王立新，翟利剛

（河北科技大學(xué)機械工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

機械化滑移捕集治理致災(zāi)農(nóng)業(yè)昆蟲技術(shù)研究過程中［1-2］，致使昆蟲產(chǎn)生良好滑移效率的捕集滑板的仿生研制是關(guān)鍵因素，豬籠草葉籠滑移區(qū)表面因具有特殊結(jié)構(gòu)而對昆蟲表現(xiàn)出良好的滑移捕獲能力，因此備受學(xué)者關(guān)注［3-6］。豬籠草葉籠滑移區(qū)表面的月骨體與蠟質(zhì)晶體能夠致使絕大多數(shù)昆蟲的附著系統(tǒng)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(zāi)農(nóng)業(yè)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(tǒng)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(tǒng)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(jié)構(gòu)簡單、彈性體整體剛度高等優(yōu)點，設(shè)置了過載保護結(jié)構(gòu)，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(chǎn)生的力，對于甲蟲、螞蟻等體型較小昆蟲的附著系統(tǒng)所產(chǎn)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(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高等優(yōu)點，能夠測量蜘蛛、壁虎等爬行時產(chǎn)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(tǒng)產(chǎn)生的力，測試精度仍不能滿足要求。利用現(xiàn)有傳感器構(gòu)建的微力測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)昆蟲附著系統(tǒng)產(chǎn)生毫牛尺度微力的測試［6，14-15］，但測力系統(tǒng)的測試平臺及附屬機械結(jié)構(gòu)過于簡單，測試過程易引入人為操作誤差，對測試結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響。

現(xiàn)有的測力系統(tǒng)，在測試量程、測試精度和測試準(zhǔn)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(shè)計一種昆蟲微力測試系統(tǒng)，用于測量體型較小昆蟲附著系統(tǒng)產(chǎn)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(zāi)農(nóng)業(yè)昆蟲技術(shù)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(gòu)方面闡述離心式昆蟲微力測試系統(tǒng)的設(shè)計，并對設(shè)計構(gòu)建的昆蟲微力測試系統(tǒng)進行試驗調(diào)試，以檢驗系統(tǒng)的功能。

1 離心式昆蟲微力測試系統(tǒng)原理與總體設(shè)計方案

1.1 離心式昆蟲微力測試系統(tǒng)原理

該離心式昆蟲微力測試系統(tǒng)主要依據(jù)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(qū)動電機使測試平臺旋轉(zhuǎn)，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(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速控制器，使電機轉(zhuǎn)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(dāng)轉(zhuǎn)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(shè)Ff表示測試對象在測試材料表面產(chǎn)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(zhì)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(zhuǎn)速，式（1）轉(zhuǎn)換為

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

1.2 離心式昆蟲微力測試系統(tǒng)總體設(shè)計方案

圖1 離心式昆蟲微力測試系統(tǒng)的總體設(shè)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(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖1所示，機座是保障該昆蟲微力測試系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)部件，測試平臺、調(diào)速電機、視頻監(jiān)控系統(tǒng)均固定安裝在機座上。調(diào)速電機及其轉(zhuǎn)速控制器調(diào)節(jié)測試平臺的旋轉(zhuǎn)速度，便于獲取測試對象脫離測試材料時刻的轉(zhuǎn)速信息；視頻監(jiān)控系統(tǒng)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(zhǔn)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(zhì)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(chǎn)生的最大附著力（摩擦力）的參數(shù)信息。

2 離心式昆蟲微力測試系統(tǒng)機構(gòu)設(shè)計

該離心式微力測試系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)主要包括測試平臺及附屬機構(gòu)、調(diào)速電機及轉(zhuǎn)速控制器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、實現(xiàn)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(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.2 General structure of centrifugal insect micro-force measuring system

2.1 測試平臺及附屬機械機構(gòu)

測試平臺是離心式昆蟲微力測試系統(tǒng)的關(guān)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(zhǔn)確提取。為使測試平臺能夠保持圓周運動的穩(wěn)定性，采用質(zhì)輕、剛性好的鋁合金材質(zhì)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(shè)定以毫米為最小單位的刻度線，共設(shè)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(tǒng)運行時，測試平臺較輕的質(zhì)量（約2kg）決定其做圓周運動時所需力矩不大，故可直接用聯(lián)軸器將自制主軸及測試平臺連接于調(diào)速電機主軸。自制主軸通過調(diào)心軸承及軸承座固定安裝于連接板上，確保調(diào)速電機主軸不承受測試平臺、自制主軸、調(diào)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(tǒng)運行的平穩(wěn)性及抑制傳遞誤差的產(chǎn)生。

機座為調(diào)速電機及轉(zhuǎn)速控制器、測試平臺、高幀數(shù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)等部件的載體，采用合金鋼材質(zhì)，加工成對稱的口型結(jié)構(gòu)。調(diào)速電機與機座之間墊有橡膠墊，以抑制調(diào)速電機運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的振動。

2.2 調(diào)速電機及轉(zhuǎn)速控制器

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

2.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

離心式昆蟲微力測試系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時，高幀數(shù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)用于實時監(jiān)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(jié)合測試平臺上設(shè)置的刻度線，可準(zhǔn)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(tǒng)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(zhuǎn)情況的監(jiān)控，其主要性能參數(shù)如表1所示。調(diào)節(jié)視頻監(jiān)控系統(tǒng)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(diào)節(jié)攝像頭與測試平臺之間的距離，保證視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠監(jiān)控測試平臺全景。

表1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)Stjiatu ST-39／5CP主要性能參數(shù)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(tǒng)運行調(diào)試

為檢驗設(shè)計構(gòu)建的離心式昆蟲微力測試系統(tǒng)的運行性能，進行了昆蟲附著力的測試。測試?yán)ハx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(zhì)量為M0的容器中，稱得螞蟻與容器的總質(zhì)量為M，則單只螞蟻的質(zhì)量m可由以下公式求得：

多次重復(fù)上述測量，獲取螞蟻質(zhì)量為21.9±6.1mg（n=8）。

圖3 測試?yán)ハx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(diào)速電機與高幀數(shù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，緩慢調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制器使測試平臺轉(zhuǎn)速緩慢增加，直到螞蟻臨界脫離2000目砂紙表面，記錄此時調(diào)速電機轉(zhuǎn)速。利用高幀數(shù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)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(biāo)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?yán)ハx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(shè)計構(gòu)建的離心式昆蟲微力測試系統(tǒng)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?yán)ハx脫離測試材料時刻離心力的測試?yán)ハx質(zhì)量、離心運動半徑、離心運動轉(zhuǎn)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(fù)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(diào)試結(jié)果表明設(shè)計構(gòu)建的離心式昆蟲微力測試系統(tǒng)能夠準(zhǔn)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(zhuǎn)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(zāi)農(nóng)業(yè)昆蟲滑移捕集滑板仿生研制過程中對昆蟲在材料表面產(chǎn)生的附著力、摩擦力等毫牛尺度微力的測試需求。

4 結(jié) 語

基于豬籠草葉籠滑移區(qū)表面特殊結(jié)構(gòu)與良好滑移功能仿生研制致災(zāi)農(nóng)業(yè)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(zāi)農(nóng)業(yè)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(shè)計構(gòu)建了離心式昆蟲微力測試系統(tǒng)，該微力測試系統(tǒng)主要由測試平臺及附屬機構(gòu)、調(diào)速電機及轉(zhuǎn)速控制器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和能夠?qū)崿F(xiàn)各部件固定安裝的機座等部分組成。為檢驗設(shè)計構(gòu)建的離心式昆蟲微力測試系統(tǒng)，以螞蟻為測試?yán)ハx，測試了其在2000目砂紙表面的附著力，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確獲取昆蟲在材料表面離心運動轉(zhuǎn)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(tǒng)能夠滿足致災(zāi)農(nóng)業(yè)昆蟲滑移捕集滑板仿生制備過程中對昆蟲附著系統(tǒng)產(chǎn)生的毫牛尺度微力的測試需求。

［1］ 王立新，周 強，程小桐.蝗蟲在滑板表面滑移效應(yīng)的測試［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，30（3）：232-235.

WANG Lixin，ZHOU Qiang，CHENG Xiaotong.Sliding effect test of locust on surface of slope plates［J］.Journal of Jiangsu University（Natural Science Edition），2009，30（3）：232-235.

［2］ 王立新，周 強，羅瑞龍，等.蝗蟲在滑移捕集滑板上的附著力測試［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2010，41（12）：195-198.

WANG Lixin，ZHOU Qiang，LUO Ruilong，et al.Attachment force test of locust on slippery trapping plates［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2010，41（12）：195-198.

［3］ ELLISON A M，GOTELLI N J.Energetics and the evolution of carnivorous plants-Darwin′s most wonderful plants in the world［J］.Journal of Experimental Botany，2009，60（1）：19-42.

［4］ ROBINSON A S，F(xiàn)LEISCHMANN A S，MCPHERSON S R，et al.A spectacular new species ofNepenthesL.（Nepenthaceae）pitcher plant from central Palawan，Philippines［J］.Botanical Journal of the Linnean Society，2009，159：195-202.

［5］ CHIN L，JONATHAN A M，CHARLES C.Trap geometry in three giant montane pitcher plant species from Borneo is a function of tree shrew body size［J］.New Phytologist，2010，186（2）：461-470.

［6］ WANG Lixin，ZHOU Qiang.Friction force ofLocustLocustamigratoriamanilensis（Orthoptera，Locustidae）on slippery zones surface of pitchers from fourNepenthesspecies［J］.Tribology Letters，2011，44（3）：345-353.

［7］ GORB E V，GORB S N.Physicochemical properties of functional surface in pitchers of the carnivorous plantNepenthesalata blanco（Nepenthaceae）［J］.Plant Biology，2006（8）：841-848.

［8］ WANG Lixin，ZHOU Qiang，ZHENG Yongjun，et al.Composite structure and properties of pitcher surface of carnivorous plantNepenthesand its influence on insect attachment system［J］.Progress in Natural Science，2009，19（12）：1657-1664.

［9］ 于 敏，倪 杰，戴振東，等.二維小量程力傳感器［P］.中國專利：1760662A，2006-04-19.

YU Min，NI Jie，DAI Zhendong，et al.2-D Low-range Force Sensor［P］.CN：1760662A，2006-04-19.

［10］ 戴振東，文智平，吉愛紅.二維小量程力傳感器［P］.中國專利：101131335，2008-02-27.

DAI Zhendong，WEN Zhiping，JI Aihong.2-D Low-range Force Sensor［P］.CN：101131335，2008-02-27.

［11］ 吉愛紅，張正杰，戴振東.量程為0～1.5N的三維力傳感器［P］.中國專利：100412521C，2008-08-20.

JI Aihong，ZHANG Zhengjie，DAI Zhendong.3-D Force Sensor with 0～1.5NRange［P］.CN：100412521C，2008-08-20.

［12］ 吉愛紅，張正杰，戴振東.三維小量程力傳感器［P］.中國專利：1912559，2007-02-14.

JI Aihong，ZHANG Zhengjie，DAI Zhendong.3-D Low-range Force Sensor［P］.CN：1912559，2007-02-14.

［13］ 王衛(wèi)英，王 軍，李 偉.三維小量程力傳感器［P］.中國專利：201242478，2009-05-20.

WANG Weiying，WANG Jun，LI Wei.3-D Low-range Force Sensor［P］.CN：201242478，2009-05-20.

［14］ 王立新，周 強.基于豬籠草葉籠滑移區(qū)仿生的蝗蟲滑移捕集滑板功效測試［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2011，42（5）：222-225.

WANG Lixin，ZHOU Qiang.Function testing of locust slippery plate manufactured based on waxy zone ofNepenthespitchers［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2011，42（5）：222-225.

［15］ WANG Lixin，ZHOU Qiang，XU Shuyan.Role of claws and pads inLocustLocustamigratoriamanilensisattaching to substrates［J］.Chinese Science Bulletin，2011，56：789-795.