本发明公开了一种动物足底和沙土间附着系数多角度测量装置，其包括沙地面形成装置、力和位移测量装置和动物足部固定装置，先在地面形成装置的土槽中准备好要测试的地面环境，再将动物足用速干水泥固定于动物足部固定装置的可拆分式法兰盘中，并将法兰盘固定在活动圆盘上上，将力和位移测量装置的位移传感器清零，先在垂直方向给动物足加载，然后再在土槽上缓慢施加水平加载。即可得到水平方向力与位移的变化关系，用水平力的最大值除以动物足底所受最大的力即为动物足在沙地上的附着系数。本发明在测量附着力时，由于加载的速度为2mm/min，加载速度非常小，因此惯性力没有影响。装置的结构简单，测量方便。
1.一种动物足底和沙土间附着系数多角度测量装置，其特征在于：包括沙地面形成装置、力和位移测量装置和动物足部固定装置，其中沙地面形成装置包括底板(1)、滚轴限位板(2)、滚轴(3)、轴承端盖(4)、支撑杆(9)、可调轴承支架(5)、限位轴承(6)和土槽(8)，滚轴限位板(2)固定在底板(1)上，五根滚轴(3)均匀安装在滚轴限位板(2)上，并用轴承端盖(4)限定滚轴(3)的轴向运动；四根支撑杆(9)垂直固定在底板上，支撑杆(9)上安装有可调轴承支架(5)，可调轴承支架(5)上安装有限位轴承(6)，将土槽(8)放在滚轴(3)上时，通过调节限位轴承(6)可以保证土槽(8)在受力方向运动而不发生大的偏转；
动物足部固定装置包括可拆分式法兰盘(15)、活动圆盘(11)、固定圆盘(12)、直线轴承(14)和光轴(13)，四根支撑杆(9)的顶端用螺纹固定了一个底座(10)，底座(10)上安装有三根光轴(13)，装有直线轴承(14)的活动圆盘(11)套在三根光轴(13)上，以保证活动圆盘(11)能够上下运动；将可拆分式法兰盘(15)拆开成三片，把动物足放入之后合并成完整形状，将可拆分式法兰盘(15)用螺丝固定在活动圆盘(11)上，这就保证了动物足能够在竖直方向的运动；
力和位移测量装置包括带力传感器的水平加载机构(21)、带力传感器的垂直加载机构(22)和两个位移传感器(7)，在与滚轴(3)垂直方向设有带力传感器的水平加载机构(21)，带力传感器的水平加载机构(21)是由通过定滑轮改变加载方向的万能试验机和一个S型力学传感器组成，通过钢丝绳牵引，实现水平方向低速加载并测得拉力的变化；钢珠(19)上方竖直方向设有带力传感器的垂直加载机构(22)，带力传感器的垂直加载机构(22)是由一个万能试验机和一个S型力学传感器组成，实现垂直方向的恒力加载；两个位移传感(7)固定在倒L型板(23)上，倒L型板(23)固定在滚轴限位板(2)的一端，位移传感器(7)与土槽(8)的侧面紧密接触，能够测到土槽(8)微小的位移；
在固定好的可拆分式法兰盘(15)上固定有两块有凸台的可拆分式支撑板(16)，可拆分式支撑板(16)的上端固定有支撑板端盖(17)，支撑板端盖(17)上固定有具有圆柱形凹槽的下圆柱凹槽(18)，下圆柱凹槽(18)里放有钢珠(19)，并用有圆柱形凹槽的上圆柱凹槽(20)作为压板；垂直方向的力直接加载到钢珠(19)上而不是动物足上；钢珠(19)配合下圆柱凹槽(18)和上圆柱凹槽(20)，能够将来自带力传感器的垂直加载机构(22)的力能够垂直地加载到动物足部上；此时无论带力传感器垂直加载机构(22)的上圆柱凹槽(20)的下端是处于水平位置还是与水平面有微小的角度，钢珠(19)的存在能够将载荷调节到垂直位置；
可拆分式法兰盘(15)上具有多个螺纹孔，活动圆盘(11)上有环形凹槽，在一次测量后，松开固定螺丝，使可拆分式法兰盘(15)相对于活动圆盘(11)发生相对转动后固定。
动物足底和沙土间附着系数多角度测量装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种动物足底和沙土间附着系数的测量装置，即一种沙土表面附着力的测量装置。
背景技术
[0002] 轮胎与沙地面间的附着系数直接反映着车辆在沙地面上的通过能力。目前提高附着系数的主要是从轮胎接地面积和胎面花纹等方面入手，但是在沙漠等极端环境下，轮胎与沙地面的附着系数的提高遇到了瓶颈。
[0003] 大自然中存在很多能在沙地上快速奔跑的动物，比如鸵鸟、沙漠蜥蜴等。人类开始求助于大自然，从大自然中获取灵感，试图通过工程学仿生技术来提高轮胎与沙地面的附着力。工程仿生技术依赖于动物足底在沙土上附着系数的大小作为设计参考。因此，急需一种能够测量多角度动物足底/沙土附着系数的装置。
[0004] 目前对摩擦力的测量装置有很多，但多数用于金属或者非金属材料的表面，而且达到了很高的测量精度。例如专利申请号为：CN201410165816.X，名称为直线导轨摩擦力及制造安装误差综合测量装置的发明专利申请文件中公开的技术方案，可以实现不同运动速度及不同受载作用下的滑块动态摩擦力的测量。生物体并不像非生物材料，可以制作成任何适合固定的形状以便于测量，目前尚未检索到生物足底与沙地面之间相互作用力测量的专用装置。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种测量结果精确，结构简单，测量方法方便的动物足底在沙土面上附着力的多角度测量装置。
[0006] 本发明包括沙地面形成装置、力和位移测量装置和动物足部固定装置，其中沙地面形成装置包括底板、滚轴限位板、滚轴、轴承端盖、支撑杆、可调轴承支架、限位轴承和土槽，滚轴限位板固定在底板上，五根滚轴均匀安装在滚轴限位板上，并用轴承端盖限定滚轴的轴向运动。四根支撑杆垂直固定在底板上，支撑杆上安装有可调轴承支架，可调轴承支架上安装有限位轴承，将土槽放在滚轴上时，通过调节限位轴承可以保证土槽在受力方向运动而不发生大的偏转；
[0007] 动物足部固定装置包括可拆分式法兰盘、活动圆盘、固定圆盘、直线轴承和光轴，四根支撑杆的顶端用螺纹固定了一个底座，底座上安装有三根光轴，装有直线轴承的活动圆盘套在三根光轴上，以保证活动圆盘能够上下运动；将可拆分式法兰盘拆开成三片，把动物足放入之后合并成完整形状，将可拆分式法兰盘用螺丝固定在活动圆盘上，这就保证了动物足能够在竖直方向的运动；
[0008] 力和位移测量装置包括带力传感器的水平加载机构、带力传感器的垂直加载机构和两个位移传感器，在与滚轴垂直方向设有带力传感器的水平加载机构，带力传感器的水平加载机构是由通过定滑轮改变加载方向的万能试验机和一个S型力学传感器组成，通过钢丝绳牵引，实现水平方向低速加载并测得拉力的变化；钢珠上方竖直方向设有带力传感器的垂直加载机构，带力传感器的垂直加载机构是由一个万能试验机和一个S型力学传感器组成，实现垂直方向的恒力加载；两个位移传感固定在倒L型板上，倒L型板固定在滚轴限位板的一端，位移传感器与土槽的侧面紧密接触，能够测到土槽微小的位移。为了消除因为力矩存在而导致土槽在滑动方向两侧的位移差异，取两个位移传感器的读数和的均值会更接近于土槽的真实位移。
[0009] 在固定好的可拆分式法兰盘上固定有两块有凸台的可拆分式支撑板，可拆分式支撑板的上端固定有支撑板端盖，支撑板端盖上固定有具有圆柱形凹槽的下圆柱凹槽，下圆柱凹槽里放有钢珠，并用有圆柱形凹槽的上圆柱凹槽作为压板。垂直方向的力直接加载到钢珠上而不是动物足上。钢珠配合下圆柱凹槽和上圆柱凹槽，能够将来自带力传感器的垂直加载机构的力能够垂直地加载到动物足部上。此时无论带力传感器垂直加载机构的上圆柱凹槽的下端是处于水平位置还是与水平面有微小的角度，钢珠的存在能够将载荷调节到垂直位置。
[0010] 可拆分式法兰盘上具有多个螺纹孔，活动圆盘上有环形凹槽，在一次测量后，松开固定螺丝，使可拆分式法兰盘相对于活动圆盘发生相对转动后固定，这样就能实现动足轴(规定足尖和足跟的直线方向为足轴方向)与土槽相对运动方向的角度能够改变，设计目标是每转动十度完成一次测量，动物足转动一周可完成三十六次测量。
[0011] 本发明的工作过程：
[0012] 先在土槽中准备好要测试的地面环境，再将动物足用速干水泥固定于可拆分式法兰盘中，并将法兰盘固定在活动圆盘上上，将位移传感器清零，先在垂直方向给动物足加载，然后再在土槽上缓慢施加水平加载。即可得到水平方向力与位移的变化关系，用水平力的最大值除以动物足底所受最大的力即为动物足在沙地上的附着系数。
[0013] 本发明在测量附着力时，由于加载的速度非常小(2mm/min)，因此惯性力没有影响。装置的结构简单，测量方便。
附图说明
[0014] 图1是发明的轴测图。
[0015] 图2是发明的侧视图。
具体实施方式
[0016] 请参阅图1和图2所示，本实施例本发明包括沙地面形成装置、力和位移测量装置和动物足部固定装置，其中沙地面形成装置包括底板1、滚轴限位板2、滚轴3、轴承端盖4、支撑杆9、可调轴承支架5、限位轴承6和土槽8，滚轴限位板2固定在底板1上，五根滚轴3均匀安装在滚轴限位板2上，并用轴承端盖4限定滚轴3的轴向运动。四根支撑杆9垂直固定在底板上，支撑杆9上安装有可调轴承支架5，可调轴承支架5上安装有限位轴承6，将土槽8放在滚轴3上时，通过调节限位轴承6可以保证土槽8在受力方向运动而不发生大的偏转；
[0017] 动物足部固定装置包括可拆分式法兰盘15、活动圆盘11、固定圆盘12、直线轴承14和光轴13，四根支撑杆9的顶端用螺纹固定了一个底座10，底座10上安装有三根光轴13，装有直线轴承14的活动圆盘11套在三根光轴13上，以保证活动圆盘11能够上下运动；将可拆分式法兰盘15拆开成三片，把动物足放入之后合并成完整形状，将可拆分式法兰盘15用螺丝固定在活动圆盘11上，这就保证了动物足能够在竖直方向的运动；
[0018] 力和位移测量装置包括带力传感器的水平加载机构21、带力传感器的垂直加载机构22和两个位移传感器7，在与滚轴3垂直方向设有带力传感器的水平加载机构21，带力传感器的水平加载机构21是由通过定滑轮改变加载方向的万能试验机和一个S型力学传感器组成，通过钢丝绳牵引，实现水平方向低速加载并测得拉力的变化；钢珠19上方竖直方向设有带力传感器的垂直加载机构22，带力传感器的垂直加载机构22是由一个万能试验机和一个S型力学传感器组成，实现垂直方向的恒力加载；两个位移传感7固定在倒L型板23上，倒L型板23固定在滚轴限位板2的一端，位移传感器7与土槽8的侧面紧密接触，能够测到土槽8微小的位移。为了消除因为力矩存在而导致土槽8在滑动方向两侧的位移差异，取两个位移传感器7的读数和的均值会更接近于土槽8的真实位移。
[0019] 在固定好的可拆分式法兰盘15上固定有两块有凸台的可拆分式支撑板16，可拆分式支撑板16的上端固定有支撑板端盖17，支撑板端盖17上固定有具有圆柱形凹槽的下圆柱凹槽18，下圆柱凹槽18里放有钢珠19，并用有圆柱形凹槽的上圆柱凹槽20作为压板。垂直方向的力直接加载到钢珠19上而不是动物足上。钢珠19配合下圆柱凹槽18和上圆柱凹槽20，能够将来自带力传感器的垂直加载机构22的力能够垂直地加载到动物足部上。此时无论带力传感器垂直加载机构22的上圆柱凹槽20的下端是处于水平位置还是与水平面有微小的角度，钢珠19的存在能够将载荷调节到垂直位置。
[0020] 可拆分式法兰盘15上具有多个螺纹孔，活动圆盘11上有环形凹槽，在一次测量后，松开固定螺丝，使可拆分式法兰盘15相对于活动圆盘11发生相对转动后固定，这样就能实现动足轴(规定足尖和足跟的直线方向为足轴方向)与土槽8相对运动方向的角度能够改变，设计目标是每转动十度完成一次测量，动物足转动一周可完成三十六次测量。
[0021] 本实施例的工作过程：
[0022] 测量时，先将沙土介质置于土槽8中，再将可拆分式法兰盘15取下并拆分，把动物足放入可拆分式法兰盘15，固定好后注入速干水泥，待速干水泥干燥后，将可拆分式法兰盘15固定于活动圆盘11。调整好动物足位置后调节带力传感器的垂直加载机构22，给动物足恒定的垂直加载力，保证动物足底与沙土充分接触。再调节位移传感器7，使其与土槽8的侧面充分接触，以保证土槽8有任何位移变化都能从位移传感器7上显示出来。最后调节带力传感器垂直加载机构21，使其以2mm/min的速度加载，力传感器就能记载土槽的受力变化。
当拉力达到一定值时，土槽8会突然运动，位移传感器7上会显示位移的变化，通过程序导出拉力-位移曲线，曲线的最高点，即为拉力的最大值，也就是最大附着力。最大附着力与带力传感器垂直加载机构22上读出的力的比值，即为最大附着系数。测量完一组数据后，可改变可拆分式法兰盘15与活动圆盘10的相对角度，便可得动物足足轴与运动方向不同夹角条件下最大附着系数的变化。改变垂直加载力的大小，可以进行测量在不同条件下最大附着系数的变化。
