高帧数相机及其固定组件；4-1、高帧数相机；4-2、高帧数相机连接件；4-2-1、高帧数相机固定螺纹孔；4-2-2、高帧数相机连接件固定螺纹孔；4-3、三脚架；4-3-1、高帧数相机连接件固定螺栓；4-3-2、三脚架固定元件；4-3-3、水平固定螺栓；4-3-4、承重支架；4-3-5、垂直固定螺栓。

具体实施方式

如图1所示，一种基于偏转角的飞行昆虫降落/起飞接触反力测试系统及测试方法，主要包括碳纤维弹簧及其固定组件1、测试系统底座及其照明组件2、有机玻璃罩及其标尺组件3、高帧数相机及其固定组件4等。

如图1、图2、图3所示，碳纤维弹簧及其固定组件1由碳纤维弹簧1-1、Z字形支座1-2、橡胶垫1-3、碳纤维弹簧固定压板1-4、夹紧螺栓1-5等组成。碳纤维弹簧及其固定组件1的碳纤维弹簧1-1用于感知飞行昆虫降落/起飞时产生的接触反力，即飞行昆虫从碳纤维弹簧1-1降落或起飞至碳纤维弹簧1-1上时，会使碳纤维弹簧1-1产生偏转角变化，根据碳纤维弹簧1-1的特性方程可获取不同偏转角对应的接触反力。碳纤维弹簧1-1通过夹紧螺栓1-5固定在Z字形支座1-2与碳纤维弹簧固定压板1-4之间，并设置橡胶垫1-3用以固定安装。采用螺钉配合将Z字形支座1-2固定安装在测试系统底座2-3上，Z字形支座固定螺栓通孔1-2-1为通孔式结构。

如图1、图3、图4所示，测试系统底座及其照明组件2由LED照明光源2-1、LED照明光源固定斜台2-2、测试系统底座2-3、调平地脚螺栓2-4等组成。其中，测试系统底座2-3设置有机玻璃罩安装卡槽2-3-1、调平地脚螺纹孔2-3-2、Z字形支座固定螺纹孔2-3-3等。因为LED照明光源2-1质量较小，故LED照明光源2-1和LED照明光源固定斜台2-2之间采用双面胶粘接的方式进行固定，并放置于有机玻璃罩3-1的内部，用以提高有机玻璃罩3-1内部的光亮度，提升飞行昆虫接触反力测试过程中拍摄图像的质量，最终提高接触反力测试数据的准确性。有机玻璃罩安装卡槽2-3-1用于实现有机玻璃罩3-1在测试系统底座2-3上的安放；调平地脚螺栓2-4分布在测试系统底座2-3的4个角落，调平地脚螺纹孔2-3-2与调平地脚螺栓2-4配合，用以保证测试系统底座2-3的水平度。

如图1、图5、图6、图7所示，有机玻璃罩及其标尺组件3由有机玻璃罩3-1、位置信息参考标尺3-2、飞行昆虫投放方孔挡板3-3、飞行昆虫投放方孔挡板固定螺栓3-4等组成。其中，有机玻璃罩3-1设置碳纤维弹簧安放方孔3-1-1、高帧数相机镜头移动通道3-1-2、飞行昆虫投放方孔3-1-3等；有机玻璃罩3-1右侧设置碳纤维弹簧安放方孔3-1-1，作为碳纤维弹簧1-1的安放通道；飞行昆虫投放方孔挡板3-3设置飞行昆虫投放方孔挡板固定螺纹孔3-3-1，用以实现飞行昆虫投放方孔挡板固定螺纹孔3-3-1与飞行昆虫投放方孔挡板固定螺栓3-4的配合。高帧数相机4-1可通过高帧数相机镜头移动通道3-1-2进入有机玻璃罩3-1，用于飞行昆虫接触反力测试过程中测试图像的清晰拍摄；飞行昆虫投放方孔3-1-3为飞行昆虫的投放通道，可采用飞行昆虫投放方孔挡板3-3进行遮挡，以防止飞行昆虫飞离有机玻璃罩3-1；飞行昆虫投放方孔挡板固定螺纹孔3-3-1与飞行昆虫投放方孔挡板固定螺栓3-4配合，用以实现有机玻璃罩3-1与飞行昆虫投放方孔挡板3-3的固定安装。有机玻璃罩3-1的背面放置位置信息参考标尺3-2，用于精确获取碳纤维弹簧1-1在飞行昆虫接触反力测试过程中的位置数据。

如图1、图8、图9所示，高帧数相机及其固定组件4由高帧数相机4-1、高帧数相机连接件4-2、三脚架4-3、高帧数相机连接件固定螺栓4-3-1、三脚架固定元件4-3-2、水平固定螺栓4-3-3、承重支架4-3-4、垂直固定螺栓4-3-5等组成。其中，高帧数相机连接件4-2设置高帧数相机固定螺纹孔4-2-1、高帧数相机连接件固定螺纹孔4-2-2。高帧数相机4-1与高帧数相机连接件4-2的固定是通过高帧数相机固定螺纹孔4-2-1及螺钉实现的；高帧数相机连接件固定螺纹孔4-2-2与高帧数相机连接件固定螺栓4-3-1配合，用以实现高帧数相机连接件4-2与三脚架4-3的连接；三脚架4-3由高帧数相机连接件固定螺栓4-3-1、三脚架固定元件4-3-2、水平固定螺栓4-3-3、承重支架4-3-4、垂直固定螺栓4-3-5等组成。拧紧水平固定螺栓4-3-3，以此实现高帧数相机连接件固定螺栓4-3-1与三脚架固定元件4-3-2的固定安装；拧紧垂直固定螺栓4-3-5，以此实现三脚架固定元件4-3-2与承重支架4-3-4的固定安装。

下面结合附图，对本发明的工作过程作详细阐述。以苍蝇作为本发明实施例的测试对象，重量为29.65毫克。

如图1、图2、图3、图4所示，测试系统底座2-3作为测试系统的支撑平台，其具有刚度好、稳定性高等特点，测试系统底座2-3上表面长220.0毫米、宽110.0毫米，厚度为10.0毫米，用于放置碳纤维弹簧及其固定组件1、LED照明光源2-1、LED照明光源固定斜台2-2、有机玻璃罩及其标尺组件3等。一种基于偏转角的飞行昆虫降落/起飞接触反力测试系统及测试方法，其核心部件为碳纤维弹簧及其固定组件1与高帧数相机及其固定组件4，Z字形支座1-2的材质为铝合金，与碳纤维弹簧固定压板1-4固定安装的表面长11.0毫米、宽10.5毫米，用于螺钉固定安装的表面长15.0毫米、宽11.0毫米；碳纤维弹簧固定压板1-4的材质为铝合金，上表面长11.0毫米、宽7.5毫米，高度为2.0毫米，橡胶垫1-3的材质为橡胶，橡胶垫1-3上表面长11.0毫米、宽7.5毫米，高度为1.5毫米；碳纤维弹簧固定压板1-4与橡胶垫1-3紧密贴合，然后固定安装在Z字形支座1-2表面，并与Z字形支座1-2上表面的左侧边缘相对齐，碳纤维弹簧1-1放置于Z字形支座1-2与橡胶垫1-3之间，通过夹紧螺栓1-5实现碳纤维弹簧1-1与碳纤维弹簧固定压板1-4的固定安装。Z字形支座1-2设置2个直径为2.5毫米的通孔，将M2×6螺钉与Z字形支座固定螺纹孔2-3-3配合，用以实现Z字形支座1-2固定安装在测试系统底座2-3上。

如图1、图2、图3、图4所示，有机玻璃罩3-1内部放置LED照明光源2-1、LED照明光源固定斜台2-2，因为LED照明光源2-1质量较小，故LED照明光源2-1和LED照明光源固定斜台2-2之间采用双面胶粘接的方式进行固定，并放置于有机玻璃罩3-1的内部，以此提高有机玻璃罩3-1内部的光亮度，来提升飞行昆虫接触反力测试过程中拍摄图像的质量，最终提高接触反力测试数据的准确性。测试系统底座2-3设置如图4所示的有机玻璃罩安装卡槽2-3-1，有机玻璃罩安装卡槽2-3-1是按照有机玻璃罩3-1的尺寸所定制，用以实现有机玻璃罩3-1在测试系统底座2-3上的安放；有机玻璃罩安装卡槽2-3-1外侧区域长106.0毫米、宽106.0毫米，其深度为2.0毫米；测试系统底座2-3角落设置4个调平地脚螺纹孔2-3-2，用于测试系统底座2-3与调平地脚螺栓2-4的配合，以此调平测试系统的水平度并使之处于绝对水平；测试系统底座2-3右侧设置2个直径为2.0毫米的Z字形支座固定螺纹孔2-3-3，螺钉与Z字形支座固定螺纹孔2-3-3配合，用以实现Z字形支座1-2与测试系统底座2-3的固定安装。

如图1、图4、图5、图6、图7所示，有机玻璃罩3-1长106.0毫米、宽106.0毫米、高103.0毫米，其厚度为3.0毫米，具有透光能力强等优点。有机玻璃罩3-1右侧设置长12.2毫米、宽6.2毫米的碳纤维弹簧安放方孔3-1-1，安放方孔为通孔式结构；有机玻璃罩3-1正面设置直径为27.0毫米的高帧数相机镜头移动通道3-1-2，高帧数相机镜头移动通道3-1-2的圆孔中心距离有机玻璃罩3-1上表面的距离为50.0毫米；有机玻璃罩3-1上方设置长、宽均为20.0毫米的飞行昆虫投放方孔3-1-3，用以投放苍蝇；飞行昆虫投放方孔挡板3-3长30.0毫米、宽25.0毫米，将飞行昆虫投放方孔挡板3-3的飞行昆虫投放方孔挡板固定螺纹孔3-3-1与飞行昆虫投放方孔挡板固定螺栓3-4配合，用以实现有机玻璃罩3-1与飞行昆虫投放方孔挡板3-3的固定安装，以防止苍蝇飞离有机玻璃罩3-1；有机玻璃罩3-1背面的位置信息参考标尺3-2长度为100.0毫米，采用双面胶粘接的方式进行固定，用于精确获取碳纤维弹簧1-1在飞行昆虫接触反力测试过程中的位置数据。

如图1、图8、图9所示，高帧数相机4-1与高帧数相机连接件4-2的固定是通过高帧数相机固定螺纹孔4-2-1及螺钉实现的；高帧数相机连接件4-2长38.7毫米、宽30.0毫米、高10.0毫米，材质为铝合金，底部分布有4个直径为3.5毫米的高帧数相机固定螺纹孔4-2-1，螺钉与高帧数相机固定螺纹孔4-2-1配合，用于高帧数相机4-1与高帧数相机连接件4-2的固定安装；高帧数相机连接件4-2设置直径为6.3毫米的高帧数相机连接件固定螺纹孔4-2-2，高帧数相机连接件固定螺纹孔4-2-2与高帧数相机连接件固定螺栓4-3-1配合，用以实现高帧数相机连接件4-2与三脚架4-3的固定安装。三脚架4-3由高帧数相机连接件固定螺栓4-3-1、三脚架固定元件4-3-2、水平固定螺栓4-3-3、承重支架4-3-4、垂直固定螺栓4-3-5等组成。拧紧水平固定螺栓4-3-3，以此实现高帧数相机连接件固定螺栓4-3-1与三脚架固定元件4-3-2的固定安装；拧紧垂直固定螺栓4-3-5，以此实现三脚架固定元件4-3-2与承重支架4-3-4的固定安装。

如图10所示，为一种基于偏转角的飞行昆虫降落/起飞接触反力测试系统及测试方法的功能流程图。飞行昆虫接触反力的测试方法如下陈述：首先将碳纤维弹簧及其固定组件1、测试系统底座及其照明组件2、有机玻璃罩及其标尺组件3等放置在测试系统底座2-3上。将碳纤维弹簧1-1固定安装在Z字形支座1-2上，调节测试系统底座2-3的水平度并使之处于绝对水平；有机玻璃罩3-1安放在有机玻璃罩安装卡槽2-3-1上，打开LED照明光源2-1，用以提升有机玻璃罩3-1内部的光亮度，使碳纤维弹簧1-1穿过碳纤维弹簧安放方孔3-1-1，进入有机玻璃罩3-1内，使有机玻璃罩3-1内的碳纤维弹簧1-1的工作长度为50.0毫米；将高帧数相机及其固定组件4移动至高帧数相机镜头移动通道3-1-2；打开飞行昆虫投放方孔挡板3-3，将苍蝇释放到有机玻璃罩3-1内，然后迅速关闭飞行昆虫投放方孔挡板3-3，以防止苍蝇飞离有机玻璃罩3-1。苍蝇在无人为干扰状态下（不影响昆虫的生理活性）降落至碳纤维弹簧1-1或从碳纤维弹簧1-1起飞时，会使碳纤维弹簧1-1产生偏转角，此时高帧数相机4-1对整个过程进行高清视频记录，对所记录的视频转换成图片，并导入到已获登记的软件著作权“仿生原型微形貌结构偏转角求解系统（登记号：2020SR1187508）”中；然后分析获取碳纤维弹簧1-1的偏转角数据

其中，

本发明提供一种基于偏转角的飞行昆虫降落/起飞接触反力测试系统及测试方法，专门用于测试飞行昆虫降落/起飞时在界面产生的接触反力，具有测力精度毫-微牛级、测试过程无人为干扰、测试系统结构简便等优点。