基于PXIe的動(dòng)物在不同表面運(yùn)動(dòng)力學(xué)測試系統(tǒng)

葛承濱，吉愛紅，姚 寧，顧 偉，郭朝龍，3

（1.南京航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所，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；3.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210016）

0 引言

由于自然環(huán)境的復(fù)雜多變，許多動(dòng)物在進(jìn)化的過程中，形成了獨(dú)特的粘附方式［1-3］。對它們運(yùn)動(dòng)行為和力學(xué)行為的研究［4-5］，可以為仿生機(jī)器人的研究發(fā)展提供重要理論依據(jù)。目前研究動(dòng)物運(yùn)動(dòng)和力學(xué)行為的設(shè)備主要有傳感器陣列測試平臺(tái)［6］、三維力測試平臺(tái)［7-8］等。在此，研制了一套動(dòng)物運(yùn)動(dòng)力學(xué)測試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集過程實(shí)際上是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、顯示及存儲(chǔ)的過程，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［9］。運(yùn)動(dòng)力學(xué)測試系統(tǒng)工作的一般過程是首先利用傳感器把目標(biāo)動(dòng)物的力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再通過PXIe數(shù)據(jù)采集模塊對信號(hào)進(jìn)行采集和處理，最后在Lab-VIEW程序中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、顯示和保存；與此同時(shí)，利用高速攝像機(jī)同步記錄動(dòng)物運(yùn)動(dòng)行為信息。力學(xué)數(shù)據(jù)和行為數(shù)據(jù)的同步采集通過單片機(jī)（AVR Mega16）觸發(fā)實(shí)現(xiàn)［10］。測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 力學(xué)數(shù)據(jù)采集

2.1.1 傳感器

測試系統(tǒng)采用的傳感器是電阻應(yīng)變式低通三維力傳感器［11］，量程為1.5N，精度可達(dá)1mN。

2.1.2 測力平臺(tái)結(jié)構(gòu)

測試系統(tǒng)的目的是測量壁虎等動(dòng)物在完整運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)行為的變化，所以目標(biāo)動(dòng)物應(yīng)該限制在指定的運(yùn)動(dòng)通道內(nèi)按指定的路徑運(yùn)動(dòng)，以保證實(shí)驗(yàn)的成功率。先用4個(gè)傳感器與底板、承力板和基板搭建了測力平臺(tái)框架，在該框架的上方采用有機(jī)玻璃和平面鏡設(shè)計(jì)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)通道，如圖2a所示。該運(yùn)動(dòng)通道既能夠保證目標(biāo)動(dòng)物按照給定路線運(yùn)動(dòng)，又能夠通過兩側(cè)與運(yùn)動(dòng)平面成角度的平面鏡準(zhǔn)確反映動(dòng)物運(yùn)動(dòng)時(shí)的幾何信息。在實(shí)際測量中，可以使用不同特性的薄膜作為實(shí)驗(yàn)表面，將其粘在承力板上，只需卸下承力板即可更換實(shí)驗(yàn)表面，這樣可以大大減少對傳感器的損傷。

為了檢測試驗(yàn)平臺(tái)的精度，在承力板表面的不同位置不同方向加載相同的載荷，并觀察測試系統(tǒng)的輸出結(jié)果。此平臺(tái)的量程為1.5N，所以，在承力板上，沿X，Y，Z方向懸置50g，100g和150g砝碼來檢測測量誤差。在承力板上選取13個(gè)點(diǎn)（圖2b中承力板上的白點(diǎn)），每個(gè)點(diǎn)每個(gè)方向各做5次實(shí)驗(yàn)，施加150g時(shí)各方向的最大耦合誤差如表1所示。由于各個(gè)方向的耦合誤差都小于6%，所以設(shè)計(jì)滿足實(shí)驗(yàn)要求。

圖2 測力平臺(tái)結(jié)構(gòu)

表1 測力平臺(tái)不同方向上加載150 g的最大耦合誤差 %

2.1.3 信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集模塊

信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集是整個(gè)測試系統(tǒng)中最為重要的環(huán)節(jié)之一，其關(guān)鍵部分為數(shù)據(jù)采集卡。系統(tǒng)選用的是PXIe數(shù)據(jù)采集卡。

PXIe采集卡集信號(hào)調(diào)理和數(shù)／模轉(zhuǎn)換為一體，采用PXIe-8130為實(shí)時(shí)控制器，用PXIe-4330為電橋輸入模塊，包含8路24字節(jié)同步橋接輸入模塊，精確度達(dá)0.02%，每通道采樣率可達(dá)25kS／s。橋接輸入模塊采用了比例式設(shè)計(jì)，每通道24位ADC。數(shù)據(jù)采集卡封裝在配有交流的18槽3U的機(jī)箱中，具有高達(dá)4GB／s系統(tǒng)帶寬和較高的抗干擾能力。跟PCI相比，PXIe將信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集集于一體，有自身的控制器，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)裝置一體化，可以方便PXIe與測力平臺(tái)一起實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)（需要模擬動(dòng)物在不同傾斜表面上的運(yùn)動(dòng)）；每個(gè)通道都配有專門的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)多通道同步數(shù)據(jù)的采集；安裝方便，抗干擾性強(qiáng)。

2.2 行為數(shù)據(jù)采集

2.2.1 高速攝像機(jī)

高速攝像機(jī)型號(hào)為i-SPEED 3。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過單片機(jī)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)給高速攝像機(jī)和PXIe，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)和力學(xué)數(shù)據(jù)的同步采集。結(jié)合圖像數(shù)據(jù)，可以更加準(zhǔn)確地判斷動(dòng)物和測力平臺(tái)的接觸情況。

2.2.2 冷光源

冷光源是幾乎不含紅外線光譜的發(fā)光光源，具有十分優(yōu)良的光學(xué)特性。當(dāng)用高速攝像以較高幀數(shù)攝像時(shí)，可以調(diào)整冷光源的角度和位置，改變光照強(qiáng)度，而且冷光源的不發(fā)熱性可以避免影響系統(tǒng)測試和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用LabVIEW8.5進(jìn)行編寫，DAQmx驅(qū)動(dòng)。

采集程序主要分為以下4個(gè)步驟：空采集、初始化、采集和停止?？詹杉褪浅绦?qū)⒏魍ǖ啦杉降臄?shù)據(jù)以圖線的形式在前面板上顯示出來，不作數(shù)據(jù)處理和保存，其目的是檢驗(yàn)傳感器通道是否正常工作；初始化是記錄一定數(shù)量的初始數(shù)據(jù)，求出平均值，并顯示到前面板上，這個(gè)作為通道的零點(diǎn)輸出值；進(jìn)入采集模塊后，通過觀察動(dòng)物運(yùn)動(dòng)情況來決定是否保存此數(shù)據(jù)；點(diǎn)擊停止，數(shù)據(jù)采集程序結(jié)束。

LabVIEW程序用的是條件結(jié)構(gòu)執(zhí)行空采集、初始化、采集和停止程序。同時(shí)使用While循環(huán)控制每個(gè)具體程序，以防止出現(xiàn)意外情況。程序的核心為采集模塊，采集模塊主要包括硬件配置、數(shù)據(jù)讀取、顯示和保存。硬件配制時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：

a.DAQmx物理通道中信息參數(shù)設(shè)置，需要與傳感器和數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)一致。

b.選擇合理的采樣頻率可以再現(xiàn)原始信號(hào)。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，采樣頻率至少應(yīng)該是被測數(shù)據(jù)頻率的2倍，實(shí)際中則應(yīng)取到5～10倍。

c.DAQmx讀取數(shù)據(jù)時(shí)，采樣緩存數(shù)必須大于每個(gè)通道采樣數(shù)，否則會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)溢出，影響程序的正常執(zhí)行。

4 應(yīng)用實(shí)例

使用大壁虎作為實(shí)驗(yàn)對象，通過運(yùn)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測試大壁虎在不同傾斜表面不同粗糙度表面運(yùn)動(dòng)力學(xué)信息。實(shí)驗(yàn)時(shí)，啟動(dòng)測試系統(tǒng)，初始化設(shè)備后，將大壁虎平穩(wěn)放在測試平臺(tái)通道的一端，通過人為引導(dǎo)，使大壁虎經(jīng)過傳感器測試平臺(tái)爬到另一端。壁虎開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，單片機(jī)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)到PXIe采集卡時(shí)鐘和高速攝像機(jī)，同步力學(xué)數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)。根據(jù)采集的圖像，采用圖像識(shí)別的方法［12］，選擇大壁虎運(yùn)動(dòng)時(shí)方向和速度都沒有顯著變化的，且腳掌與測力平臺(tái)接觸良好的數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)。

大壁虎在傾斜角為90°的砂紙表面爬行時(shí)力學(xué)數(shù)據(jù)如圖3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可以精確獲得爬壁動(dòng)物在不同表面運(yùn)動(dòng)過程中接觸力學(xué)數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)行為，這為深入了解這類動(dòng)物高穩(wěn)定性的力學(xué)原因提供理論依據(jù)。

圖3 力學(xué)數(shù)據(jù)曲線

5 結(jié)束語

動(dòng)物運(yùn)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多通道、高采樣率和同步數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄等功能，能夠精確獲得動(dòng)物在不同傾斜表面不同粗糙度表面運(yùn)動(dòng)過程中的接觸反力變化過程，以及身體運(yùn)動(dòng)行為的調(diào)整過程，為探索和發(fā)現(xiàn)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)力學(xué)規(guī)律提供了重要方法，也為仿生機(jī)器人的研究提供了理論基礎(chǔ)。

［1］Autumn K，Liang Y A，Hsieh S T，et al.Adhesive force of a single gecko foot-hair［J］.Nature，2000，405：681-685.

［2］Niederegger S，Gorb S.Tarsal movements in flies during leg attachment and detachment on a smooth substrate［J］.Journal of Insect Physiology，2003，49（6）：611-620.

［3］Hanna G，Barnes W-J P.Adhesion and detachment of the toe pads of tree frogs［J］.Journal of Experimental Biology，1991，155：103-125.

［4］Wang Z Y，Wang J T，Ji A H，et al.Locomotion behavior and dynamics of geckos freely moving on the ceiling［J］.Chinese Science Bulletin，2010，55（29）：3356-3362.

［5］Wang Z Y，Wang J T，Ji A H，Zhang Y Y，et al.Behavior and dynamics of gecko locomotion：the effects of moving directions on vertical surface［J］.Chinese Science Bulletin，2011，56（6）：573-583.

［6］Dai Z D，Wang Z Y，Ji A H.Dynamics of gecko locomotion：a force-measuring array to measure 3Dreaction forces［J］.Journal of Experimental Biology，2011，214（5）：701-706.

［7］Chen J J，Peattie A M，Autumn K，et al.Differential leg function in a sprawled-posture quadrupedal trotter［J］.Journal of Experimental Biology，2006，209（2）：249-259.

［8］Autumn K，Hsieh S T，Dudek D M，et al.Dynamics of geckos running vertically［J］.Journal of Experimental Biology，2006，209（2）：260-272.

［9］胡曉軍，周 林，陳燕東，等.數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2010.

［10］顧義坤，倪風(fēng)雷，劉業(yè)超.機(jī)械臂分布式控制系統(tǒng)同步方法的研究［J］.機(jī)械與電子，2010，（11）：69-72.

［11］吉愛紅，張正杰，戴振東.三維小量程力傳感器［P］.中國專利：200610041133，2007-02-14.

［12］邢 強(qiáng)，戴振東，王周義.壁虎運(yùn)動(dòng)反力和行為的動(dòng)態(tài)同步表示方法［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，（2）：147-150.