用于昆虫足力测试的三维微力传感器

(1）南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所 （2）南京航空航天大学机电学院 [摘 要]：介绍一种三维微力传感器的结构和工作原理，该传感器量程为-0.01～0.01N，分辨力为10μN，用于测量昆虫爬行时足底与接触面间的三维接触力。通过运用Ansys有限元分析软件，对这种结构的传感器进行结构静力分析和模态分析，验证这种结构传感器用于小量程三维接触力测量的可行性。昆虫爬行足力试验测试以及相关的试验数据表明：可以满足生物试验要求。 0 引 言 自然界中，很多生物（如，蟑螂、壁虎等）可以在各种复杂的表面（墙壁、天花板）上自如地爬行，其爬行的速度快，优异的稳定性以及机动性，一直受到人们的关注。近年来，很多生物学家在相关学科的帮助下，运用各种测试手段，获取动物运动过程中的生物力学信息，通过测试结果分析研究生物运动的机理，进而揭开生物成功的奥秘。2000年，美国学者Kellar Autumn等人利用一个二维微力传感器测试壁虎脚掌上单根刚毛的黏着力，并得出结论：壁虎刚毛靠范德瓦尔兹（Van Der Waals）力粘附接触面，步揭示壁虎在光滑的壁面和天花板爬行时的吸附机制提供了极为重要的依据。 随着仿生机器学的不断发展，工程技术人员可以通过研究生物运动进一步提供机器人等复杂系统的性能。1998年，台湾逢甲大学研制足力传感器测量人在步行的不同阶段脚掌与接触面之间的接触反力，为两足步行机器人的研制提供设计依据。三维足底接触力在机器人驱动和保持平衡的过程中起到很大作用。根据现有的对昆虫足力测试结果，昆虫的足与表面之间的接触力是三维接触力，力的大小町达到昆虫体重的10～20倍。因此，昆虫足力测试也需要相应的三维微力传感器。了解昆虫在不同表面（地面、壁面、天花板等）上爬行时脚掌与接触面间三维接触力学规律，将为研制仿生爬壁机器人及工作于各种复杂环境下的其他特种机器人提供客观依据。 1 三维微力传感器 2 弹性体有限元分析 图2 应变分布图 表1 传感器固有频率和振型特征 根据其一阶固有频率的2/3来确定该传感器的工作频率带宽为0～40Hz，属于低通型传感器。 3 昆虫试验 4 结 论 昆虫足力试验测试表明：采用这种倒“L”，型的弹性体结构，通过在金属弹性体上加工出薄的截面，选择灵敏系数大的半导体应变计，采用加长悬臂梁等方法，制成的三维微力传感器，可以满足测量昆虫爬行过程中足底与表面接触力的需要。同时，由于测力片在加长悬臂梁的一端，可以将多个测力片拼成一个较大的测力平面，从而形成一个测量三维微力传感器阵列。这样，通过对爬行于测力表面的昆虫的足力测量，将同时获得昆虫各个脚掌与表面接触过程中力的大小和方向，为仿生学的研究带来更有意义的启示。