用於運動狀態下圖像與接觸力的同步採集系統的製作方法
2023-12-04 02:37:01 2
用於運動狀態下圖像與接觸力的同步採集系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於運動狀態下圖像與接觸力的同步採集系統，包括傳感器陣列、高速攝像機、數據信號採集模塊、信號發生器、數據伺服器及固定支架，其中圖像傳感器包括位於具有透明面的固定臺內的傳像光纖束和光電傳感器；所述傳像光纖束的一端連接在固定臺透明面上，傳像光纖束的另一端連接光電傳感器，利用傳像光纖束形成通道採集動物與固定臺透明面的接觸面圖像；所述力學傳感器通過連杆與固定臺固定連接，同步採集動物與受力面的接觸受力。本發明可實現對動物運動中接觸面圖像、運動受力及運動狀態下的運動姿態的全方位採集，有助於分析動物運動中的腳掌和接觸面間的相互作用力，提高自動化和全面性，充分掌握動物運動過程。
【專利說明】用於運動狀態下圖像與接觸力的同步採集系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種圖像與接觸力數據的同步採集系統，尤其涉及一種用於運動狀態下圖像與接觸力的同步採集系統，屬於測試傳感器領域。
【背景技術】
[0002]運動是動物的基本特徵，是捕食、逃逸、生殖、遷移等行為的基礎。壁虎、蜘蛛等具有三維空間無障礙運動的代表，通過足掌和接觸面間的相互作用力，能夠實現各種表面位置的驅動、穩定、機動的運動行為；對可粘附動物運動過程中其粘脫附行為以及與運動表面間相互作用力的研究，可幫助揭示動物粘脫附最基本的物理學機制，同時為仿生爬壁機器人的步足系統設計提供指導和借鑑。
[0003]目前關於粘脫附機制的研究主要集中於人為操作下的非自主的單元性實驗，如在人工操作下對可粘附動物(大壁虎)的粘附單元(單個腳趾或者單根剛毛)的摩擦粘附實驗，以測試其粘附極限等。人為操作下的非自主的單元性實驗使得整個可粘附動物粘附系統的研究受到很大的局限，無法觀測其在粘附過程中粘附單元的自由粘脫附狀態，以及各個粘附單元(如腳趾與腳趾間)間的相互協調作用時，各個粘附單元間的內在協調及優化機制。
[0004]為了能夠觀測粘附動物在自由運動狀態下的運動姿態、運動反力以及粘附單元腹面形態變化，測試系統就需要實現各個數據的同步記錄。專利(CN101380235A)介紹的爬行動物足-面接觸力的測試系統，能夠實現粘附動物運動姿態、粘附單元背面以及運動受力之間的相互關係；但是很難滿足實現實時觀測粘附單元在整個自由運動狀態下的接觸狀態及展現各粘附單元間的協調粘附狀態，不能夠同步提供粘附單元腹面形態變化，以計算接觸面積，評價粘附系統的冗餘度、粘附極限等。而在專利(CN201110152933)中給出的通過數碼碼相機、控制數位相機移動的步進電機與連接裝置構成系統，來解決對實驗動物的運動、神態、體色等多項指標的採集分析等，根據專利(CN101380235A)中所闡述的測力系統，具有滑軌控制的相機成像由於受到力學傳感器的遮擋很難採集到全部圖像，同時由於動物的快速運動與相機的運動會增加後期的圖像還原處理，成像效果不理想。在專利(CN201010249155)給出的動物腹部吸盤輪廓採集技術，顯然有利於計算出動物與表面接觸時的面積，但是此方式是無法獲得動物在運動全局範圍內與表面接觸過程的情形，因此存在局限。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題在於克服現有技術的不足，本發明提供一種用於運動狀態下圖像與接觸力的同步採集系統，有效的同步獲得動物在多表面的運動姿態、運動受力以及腳掌與接觸表面完整粘附脫附過程的數據，以幫助揭示動物粘脫附最基本的物理學機制，實現對仿生粘附結構的優化設計等提供生物依據。
[0006]本發明具體採用以下技術方案解決上述技術問題:
用於運動狀態下圖像與接觸力的同步採集系統，包括傳感器陣列、高速攝像機、數據信號採集模塊、信號發生器、數據伺服器及用於固定傳感器陣列的固定支架，利用信號發生器發出脈衝信號控制傳感器陣列和高速攝像機同步採集動物的接觸面信息和運動姿態，將採集的信號通過數據信號採集模塊進行調理後傳輸至數據伺服器處理；所述傳感器陣列至少包括一組圖像傳感器和力學傳感器，其中所述圖像傳感器包括位於具有透明面的固定臺內的傳像光纖束和光電傳感器；所述傳像光纖束的一端連接在固定臺透明面上，傳像光纖束的另一端連接光電傳感器，利用傳像光纖束形成通道採集動物與固定臺透明面的接觸面圖像；所述力學傳感器通過連杆與固定臺固定連接，同步採集動物與受力面的接觸受力。
[0007]作為本發明的一種優選技術方案:所述固定臺的透明面由玻璃製成。
[0008]作為本發明的一種優選技術方案:所述高速攝像機的視軸中心線與傳感器陣列所在的平面垂直。
[0009]作為本發明的一種優選技術方案:所述傳感器陣列通過固定支架實現任意調節角度。
[0010]本發明採用上述技術方案，能產生如下技術效果:
本發明的用於運動狀態下圖像與接觸力的同步採集系統，將圖像傳感器置於力學傳感器的一端，將圖像傳感器所在的固定臺作為力學傳感器與運動物體的接觸表面，當動物在圖像傳感器表面運動時，圖像傳感器通過傳像光纖束形成通道採集動物與固定臺透明面的接觸面圖像，同時力學傳感器同步採集動物與受力面的接觸受力，且高速攝像機同步採集動物運動下的運動姿態，因此，整體實現對動物運動中的腳掌接觸狀態圖像、腳掌的運動受力及運動狀態下的運動姿態的全方位採集，並利用採集的各數據信息進行分析和顯示。通過增加動物與接觸面的圖像數據，充分掌握動物運動過程，有助於分析動物運動中的腳掌和接觸面間的相互作用力，便於對可粘附動物運動過程中其粘脫附行為以及與運動表面間相互作用力的研究，提高自動化和全面性，使得系統的使用效率提高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為本發明的用於運動狀態下圖像與接觸力的同步採集系統的結構示意圖。
[0012]其中標號解釋:1_數據伺服器，2-信號發生器，3-高速攝像機4-傳感器陣列，5-數據信號調理模塊，6-固定支架。
[0013]圖2為本發明中傳感器陣列所在平面示意圖。
[0014]圖3為本發明中圖像傳感器和力學傳感器位置關係示意圖。
[0015]圖4為本發明中圖像傳感器的結構示意圖。
[0016]其中標號解釋:a_圖像傳感器，b_力學傳感器，c -固定臺，d -傳像光纖束，e_光電傳感器，f-數據線。
【具體實施方式】
[0017]下面結合說明書附圖對本發明的實施方式進行描述。
[0018]如圖1和圖3、圖4所示，本發明設計了一種用於運動狀態下圖像與接觸力的同步採集系統，包括傳感器陣列4、高速攝像機3、數據信號採集模塊5、信號發生器2、數據伺服器I及用於固定傳感器陣列的固定支架6，利用信號發生器2發出脈衝信號控制傳感器陣列4和高速攝像機3同步採集動物的接觸面信息和運動姿態，將採集的信號通過數據信號採集模塊5進行調理後傳輸至數據伺服器I處理；所述傳感器陣列4至少包括一組圖像傳感器a和力學傳感器b，其中所述圖像傳感器a包括位於具有透明面的固定臺c內的傳像光纖束d和光電傳感器e ;所述傳像光纖束d的一端連接在固定臺c透明面上,傳像光纖束d的另一端連接光電傳感器e，利用傳像光纖束d形成通道採集動物與固定臺c透明面的接觸面圖像；所述力學傳感器b通過連杆與固定臺c固定連接，同步採集動物與受力面的接觸受力。
[0019]其中，固定臺c透明面可以採用現有技術中公知的透明材料構成，如由透明玻璃或者透明塑料製成，形 成一個薄片結構來替代受力面片同時能夠實現圖像的採集。對於高速攝像機3，其視軸中心線與傳感器陣列4所在的平面垂直，高速攝像機3可以通過固定支架6與傳感器陣列4所在的定位結構形成一個整體,也可以單獨固定，實現高速攝像機3視軸中心線與傳感器陣列4所在的平面垂直進行動物運動狀態的採集即可。
[0020]對於傳感器陣列4可以包括多組力學傳感器b和圖像傳感器a，如圖2所示，傳感器陣列所在平面示意圖，圖中給出傳感器陣列4的所在平面是由多個圖像傳感器a內的固定臺c組成的。傳感器陣列4的底部與固定支架6連接的地方則為力學傳感器b所在的區域。光電傳感器e、力學傳感器b通過數據線f連接數據信號採集模塊5，將感應到相應的信號通過數據線f傳輸到數據信號採集模塊5。
[0021]對於固定在固定支架6上的傳感器陣列4能夠通過固定支架6整體實現不同角度的調節，但是若傳感器陣列4的表面相對於固定支架6發生變化，則高速攝像機3需要與之配合轉動相應角度，保證其視軸中心線與傳感器陣列4所在的平面垂直即可，從而實現傳感器陣列4以及高速攝像機3採集不同角度下的動物運動表徵。
[0022]系統整體利用多個圖像傳感器a、力學傳感器b組成傳感器陣列4後，實現對運動在傳感器陣列4表面的動物運動中的腳掌接觸狀態圖像、腳掌的運動受力及運動狀態下的運動姿態的全方位採集，採集後的運動信息通過數據信號採集模塊5進行調理，然後再傳輸至數據伺服器I進行分析處理和顯示，根據獲得的數據，充分掌握動物運動過程，分析動物運動中的腳掌和接觸面間的相互作用力，實現對可粘附動物運動過程中其粘脫附行為以及與運動表面間相互作用力的研究。
[0023]為了驗證本發明能夠同步採集到動物運動狀態下的運動狀態信息，例舉一實施例進行驗證。
[0024]實施例按照圖1至4結構組建系統,傳像光纖束d和光電傳感器e均固定於固定臺c中，其中選擇質量輕、剛度強以及傳像率高的傳像光纖束d，將傳像光纖束d按照圖4所示的形狀構造上大下小的固定臺c內部結構，上端緊貼固定結構c的內表面，下端直接與光電傳感器e接觸，光電傳感器e接收上端傳遞的圖像，實現圖像採集。
[0025]固定臺c的結構成立方體狀，剛度強，其表面的透明面採用玻璃面，玻璃表面的下表面與傳像光纖束d的上端接觸，便於成像；固定臺c作為整體通過一個連杆固定在力學傳感器b的一端，實現圖像傳感器a與力學傳感器b的結構定位，形成傳感器陣列4，滿足力學數據與圖像同步採集需求。
[0026]將高速攝像機3的視軸中心線與傳感器陣列4所在的平面垂直。當動物開始在傳感器陣列4表面運動時,信號發生器2發出脈衝信號控制光電傳感器e、力學傳感器b同時同步進行採集。腳掌運動接觸傳像光纖束d的上的玻璃面時，相對應的力學傳感器b接收受力變化，將力學數據傳遞給數據信號採集模塊5 ;與此同時，光電傳感器e則採集來自傳像光纖束d的圖像，並將圖像數據通過數據線f傳遞給數據信號採集模塊5 ;從而實現同一腳掌在觸及力學傳感器時實現的力數據與圖像數據的同步採集。數據信號採集模塊5再將力和圖像數據、高速圖像內存數據上傳到數據伺服器1，實現各數據信息的同步顯示，數據伺服器I再結合三個數據，綜合分析動物運動中的腳掌和接觸面間的相互作用力，可以得到動物運動的全方位數據及其關係，再顯示出其結果。
[0027]根據上述實施例 能夠驗證本發明對可粘附動物爬行姿態、粘附單元腹面或腳掌形態以及附力的同步採集，能夠便於分析，掌握動物運動過程，有助於對可粘附動物運動過程中其粘脫附行為以及與運動表面間相互作用力的研究，提高自動化和全面性。
[0028]上面結合附圖對本發明的實施方式作了詳細說明，但是本發明並不限於上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識範圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下做出各種變化。
【權利要求】
1.用於運動狀態下圖像與接觸力的同步採集系統，包括傳感器陣列、高速攝像機、數據信號採集模塊、信號發生器、數據伺服器及用於固定傳感器陣列的固定支架，利用信號發生器發出脈衝信號控制傳感器陣列和高速攝像機同步採集動物的接觸面信息和運動姿態，將採集的信號通過數據信號採集模塊進行調理後傳輸至數據伺服器處理；其特徵在於:所述傳感器陣列至少包括一組圖像傳感器和力學傳感器，其中所述圖像傳感器包括位於具有透明面的固定臺內的傳像光纖束和光電傳感器；所述傳像光纖束的一端連接在固定臺透明面上，傳像光纖束的另一端連接光電傳感器，利用傳像光纖束形成通道採集動物與固定臺透明面的接觸面圖像；所述力學傳感器通過連杆與固定臺固定連接，同步採集動物與受力面的接觸受力。
2.根據權利要求1所述用於運動狀態下圖像與接觸力的同步採集系統，其特徵在於:所述固定臺的透明面由玻璃製成。
3.根據權利要求1所述用於運動狀態下圖像與接觸力的同步採集系統，其特徵在於:所述高速攝像機的視軸中心線與傳感器陣列所在的平面垂直。
4.根據權利要求1所述用於運動狀態下圖像與接觸力的同步採集系統，其特徵在於:所述傳感器陣列通過固定支架實現 任意調節角度。
【文檔編號】A61B5/11GK103654803SQ201310624145
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月29日 優先權日:2013年11月29日
【發明者】王周義, 邢強, 戴振東, 吉愛紅, 王浩 申請人:南京航空航天大學