用于运动状态下图像与接触力的同步采集系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于运动状态下图像与接触力的同步采集系统，包括传感器阵列、高速摄像机、数据信号采集模块、信号发生器、数据服务器及固定支架，其中图像传感器包括位于具有透明面的固定台内的传像光纤束和光电传感器；所述传像光纤束的一端连接在固定台透明面上，传像光纤束的另一端连接光电传感器，利用传像光纤束形成通道采集动物与固定台透明面的接触面图像；所述力学传感器通过连杆与固定台固定连接，同步采集动物与受力面的接触受力。本发明可实现对动物运动中接触面图像、运动受力及运动状态下的运动姿态的全方位采集，有助于分析动物运动中的脚掌和接触面间的相互作用力，提高自动化和全面性，充分掌握动物运动过程。
【专利说明】用于运动状态下图像与接触力的同步采集系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种图像与接触力数据的同步采集系统，尤其涉及一种用于运动状态下图像与接触力的同步采集系统，属于测试传感器领域。
【背景技术】
[0002]运动是动物的基本特征，是捕食、逃逸、生殖、迁移等行为的基础。壁虎、蜘蛛等具有三维空间无障碍运动的代表，通过足掌和接触面间的相互作用力，能够实现各种表面位置的驱动、稳定、机动的运动行为；对可粘附动物运动过程中其粘脱附行为以及与运动表面间相互作用力的研究，可帮助揭示动物粘脱附最基本的物理学机制，同时为仿生爬壁机器人的步足系统设计提供指导和借鉴。
[0003]目前关于粘脱附机制的研究主要集中于人为操作下的非自主的单元性实验，如在人工操作下对可粘附动物(大壁虎)的粘附单元(单个脚趾或者单根刚毛)的摩擦粘附实验，以测试其粘附极限等。人为操作下的非自主的单元性实验使得整个可粘附动物粘附系统的研究受到很大的局限，无法观测其在粘附过程中粘附单元的自由粘脱附状态，以及各个粘附单元(如脚趾与脚趾间)间的相互协调作用时，各个粘附单元间的内在协调及优化机制。
[0004]为了能够观测粘附动物在自由运动状态下的运动姿态、运动反力以及粘附单元腹面形态变化，测试系统就需要实现各个数据的同步记录。专利(CN101380235A)介绍的爬行动物足-面接触力的测试系统，能够实现粘附动物运动姿态、粘附单元背面以及运动受力之间的相互关系；但是很难满足实现实时观测粘附单元在整个自由运动状态下的接触状态及展现各粘附单元间的协调粘附状态，不能够同步提供粘附单元腹面形态变化，以计算接触面积，评价粘附系统的冗余度、粘附极限等。而在专利(CN201110152933)中给出的通过数码码相机、控制数码相机移动的步进电机与连接装置构成系统，来解决对实验动物的运动、神态、体色等多项指标的采集分析等，根据专利(CN101380235A)中所阐述的测力系统，具有滑轨控制的相机成像由于受到力学传感器的遮挡很难采集到全部图像，同时由于动物的快速运动与相机的运动会增加后期的图像还原处理，成像效果不理想。在专利(CN201010249155)给出的动物腹部吸盘轮廓采集技术，显然有利于计算出动物与表面接触时的面积，但是此方式是无法获得动物在运动全局范围内与表面接触过程的情形，因此存在局限。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，本发明提供一种用于运动状态下图像与接触力的同步采集系统，有效的同步获得动物在多表面的运动姿态、运动受力以及脚掌与接触表面完整粘附脱附过程的数据，以帮助揭示动物粘脱附最基本的物理学机制，实现对仿生粘附结构的优化设计等提供生物依据。
[0006]本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题:
用于运动状态下图像与接触力的同步采集系统，包括传感器阵列、高速摄像机、数据信号采集模块、信号发生器、数据服务器及用于固定传感器阵列的固定支架，利用信号发生器发出脉冲信号控制传感器阵列和高速摄像机同步采集动物的接触面信息和运动姿态，将采集的信号通过数据信号采集模块进行调理后传输至数据服务器处理；所述传感器阵列至少包括一组图像传感器和力学传感器，其中所述图像传感器包括位于具有透明面的固定台内的传像光纤束和光电传感器；所述传像光纤束的一端连接在固定台透明面上，传像光纤束的另一端连接光电传感器，利用传像光纤束形成通道采集动物与固定台透明面的接触面图像；所述力学传感器通过连杆与固定台固定连接，同步采集动物与受力面的接触受力。
[0007]作为本发明的一种优选技术方案:所述固定台的透明面由玻璃制成。
[0008]作为本发明的一种优选技术方案:所述高速摄像机的视轴中心线与传感器阵列所在的平面垂直。
[0009]作为本发明的一种优选技术方案:所述传感器阵列通过固定支架实现任意调节角度。
[0010]本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果:
本发明的用于运动状态下图像与接触力的同步采集系统，将图像传感器置于力学传感器的一端，将图像传感器所在的固定台作为力学传感器与运动物体的接触表面，当动物在图像传感器表面运动时，图像传感器通过传像光纤束形成通道采集动物与固定台透明面的接触面图像，同时力学传感器同步采集动物与受力面的接触受力，且高速摄像机同步采集动物运动下的运动姿态，因此，整体实现对动物运动中的脚掌接触状态图像、脚掌的运动受力及运动状态下的运动姿态的全方位采集，并利用采集的各数据信息进行分析和显示。通过增加动物与接触面的图像数据，充分掌握动物运动过程，有助于分析动物运动中的脚掌和接触面间的相互作用力，便于对可粘附动物运动过程中其粘脱附行为以及与运动表面间相互作用力的研究，提高自动化和全面性，使得系统的使用效率提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明的用于运动状态下图像与接触力的同步采集系统的结构示意图。
[0012]其中标号解释:1_数据服务器，2-信号发生器，3-高速摄像机4-传感器阵列，5-数据信号调理模块，6-固定支架。
[0013]图2为本发明中传感器阵列所在平面示意图。
[0014]图3为本发明中图像传感器和力学传感器位置关系示意图。
[0015]图4为本发明中图像传感器的结构示意图。
[0016]其中标号解释:a_图像传感器，b_力学传感器，c -固定台，d -传像光纤束，e_光电传感器，f-数据线。
【具体实施方式】
[0017]下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
[0018]如图1和图3、图4所示，本发明设计了一种用于运动状态下图像与接触力的同步采集系统，包括传感器阵列4、高速摄像机3、数据信号采集模块5、信号发生器2、数据服务器I及用于固定传感器阵列的固定支架6，利用信号发生器2发出脉冲信号控制传感器阵列4和高速摄像机3同步采集动物的接触面信息和运动姿态，将采集的信号通过数据信号采集模块5进行调理后传输至数据服务器I处理；所述传感器阵列4至少包括一组图像传感器a和力学传感器b，其中所述图像传感器a包括位于具有透明面的固定台c内的传像光纤束d和光电传感器e ;所述传像光纤束d的一端连接在固定台c透明面上,传像光纤束d的另一端连接光电传感器e，利用传像光纤束d形成通道采集动物与固定台c透明面的接触面图像；所述力学传感器b通过连杆与固定台c固定连接，同步采集动物与受力面的接触受力。
[0019]其中，固定台c透明面可以采用现有技术中公知的透明材料构成，如由透明玻璃或者透明塑料制成，形 成一个薄片结构来替代受力面片同时能够实现图像的采集。对于高速摄像机3，其视轴中心线与传感器阵列4所在的平面垂直，高速摄像机3可以通过固定支架6与传感器阵列4所在的定位结构形成一个整体,也可以单独固定，实现高速摄像机3视轴中心线与传感器阵列4所在的平面垂直进行动物运动状态的采集即可。
[0020]对于传感器阵列4可以包括多组力学传感器b和图像传感器a，如图2所示，传感器阵列所在平面示意图，图中给出传感器阵列4的所在平面是由多个图像传感器a内的固定台c组成的。传感器阵列4的底部与固定支架6连接的地方则为力学传感器b所在的区域。光电传感器e、力学传感器b通过数据线f连接数据信号采集模块5，将感应到相应的信号通过数据线f传输到数据信号采集模块5。
[0021]对于固定在固定支架6上的传感器阵列4能够通过固定支架6整体实现不同角度的调节，但是若传感器阵列4的表面相对于固定支架6发生变化，则高速摄像机3需要与之配合转动相应角度，保证其视轴中心线与传感器阵列4所在的平面垂直即可，从而实现传感器阵列4以及高速摄像机3采集不同角度下的动物运动表征。
[0022]系统整体利用多个图像传感器a、力学传感器b组成传感器阵列4后，实现对运动在传感器阵列4表面的动物运动中的脚掌接触状态图像、脚掌的运动受力及运动状态下的运动姿态的全方位采集，采集后的运动信息通过数据信号采集模块5进行调理，然后再传输至数据服务器I进行分析处理和显示，根据获得的数据，充分掌握动物运动过程，分析动物运动中的脚掌和接触面间的相互作用力，实现对可粘附动物运动过程中其粘脱附行为以及与运动表面间相互作用力的研究。
[0023]为了验证本发明能够同步采集到动物运动状态下的运动状态信息，例举一实施例进行验证。
[0024]实施例按照图1至4结构组建系统,传像光纤束d和光电传感器e均固定于固定台c中，其中选择质量轻、刚度强以及传像率高的传像光纤束d，将传像光纤束d按照图4所示的形状构造上大下小的固定台c内部结构，上端紧贴固定结构c的内表面，下端直接与光电传感器e接触，光电传感器e接收上端传递的图像，实现图像采集。
[0025]固定台c的结构成立方体状，刚度强，其表面的透明面采用玻璃面，玻璃表面的下表面与传像光纤束d的上端接触，便于成像；固定台c作为整体通过一个连杆固定在力学传感器b的一端，实现图像传感器a与力学传感器b的结构定位，形成传感器阵列4，满足力学数据与图像同步采集需求。
[0026]将高速摄像机3的视轴中心线与传感器阵列4所在的平面垂直。当动物开始在传感器阵列4表面运动时,信号发生器2发出脉冲信号控制光电传感器e、力学传感器b同时同步进行采集。脚掌运动接触传像光纤束d的上的玻璃面时，相对应的力学传感器b接收受力变化，将力学数据传递给数据信号采集模块5 ;与此同时，光电传感器e则采集来自传像光纤束d的图像，并将图像数据通过数据线f传递给数据信号采集模块5 ;从而实现同一脚掌在触及力学传感器时实现的力数据与图像数据的同步采集。数据信号采集模块5再将力和图像数据、高速图像内存数据上传到数据服务器1，实现各数据信息的同步显示，数据服务器I再结合三个数据，综合分析动物运动中的脚掌和接触面间的相互作用力，可以得到动物运动的全方位数据及其关系，再显示出其结果。
[0027]根据上述实施例 能够验证本发明对可粘附动物爬行姿态、粘附单元腹面或脚掌形态以及附力的同步采集，能够便于分析，掌握动物运动过程，有助于对可粘附动物运动过程中其粘脱附行为以及与运动表面间相互作用力的研究，提高自动化和全面性。
[0028]上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
【权利要求】
1.用于运动状态下图像与接触力的同步采集系统，包括传感器阵列、高速摄像机、数据信号采集模块、信号发生器、数据服务器及用于固定传感器阵列的固定支架，利用信号发生器发出脉冲信号控制传感器阵列和高速摄像机同步采集动物的接触面信息和运动姿态，将采集的信号通过数据信号采集模块进行调理后传输至数据服务器处理；其特征在于:所述传感器阵列至少包括一组图像传感器和力学传感器，其中所述图像传感器包括位于具有透明面的固定台内的传像光纤束和光电传感器；所述传像光纤束的一端连接在固定台透明面上，传像光纤束的另一端连接光电传感器，利用传像光纤束形成通道采集动物与固定台透明面的接触面图像；所述力学传感器通过连杆与固定台固定连接，同步采集动物与受力面的接触受力。
2.根据权利要求1所述用于运动状态下图像与接触力的同步采集系统，其特征在于:所述固定台的透明面由玻璃制成。
3.根据权利要求1所述用于运动状态下图像与接触力的同步采集系统，其特征在于:所述高速摄像机的视轴中心线与传感器阵列所在的平面垂直。
4.根据权利要求1所述用于运动状态下图像与接触力的同步采集系统，其特征在于:所述传感器阵列通过固定支架实现 任意调节角度。
【文档编号】A61B5/11GK103654803SQ201310624145
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】王周义, 邢强, 戴振东, 吉爱红, 王浩 申请人:南京航空航天大学