李云鵬 王立新 閆世興 董世運

摘要：為滿足機械仿生學研究對測試仿生原型產(chǎn)生的毫一微牛級力的需要，構(gòu)建了二維力測試系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件部分主要包括自行研制的平行雙簧片懸臂梁及其匹配的電渦流位移傳感器、實現(xiàn)測試功能及測試樣本簡便更換的附屬機構(gòu)、測力傳感器輸出信號調(diào)理模塊與能夠完成A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集卡，基于虛擬儀器技術(shù)LabVIEW編寫了數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序。為檢驗系統(tǒng)的功能，進行了系統(tǒng)的運行調(diào)試并測試了仿生原型產(chǎn)生的摩擦力、法向力、刺穿阻力。結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠準確采集仿生原型的毫一微牛級力，并能在界面窗口實時、直觀地顯示，實現(xiàn)了毫一微牛級力的數(shù)據(jù)信息保存，測試精度可達50uN，量程可達800mN。因此，所設(shè)計系統(tǒng)能夠精確測試仿生原型產(chǎn)生的毫一微牛級二維力，為機械仿生學研究提供了所需的測力技術(shù)與方法。

關(guān)鍵詞：傳感器技術(shù);機械仿生;仿生原型;毫一微牛級力;LabVIEw

中圖分類號：S433.2;TH823 文獻標識碼：A doi：10.7535/hbkd.2020yX02001

在機械仿生學領(lǐng)域，仿生原型產(chǎn)生的毫一微牛級力測試是不可缺少的環(huán)節(jié)，諸如以豬籠草葉籠滑移區(qū)為仿生原型研制致災(zāi)農(nóng)業(yè)昆蟲捕集滑板，需要測試飛蛾、螞蟻、蝗蟲等致災(zāi)農(nóng)業(yè)昆蟲在滑移區(qū)、捕集滑板等表面的附著力、摩擦力。對于上述力的測試，需要研制專門的測試系統(tǒng)，以在精度、量程、樣本簡便更換等方面符合需求。文獻已公開的二維力測試系統(tǒng)能夠同時測量水平、豎直方向的力，但該傳感器在2個方向的分辨力均為9.8mN，比較適合測試壁虎等體型較大動物爬行過程中足底與表面的接觸力，對于飛蛾、甲蟲等體型較小仿生原型產(chǎn)生的附著力、剪切力，該測力系統(tǒng)在測試精度方面不能滿足要求。以測力傳感器為核心部件構(gòu)建的昆蟲附著力測力系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)毫牛級力測試，但不能精確測試體型較小仿生原型產(chǎn)生的微牛級力，且測試樣本固定平臺及附屬機構(gòu)過于簡單，容易產(chǎn)生誤差?；陔x心原理構(gòu)建的離心式測微力系統(tǒng)，通過仿生原型在測試圓臺的離心運動來實現(xiàn)對毫牛級附著力、摩擦力的測試，該類型測力系統(tǒng)的量程、精度不受測力傳感器限制，比較適合螞蟻、飛蛾等體型較小的仿生原型，但離心運動半徑信息的準確獲取需要價格昂貴的高速成像系統(tǒng)。東南大學王玉娟團隊采用手動懸臂移動法模擬單根剛毛與豬籠草葉籠滑移區(qū)蠟質(zhì)區(qū)表面接觸，測試其表面的黏附力、摩擦力，用以研究豬籠草葉籠滑移區(qū)的反黏附特性，為仿生反黏附表面設(shè)計和制備提供理論依據(jù)。通過攝像機連續(xù)拍攝仿生原型與附著面的微小變形，再基于圖像處理分析獲取微小變形的具體值，從而間接測出微一納牛級接觸反力，該類型測力系統(tǒng)的分辨率可高達納牛級且不損壞仿生原型，比較適合水黽、水蜘蛛等水生動物的附著力測試。

現(xiàn)有的測力系統(tǒng)在測試量程、測試精度、測試樣本固定平臺等方面并不能同時符合多種類仿生原型產(chǎn)生的毫一微牛級力測試需求，因此，本文給出了一種毫一微牛級二維力測試系統(tǒng)，硬件部分主要包括自行研制的平行雙簧片懸臂梁及其匹配的電渦流位移傳感器、實現(xiàn)測試功能及測試樣本簡便更換的附屬機構(gòu)、測力傳感器輸出信號調(diào)理模塊與能夠完成A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集卡，軟件部分主要為基于虛擬儀器技術(shù)LaBVIEW編寫的數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序。

1毫-微牛級二維力測試系統(tǒng)原理

毫-微牛級二維力測試系統(tǒng)主要由水平、豎直測力傳感器、微動平臺及附屬機構(gòu)、完成A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)處理與實時顯示界面程序等5部分組成（見圖1）。計算機通過串口與數(shù)據(jù)采集卡通信，數(shù)據(jù)采集卡接收信號后由數(shù)字輸出端口發(fā)出脈沖到步進電機驅(qū)動器，通過控制步進電機實現(xiàn)微動平臺水平、豎直方向的運動。當水平、豎直微動平臺帶動各自懸臂梁的測試樣本平臺相互接觸時，懸臂梁與電渦流位移傳感器的間距變小并產(chǎn)生電信號，傳感器輸出的電信號經(jīng)信號調(diào)理模塊的濾波、放大處理后輸入到數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)處理與實時顯示界面程序獲取數(shù)據(jù)采集卡輸出的數(shù)字信號并將其通過胡克定律轉(zhuǎn)換成毫一微牛級力，在界面窗口實時顯示。

2毫-微牛級二維力測試系統(tǒng)硬件設(shè)計配置

2.1測力傳感器設(shè)計

測力傳感器由平行雙簧片懸臂梁、電渦流位移傳感器2部分組成。平行雙簧片懸臂梁由平行雙彈簧片與半圓弧連接塊組成。選用強度高、抗彈減性能較好的65Mn彈簧鋼作為平行彈簧片材料;選用45#鋼作為半圓弧連接塊材料，其表面作為電渦流位移傳感器感應(yīng)面。平行雙簧片懸臂梁與電渦流位移傳感器均固定于微動平臺上，未受到作用力時，兩者保持相對靜止;平行雙簧片懸臂梁受到垂直于感應(yīng)面的力，電渦流位移傳感器與感應(yīng)面之間的距離（位移）發(fā)生變化并由電渦流位移傳感器測出，根據(jù)胡克定律可計算出毫一微牛級力。

由于仿生原型多為動植物樣本，其體表形貌結(jié)構(gòu)多為微納尺度，極易遭受破壞，加載的接觸壓力多在0.01～2N，因此所設(shè)計的測力傳感器應(yīng)具有較小的量程、較高的精度，還應(yīng)具有良好的重復(fù)性、動態(tài)性，能夠準確、實時測試仿生原型產(chǎn)生的毫一微牛級力。設(shè)計的3個不同彈性系數(shù)的平行雙簧片懸臂梁尺寸如表1所示，根據(jù)表中尺寸利用Solidworks軟件對平行雙簧片懸臂梁進行建模，隨后采用ANSYS軟件的Work-bench模塊進行模擬標定與應(yīng)力分析（見圖2a）），最終獲取的彈性系數(shù)分別為220.62，160.74和50.37mN/mm（見圖2b））。為驗證所設(shè)計的平行雙簧片懸臂梁是否符合要求，選擇彈性系數(shù)為220.62mN/mm的平行雙簧片懸臂梁進行加載標定，從0～800mN每間隔100mN連續(xù)加載，采用美國Mastech的萬用表MS8218分別測得加載后電渦流位移傳感器輸出的電壓值，標定過程中的室溫和相對濕度分別為28℃和55%。采用最小二乘法進行擬合，獲取平行雙簧片懸臂梁特性曲線（見圖2c）），擬合優(yōu)度R²=0.9999，表明所研制的測力傳感器具有較高的線性度。ANSYS模擬分析結(jié)果顯示，平行雙簧片懸臂梁的最大應(yīng)力為99.5MPa，顯著小于65Mn彈簧鋼的屈服強度450MPa，預(yù)示研制的平行雙簧片懸臂梁不易發(fā)生塑性變形。

電渦流位移傳感器感應(yīng)其與平行雙簧片懸臂梁之間的距離變化并將之轉(zhuǎn)換為線性電壓，應(yīng)具有測試精度高、線性度好，可實現(xiàn)微動測量等特點。選用上海振迪檢測技術(shù)有限公司生產(chǎn)的電渦流式位移傳感器ZD-260，其探頭直徑4mm，線性范圍0.50～4.5mm，分辨力1um，能夠確保系統(tǒng)測試精度。電渦流位移傳感器位移一電壓曲線方程為

制備的3個平行雙簧片懸臂梁，由標定結(jié)果（見圖2b））獲知，彈性系數(shù)分別為220.62，160.74和50.37mN/mm;選用的電渦流位移傳感器ZD-260分辨率為1gm，由此可得，測力傳感器的分辨力分別為220，160和50uN，對應(yīng)的量程分別為800，640和200mN。采用上述平行雙簧片懸臂梁及對應(yīng)的特性方程，可完成仿生原型產(chǎn)生的附著力、摩擦力、法向力、刺穿阻力等毫一微牛級力測試，平行雙簧片懸臂梁的選取根據(jù)所要測試微力的量程范圍而定。

2.2測試平臺及附屬機構(gòu)

如圖3所示，測試平臺及附屬機構(gòu)配合測力傳感器，實現(xiàn)對仿生原型產(chǎn)生的附著力、法向力、摩擦力、刺穿阻力等毫一微牛級二維力的測試，并能實現(xiàn)測試樣本（1cm×1cm）的簡便置換。該毫一微牛級二維力測試系統(tǒng)硬件部分主要包括測力傳感器（平行雙簧片懸臂梁、電渦流位移傳感器）及過載保護機構(gòu)、測試平臺、電源模塊、數(shù)據(jù)采集卡、步進電機及驅(qū)動器，軟件部分為基于虛擬儀器技術(shù)LabVIEW編寫的數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序。水平絲杠滑塊移動帶動安裝在水平測試樣本固定平臺的測試樣本移動，使其接觸安裝在豎直測試樣本固定平臺的測試樣本，以此使水平平行雙簧片懸臂梁A產(chǎn)生彈性形變，與之配合的水平電渦流位移傳感器采集該位移（彈性形變）信息并輸出電壓，代入式（3）獲取加載在水平測試樣本與豎直測試樣本間的法向力。隨后，安裝在豎直測試樣本固定平臺的測試樣本在豎直絲杠滑塊移動作用下向上移動，豎直平行雙簧片懸臂梁B或C產(chǎn)生彈性形變，與之配合的豎直電渦流位移傳感器采集該位移（彈性形變）信息并輸出電壓，代人式（4）或式（5）獲取加載在水平測試樣本與豎直測試樣本間產(chǎn)生的摩擦力。

2.3信號調(diào)理模塊與數(shù)據(jù)采集卡選擇

電渦流位移傳感器感應(yīng)微小位移變化并將其轉(zhuǎn)換成夾雜干擾噪聲的毫伏級電壓信號，信號調(diào)理模塊可對其進行去噪、濾波、放大等處理，轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集卡能夠識別的電壓信號。經(jīng)過比較分析，選擇美國NI公司的信號調(diào)理模塊SCXI-1520調(diào)理傳感器輸出信號，其具有8路同步采樣模擬通道，激勵電壓為0～10V，增益高達1000。

將經(jīng)信號調(diào)理模塊處理的電渦流位移傳感器輸出信號輸送至數(shù)據(jù)采集卡，用以轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，便于毫一微牛級二維力信息采集系統(tǒng)的分析處理。為使毫一微牛級二維力測試系統(tǒng)的精度達到要求，選擇美國NI公司的數(shù)據(jù)采集卡USB-6351，其具有16路模擬輸入通道，24條數(shù)字I/0線，輸入/出電壓范圍為±10V，輸出/人分辨率為16bit，采樣頻率可達1.25MHz，能夠確保系統(tǒng)測試精度不受數(shù)據(jù)采集卡分辨率的影響。

3毫一微牛級二維力測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序編寫

3.1LabVIEW軟件簡介

基于虛擬儀器技術(shù)及其開發(fā)語言LabVIEW編寫了毫一微牛級二維力信息采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理程序及實時顯示界面。LabVIEW是虛擬儀器領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛、功能最強大的圖形化軟件開發(fā)平臺，采用強大的圖形化G語言編程，可創(chuàng)建32位的編譯程序，編程簡便，人機交互界面直觀友好，具有強大的數(shù)據(jù)可視化分析功能，成為儀器開發(fā)領(lǐng)域備受歡迎的軟件平臺，廣泛應(yīng)用于采集、測量、控制等領(lǐng)域[22-26]。

3.2數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序設(shè)計與功能

利用LabVIEW編寫的數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序應(yīng)以直觀、簡便、有效地顯現(xiàn)仿生原型產(chǎn)生的附著力、摩擦力、法向力、刺穿阻力等毫一微牛級力的實時變化為準則。該程序由參數(shù)輸入與控制界面、信息采集界面2部分組成（見圖4）。參數(shù)輸入與控制界面的主要功能為選擇通道、調(diào)整測力傳感器初始位置、參數(shù)輸入、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)存儲等。信息采集界面主要由摩擦力信息采集窗口、法向力信息采集窗口與摩擦系數(shù)信息顯示窗口3部分組成。信息采集顯示界面的橫坐標是采樣時間，縱坐標是仿生原型產(chǎn)生的毫一微牛級力。參數(shù)輸入與控制界面中的按鈕都被賦予特定功能;移動指示燈和采集指示燈在信息采集過程中會由暗綠色變?yōu)轷r綠色，可判斷測試樣本是否正常移動與信息是否正常采集。

對于法向力、摩擦力的測試，水平測試樣本固定平臺放置豬籠草葉籠滑移區(qū)，豎直測試樣本固定平臺放置蝗蟲爪尖。通過調(diào)節(jié)水平、豎直測試樣本固定平臺位置，使其處于同一水平面并達到適合測試法向力、摩擦力的最佳距離。測試過程中，水平絲杠滑塊移動施加法向力，豎直絲杠滑塊豎直移動產(chǎn)生摩擦力，分別通過電渦流位移傳感器獲取因法向力、摩擦力導(dǎo)致的位移變化而產(chǎn)生的電壓信號，經(jīng)信號調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集卡A/D轉(zhuǎn)換，輸送至數(shù)據(jù)處理與實時顯示程序的電壓一法向力轉(zhuǎn)換式（3）與電壓一摩擦力轉(zhuǎn)換式（4）或式（5）后，還原成能夠在界面窗口實時顯示的法向力、摩擦力（見圖5）。

對于刺穿阻力的測試，水平測試樣本固定平臺放置鉤刺，豎直測試樣本固定平臺放置被刺穿樣本。水平絲杠滑塊水平移動使鉤刺與被刺穿樣本接觸，從而使平行雙簧片懸臂梁產(chǎn)生彈性形變，與之配合的水平電渦流位移傳感器采集該位移（彈性形變）信息并輸出電壓，經(jīng)毫一微牛級二維力信息采集系統(tǒng)，將采集的數(shù)據(jù)繪制成刺穿阻力曲線。測試結(jié)束后，需將采集的數(shù)據(jù)組、微力曲線保存至文件夾?；谏鲜龇治?，制定了毫一微牛級二維力測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序功能流程（見圖6）。

由圖6可知，開始微力測試時，點擊顯示界面電源開關(guān)，數(shù)據(jù)采集卡與參數(shù)輸入界面完成初始化并新建任務(wù);調(diào)整測力傳感器初始位置，使測試樣本固定平臺處于同一水平面上并達到適合測試微力的最佳距離。在參數(shù)輸入框中輸入所需參數(shù)，而后對電渦流位移傳感器電壓信號模擬量按照既定的輸入?yún)?shù)采集，數(shù)據(jù)處理程序?qū)⒉傻降臄?shù)字量按式（3）、式（4）或式（5）轉(zhuǎn)換成實時變化的法向力、摩擦力和刺穿阻力等微力并以曲線形式實時顯示于界面窗口。測試過程中，點擊停止按鈕可暫停圖像采集，此時會顯示當前法向力、摩擦力的最大/最小值;點擊采集按鈕繼續(xù)采集微力信息;點擊清除按鈕，所采集的圖像、數(shù)據(jù)便會清空。測試結(jié)束時，點擊數(shù)據(jù)記錄按鈕，可將所繪制的微力軌跡圖及所采集的微力數(shù)據(jù)組保存至指定路徑，最后關(guān)閉顯示界面并結(jié)束數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

4毫-微牛級二維力測試系統(tǒng)的調(diào)試運行

針對設(shè)計的毫一微牛級二維力測試系統(tǒng)，進行了法向力、摩擦力、刺穿阻力的測試以檢驗系統(tǒng)功能。首先進行法向力、摩擦力測試，分別測試蝗蟲爪尖在豬籠草葉籠滑移區(qū)、砂紙（1200目，即3.5～5um）表面的摩擦力。將電渦流位移傳感器緊固到距離平行雙簧片懸臂梁表面3～4mm的位置，采用雙面膠將蝗蟲爪尖粘貼到豎直平行雙簧片懸臂梁右側(cè)的樣本固定平臺上，將豬籠草葉籠滑移區(qū)（砂紙）粘貼到水平平行雙簧片懸臂梁左側(cè)的樣本固定平臺上。隨后調(diào)整測試樣本固定平臺，使其處于同一水平面并達到適合測試法向力、摩擦力的最佳距離。設(shè)定數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率為100Hz，設(shè)定整個測試過程的采樣時間為60s，運動速度為0.04mm/s，測試距離為2mm。準備就緒后，接通電渦流位移傳感器、信號調(diào)理模塊SCXI-1520、數(shù)據(jù)采集卡USB-6351等部件的工作電源，開啟毫一微牛級二維力信息采集系統(tǒng)界面，開始蝗蟲爪尖在豬籠草葉籠滑移區(qū)（砂紙）表面的摩擦力測試。測試過程中，電渦流位移傳感器將采集到的電壓信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡完成A/D轉(zhuǎn)換后輸送至毫一微牛級二維力信息采集系統(tǒng)，經(jīng)式（3）、式（5）轉(zhuǎn)換成曲線并在顯示界面實時顯示（見圖7a）b））。測試結(jié)束后，毫一微牛級二維力信息采集系統(tǒng)對所采集的數(shù)據(jù)進行運算比較，獲取測試過程中豬籠草葉籠滑移區(qū)最大摩擦力為17.41mN，砂紙最大摩擦力為10.36mN，并將數(shù)據(jù)分別以.jpeg和.txt格式保存到指定文件夾。

仿生低阻力注射器、傷口縫針研究過程中需要測試仿生原型穿刺軟組織時的阻力，通過與現(xiàn)有醫(yī)用針頭刺穿阻力對比，分析其模型機理，為具有減阻、減痛功能的仿生縫針研制提供理論依據(jù)。對于刺穿阻力的測試，以酸棗樹鉤刺、動物肝臟為測試原型，采用雙面膠將酸棗樹鉤刺粘貼到水平平行雙簧片懸臂梁左側(cè)的樣本固定平臺上，將動物肝臟粘貼到豎直平行雙簧片懸臂梁右側(cè)的樣本固定平臺上。調(diào)整2個平行雙簧片懸臂梁的相對位置，使其處于同水平面并達到適合測試刺穿阻力的最佳距離。設(shè)定數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率為100Hz，采樣時間為60s，運動速度為0.05mm/s，測試距離為3mm。準備就緒后，接通工作電源，開啟毫一微牛級二維力信息采集系統(tǒng)界面，開始酸棗樹鉤刺刺破動物肝臟表皮過程的刺穿阻力測試。測試過程中，電渦流位移傳感器將采集到的電壓信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡完成A/D轉(zhuǎn)換后輸送至毫一微牛級二維力信息采集系統(tǒng)，經(jīng)式（4）轉(zhuǎn)換繪制成曲線并在顯示界面實時顯示（見圖7c））。測試結(jié)束后，毫一微牛級二維力信息采集系統(tǒng)對所采集的數(shù)據(jù)進行運算比較，獲取測試過程中最大刺穿阻力為329.76mN，并將數(shù)據(jù)分別以.jpeg和.txt的格式保存到指定文件夾。

5結(jié)語

基于機械仿生學領(lǐng)域?qū)Ψ律彤a(chǎn)生的毫一微牛級力精準測試的需求，研制了毫一微牛級二維力測試系統(tǒng)。硬件部分主要包括自行研制的平行雙簧片懸臂梁及其匹配的電渦流傳感器、信號調(diào)理模塊與數(shù)據(jù)采集卡，軟件部分為基于虛擬儀器技術(shù)LabVIEW編寫的數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序。運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準確采集仿生原型產(chǎn)生的毫一微牛摩擦力、法向力、刺穿阻力，并能實時、直觀地顯示在界面窗口，實現(xiàn)曲線、數(shù)據(jù)等信息的保存，測試精度可達50uN，量程可達800mN，可為機械仿生學研究提供所需的測力技術(shù)與方法。本研究的不足在于所設(shè)計的平行雙簧片懸臂梁，因其微牛級測試精度而導(dǎo)致雙簧片厚度僅為100～200um，極易遭受溫度、振動等外界因素的干擾，在一定程度上影響測試的準確度，因此后續(xù)研究需要關(guān)注該測力系統(tǒng)的測試準確度與穩(wěn)定性的提升方法。