離心式昆蟲微力測試系統設計

王立新，翟利剛

（河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018）

機械化滑移捕集治理致災農業昆蟲技術研究過程中［1-2］，致使昆蟲產生良好滑移效率的捕集滑板的仿生研制是關鍵因素，豬籠草葉籠滑移區表面因具有特殊結構而對昆蟲表現出良好的滑移捕獲能力，因此備受學者關注［3-6］。豬籠草葉籠滑移區表面的月骨體與蠟質晶體能夠致使絕大多數昆蟲的附著系統降低甚至喪失正常的附著能力，這給捕集滑板的仿生研制提供了絕妙的思路［7-8］。仿生研制致災農業昆蟲捕集滑板過程中，需要測試螞蟻、甲蟲、飛蛾等昆蟲在仿生原型及制備捕集滑板表面的附著力、摩擦力等毫牛尺度微力，以期為捕集滑板的仿生制備提供理論支持。

目前，文獻公開的測力系統采用的基本單元是測力傳感器，傳感器的量程、分辨率直接決定了測力系統的測量范圍與測量精度。專利［9］—專利［10］公開的二維小量程力傳感器，能夠同時測量水平方向和垂直方向上的力，具有結構簡單、彈性體整體剛度高等優點，設置了過載保護結構，安全性和可靠性高；但由于該傳感器在法向與切向的分辨力均是9.8mN，比較適合壁虎等體型較大動物腳掌產生的力，對于甲蟲、螞蟻等體型較小昆蟲的附著系統所產生的力，該傳感器在精度方面未能滿足要求。專利［11］—專利［13］公開的三維力傳感器，具有結構簡單、靈敏度高等優點，能夠測量蜘蛛、壁虎等爬行時產生的摩擦力；但該三維力傳感器的分辨力為1mN，對于螞蟻等小型昆蟲附著系統產生的力，測試精度仍不能滿足要求。利用現有傳感器構建的微力測試系統可以實現昆蟲附著系統產生毫牛尺度微力的測試［6，14-15］，但測力系統的測試平臺及附屬機械結構過于簡單，測試過程易引入人為操作誤差，對測試結果的準確性造成影響。

現有的測力系統，在測試量程、測試精度和測試準確性等方面無法同時滿足對螞蟻、甲蟲、飛蛾等體型較小昆蟲附著力、摩擦力等毫牛尺度微力的測試需求。因此有必要設計一種昆蟲微力測試系統，用于測量體型較小昆蟲附著系統產生的毫牛尺度的附著力、摩擦力等，以滿足機械化滑移捕集治理致災農業昆蟲技術研究過程中對毫牛尺度微力的測試需求。本文主要從測力原理及機械機構方面闡述離心式昆蟲微力測試系統的設計，并對設計構建的昆蟲微力測試系統進行試驗調試，以檢驗系統的功能。

1 離心式昆蟲微力測試系統原理與總體設計方案

1.1 離心式昆蟲微力測試系統原理

該離心式昆蟲微力測試系統主要依據離心運動原理，即物體在平面上做圓周運動時，物體與平面的附著力（摩擦力）提供所需向心力。將測試材料固定于測試平臺表面，把測試對象安置在測試材料上，開啟驅動電機使測試平臺旋轉，測試對象在測試材料表面做圓周運動，測試對象與測試材料之間的附著力（摩擦力）提供測試對象做圓周運動所需向心力。調節電機轉速控制器，使電機轉速緩慢增加，測試對象做圓周運動所需向心力也不斷增大。當轉速增大到一定值時，測試對象與測試材料之間的附著力（摩擦力）不足以提供所需向心力時，測試對象脫離測試材料。測試對象臨界脫離測試材料時刻的離心力即為其在測試材料的最大附著力（摩擦力）。

假設Ff表示測試對象在測試材料表面產生的最大附著力（摩擦力），單位為N；F表示測試對象臨界脫離測試材料表面時所受離心力，單位為N；m表示測試對象的質量，單位為kg；r表示測試對象脫離測試材料時刻的離心運動半徑，單位為m；ω表示測試對象脫離測試材料時刻的角速度，單位為rad／s。則有：

將測試對象做圓周運動的角速度換算成電機的轉速，式（1）轉換為

式中，n表示測試對象脫離測試材料時刻驅動測試平臺的電機轉速，單位r／min。

1.2 離心式昆蟲微力測試系統總體設計方案

圖1 離心式昆蟲微力測試系統的總體設計方案Fig.1 General design planning of centrifugal insect micro-force measuring system

離心式昆蟲微力測試系統的總體設計方案如圖1所示，機座是保障該昆蟲微力測試系統穩定工作的基礎部件，測試平臺、調速電機、視頻監控系統均固定安裝在機座上。調速電機及其轉速控制器調節測試平臺的旋轉速度，便于獲取測試對象脫離測試材料時刻的轉速信息；視頻監控系統攝像頭的中心與測試平臺中心重合，僅在豎直方向上保持其自由度，用于準確獲取測試對象脫離測試材料時刻的半徑信息；測試對象的質量可由高精度稱重天平獲取。由此可獲取用于計算測試對象在測試材料表面產生的最大附著力（摩擦力）的參數信息。

2 離心式昆蟲微力測試系統機構設計

該離心式微力測試系統的整體結構主要包括測試平臺及附屬機構、調速電機及轉速控制器、視頻監控系統、實現各部件固定安裝的機座等4部分組成，如圖2所示。

圖2 離心式昆蟲微力測試系統整體結構Fig.2 General structure of centrifugal insect micro-force measuring system

2.1 測試平臺及附屬機械機構

測試平臺是離心式昆蟲微力測試系統的關鍵部件，不僅為測試材料和測試對象提供安置平臺，還影響測試對象做離心運動時半徑信息的準確提取。為使測試平臺能夠保持圓周運動的穩定性，采用質輕、剛性好的鋁合金材質作為測試平臺加工并將其加工成圓盤形；測試平臺上以圓心為起點設定以毫米為最小單位的刻度線，共設定相互垂直的4條刻度線，便于精確獲取測試對象在測試平臺上的位置信息。

離心式昆蟲微力測試系統運行時，測試平臺較輕的質量（約2kg）決定其做圓周運動時所需力矩不大，故可直接用聯軸器將自制主軸及測試平臺連接于調速電機主軸。自制主軸通過調心軸承及軸承座固定安裝于連接板上，確保調速電機主軸不承受測試平臺、自制主軸、調心軸承及軸承座等部件的重力，以此提高離心式昆蟲微力測試系統運行的平穩性及抑制傳遞誤差的產生。

機座為調速電機及轉速控制器、測試平臺、高幀數視頻監控系統等部件的載體，采用合金鋼材質，加工成對稱的口型結構。調速電機與機座之間墊有橡膠墊，以抑制調速電機運轉時產生的振動。

2.2 調速電機及轉速控制器

調速電機及轉速控制器是離心式昆蟲微力測試系統實現微力測量的主要部件，為測試對象的圓周運動提供運轉動力及轉速信息。離心式昆蟲微力測試系統的轉速需要滿足0～1 000r／min的無級調速，且轉速信息實時顯示，故選用調速電機61K140RA-CF，其主要性能參數如下：額定功率140W，最高轉速1 450r／min，最大轉矩為9.2kg·cm。與調速電機匹配的轉速控制器可調節調速電機轉速并將轉速信息在顯示窗口實時顯示。

2.3 視頻監控系統

離心式昆蟲微力測試系統運轉時，高幀數視頻監控系統用于實時監控測試平臺的圓周運動情況，便于直觀顯示測試對象在測試平臺的位置信息。結合測試平臺上設置的刻度線，可準確獲取測試對象做離心運動的半徑信息。綜合考慮離心式昆蟲微力測試系統的運行特性及價格因素，選擇Stjiatu ST-39／5CP用于對測試平臺運轉情況的監控，其主要性能參數如表1所示。調節視頻監控系統的攝像頭在水平面的位置使其中心線與測試平臺的中心線重合，攝像頭僅在豎直方向上具有自由度以便于調節攝像頭與測試平臺之間的距離，保證視頻監控系統能夠監控測試平臺全景。

表1 視頻監控系統Stjiatu ST-39／5CP主要性能參數Tab.1 Main performance parameters of video monitoring system Stjiatu ST-39／5CP

3 離心式昆蟲微力測試系統運行調試

為檢驗設計構建的離心式昆蟲微力測試系統的運行性能，進行了昆蟲附著力的測試。測試昆蟲選用螞蟻（日本弓背蟻，CamponotusjaponicusMary），測試材料選用2000目砂紙，固定在測試平臺上。

首先采用高精度稱重天平PT-1004／305對螞蟻進行稱重，挑選體型相近的測試螞蟻N只，放置于質量為M0的容器中，稱得螞蟻與容器的總質量為M，則單只螞蟻的質量m可由以下公式求得：

多次重復上述測量，獲取螞蟻質量為21.9±6.1mg（n=8）。

圖3 測試昆蟲脫離測試材料時刻離心運動半徑信息計算示意圖Fig.3 Sketch utilized for calculating radius information of test insect on test material

將螞蟻放置于2000目砂紙表面，同時啟動調速電機與高幀數視頻監控系統，緩慢調節轉速控制器使測試平臺轉速緩慢增加，直到螞蟻臨界脫離2000目砂紙表面，記錄此時調速電機轉速。利用高幀數視頻監控系統保存的視頻資料獲取螞蟻脫離2000目砂紙時刻的圖像，用此計算做離心運動的螞蟻脫離2000目砂紙瞬間的半徑信息，計算方法如下表述。

如圖3所示，A點為做離心運動的測試對象脫離測試材料瞬間所處位置，測試對象距離測試平臺圓心處的圖像顯示距離為r′，測試平臺邊緣到其中心的圖像顯示距離以R′表示，r′與R′的圖像顯示值均可用游標卡尺或千分尺測量打印圖像測得。假定A點到測試平臺中心的實際距離用r表示，r即為做離心運動的測試昆蟲脫離測試材料瞬間的半徑信息；假定R表示測試平臺的真實值，在設計構建的離心式昆蟲微力測試系統中為129.6mm。由公式

獲得測試對象脫離測試材料時刻的離心運動半徑r，即

獲取用于計算測試昆蟲脫離測試材料時刻離心力的測試昆蟲質量、離心運動半徑、離心運動轉速等信息，代入離心力計算公式（2）得到螞蟻在2000目砂紙表面的最大附著力。選用體型相近的螞蟻，重復測試8次，獲取附著力信息，如表2所示。

表2 螞蟻在2000目砂紙表面的最大附著力Tab.2 Maximum attachment force of ants on 2000＃sandpaper

運行調試結果表明設計構建的離心式昆蟲微力測試系統能夠準確獲取用于螞蟻、甲蟲、飛蛾等體型較小昆蟲在材料表面的離心運動的轉速、半徑等信息，進而可計算獲取昆蟲在材料表面的附著力、摩擦力，能夠滿足致災農業昆蟲滑移捕集滑板仿生研制過程中對昆蟲在材料表面產生的附著力、摩擦力等毫牛尺度微力的測試需求。

4 結 語

基于豬籠草葉籠滑移區表面特殊結構與良好滑移功能仿生研制致災農業昆蟲捕集滑板過程中，需要測試螞蟻、甲蟲、飛蛾等體型較小致災農業昆蟲在仿生原型和制備滑板表面的附著力、摩擦力等毫牛尺度微力，為滿足測試需求，設計構建了離心式昆蟲微力測試系統，該微力測試系統主要由測試平臺及附屬機構、調速電機及轉速控制器、視頻監控系統和能夠實現各部件固定安裝的機座等部分組成。為檢驗設計構建的離心式昆蟲微力測試系統，以螞蟻為測試昆蟲，測試了其在2000目砂紙表面的附著力，結果表明該系統能夠準確獲取昆蟲在材料表面離心運動轉速、半徑等信息，進而可計算獲取附著力信息。該離心式昆蟲微力測試系統能夠滿足致災農業昆蟲滑移捕集滑板仿生制備過程中對昆蟲附著系統產生的毫牛尺度微力的測試需求。

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