申请/专利权人：河南科技大学

申请日：2017-11-27

公开（公告）日：2024-03-19

公开（公告）号：CN108572053B

主分类号：G01M7/08

分类号：G01M7/08;G01M7/02;H04L41/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.19#授权;2018.10.26#实质审查的生效;2018.09.25#公开

摘要：本发明涉及一种拟生蛛网绕线辅助装置，具体包括绕线底座和放射丝固定器。将用于模拟蛛网的放射丝的一段固定在所述放射丝固定器上，所述放射丝固定器设置于所述绕线底座的中心，延定位销将各放射丝延径向拉直，再将用于模拟蛛网的捕丝从中枢区开始基于各定位销的定位成螺旋型绕制，在每个与放射丝交点处与放射丝绑定，最终绕制出模拟圆形螺旋蛛网。采用本装置能够辅助绕线模拟制作仿生的自然界蛛网，模拟蛛网能够用于各种破坏性实验来研究自然界蛛网拓扑结构的特性。本发明还大大加快模拟仿生蛛网的绕制速度，简化制作过程。

主权项：1.一种拟生蛛网绕线辅助装置，其特征在于，包括绕线底座，所述绕线底座上设置有中枢区定位立柱；所述绕线底座上设置有若干定位销列，各定位销列分别用于定位同一条放射丝，各定位销列分别包括以所述中枢区定位立柱为中心并沿径向呈放射状向外布置的若干捕丝定位销，所有的捕丝定位销以所述中枢区定位立柱为中心，由内向外沿螺旋形轨迹布置；还包括放射丝固定器，所述放射丝固定器中心开设有固定圆孔，所述固定圆孔直径大于或等于所述立柱上端；所述放射丝固定器上沿周向均匀分布有若干个放射丝固定孔；所述放射丝固定孔的数量与所述定位销列的数量相同；所述中枢区定位立柱用于固定所述放射丝固定器，所述放射丝固定器的固定圆孔套装在所述中枢区定位立柱的上端圆柱体上。

全文数据：一种拟生蛛网绕线辅助装置技术领域[0001]本发明涉及一种拟生蛛网绕线辅助装置，属于仿生模拟实验领域。背景技术[0002]蛛网可以分为片网、皿网、不规则网和圆网等几种类型，由于圆网在蛛网进化上的地位特殊，且圆形螺旋蛛网结构简单、规则，有出色的抗毁性能和稳定的拓扑构造，因此圆形蛛网有极大的仿生利用与研究价值。[0003]如图1所示，圆形螺旋蛛网的结构包括中枢区5、捕食面6和网眼4，由拖丝1、捕丝2和加强丝3组成。根据功能不同，拖丝1又分为框丝12、锚定丝11和放射丝13三种类型。其中放射丝I3从中枢区5向外辐射，维持并支撑整个蜘蛛网结构的稳定。捕丝2呈螺旋状结构，结构形式是从蜘蛛网的中枢区5向外旋转织出。中枢区5位于圆形螺旋蛛网网体的中心位置。[0004]农业无线传感器网络与蜘蛛网的特征之间存在极大的相似性，农业无线传感器网络的建立、工作、决策、维护等过程，与蜘蛛网同样具有惊人的相似性，为蜘蛛网优异的抗毁性应用于农业无线传感器网络提供了先决基础。但自然界的蛛网由于其特殊的产生过程和不可重建性，无法将其应用与科学研究或破坏性试验中，因此急需一种装置来模拟自然界的圆形螺旋蛛网以研宄其信息传输特性及其优秀的抗毁性能。发明内容[0005]本发明的目的是提供一种拟生蛛网绕线辅助装置，用于实现为了实验研宄自然界中圆形螺旋蛛网的特性而对其进行复制重建的问题。[0006]为实现上述目的，本发明的方案包括：[0007]本发明的一种拟生蛛网绕线辅助装置，包括如下方案：[0008]方案一，包括绕线底座，所述绕线底座上设置有中枢区定位立柱;所述绕线底座上设置有若干定位销列，各定位销列分别用于定位同一条放射丝，各定位销列分别包括以所述定位立柱为中心并沿径向呈放射状向外布置的若干捕丝定位销。[0009]本发明的方案一，通过定位销列定位数条放射丝，通过捕丝定位销定位捕丝和放射丝的交点，能够辅助绕线模拟制作仿生的自然界蛛网。采用本装置能够大大加快模拟仿生蛛网的绕制速度，简化制作过程。[0010]方案二，在方案一的基础上，所述绕线底座上各定位销列上的捕丝定位销均匀布置。[0011]方案三，在方案二的基础上，所述绕线底座上所有的捕丝定位销以所述中枢区定位立柱为中心，由内向外沿螺旋形轨迹布置。[0012]方案四，在方案三的基础上，各定位销列以所述中枢区定位立柱为中心沿周向均匀设置。[0013]均匀设置的定位销列，以及整体成螺旋状分布于各定位销列的捕丝定位销能够使绕制成的模拟圆形螺旋蛛网的捕丝及放射丝分布均匀，螺旋形状理想。[0014]方案五，在方案一或方案二或方案三或方案四的基础上，所述中枢区定位立柱包括立柱底座和立柱上端，所述立柱上端为圆柱体。[0015]方案六，在方案五的基础上，所述立柱底座为圆柱体，所述立柱底座截面直径大于所述立柱上端的截面直径。[0016]方案七，在方案六的基础上，所述立柱上端和立柱底座轴心重合。[0017]中枢区定位立柱为上下两部分构成，上部分为直径较小的圆柱体，下部分为直径较大的圆柱体，两部分组合形成的边界能够方便定位蛛网绕线的起始高度。[0018]方案八，在方案五的基础上，所述捕丝定位销包括定位销底座和定位销上端，所述定位销上端为圆柱体;所述定位销底座高度等于所述立柱底座高度。[0019]方案九，在方案八的基础上，所述定位销底座为圆柱体，所述定位销底座截面直径大于所述定位销上端的截面直径。[0020]捕丝定位销与中枢区定位销成类似结构，拥有相同高度的底座圆柱体，在绕制时能够保证每一个捕丝和放射丝的交点都在同一高度，最后绕制出的蛛网的各交点均匀的分布在同一个平面上。[0021]方案十，在方案五的基础上，所述蛛网绕线辅助装置还包括放射丝固定器，所述放射丝固定器中心开设有固定孔，所述固定孔直径大于或等于所述立柱上端;所述放射丝固定器上沿周向分布有若干个放射丝固定孔;所述放射丝固定孔的数量与所述定位销列的数量相同。[0022]放射丝固定器用于套设在所述中枢区定位立柱上，各放射丝在中枢区的一端固定于各放射丝固定孔上，在蛛网绕制好后，便于拆下和移动模拟蛛网，并且方便将模拟蛛网固定于其他装置上对该蛛网拓扑结构进行进一步的特性试验和研究。附图说明[0023]图1是自然界中的圆形螺旋蛛网；[0024]图2是本发明的圆形螺旋蛛网模拟研究支架；[0025]图3是本发明的蛛网固定框结构图；[0026]图4是本发明的蛛网固定框安装剖面示意图；[0027]图5是本发明的蛛网绕线辅助装置放射丝固定器示意图；[0028]图6是本发明的蛛网绕线辅助装置底座示意图；[0029]图7是本发明的圆形螺旋蛛网绕线示意图；[0030]图8是本发明的圆形螺旋蛛网抗毁研究方法示意图；[0031]图9是作为其他实施例的同心圆捕丝蛛网；[0032]图10是作为其他实施例的锯齿型捕丝蛛网。具体实施方式[0033]下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。[0034]本发明的一种拟生蛛网绕线辅助装置是为了实现在例如实验室中将自然界中的圆形蛛网进行复制重建，以进行包括破坏性实验在内的相应蛛网拓扑结构的特性研究。[0035]为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：[0036]一种圆形螺旋蛛网模拟研究装置包括圆形螺旋蛛网实验支架如图2所示）、蛛网绕线辅助装置包括如图5所示的放射丝固定器，和如图6所示的蛛网绕线辅助装置底座）、蛛网振动信息检测与处理装置。所述蛛网振动信息检测与处理装置包括张力传感器、位移传感器和计算机，所述计算机检测连接所述张力传感器和位移传感器。[0037]如图2所示的一种圆形螺旋蛛网实验支架，包括翼形螺母1、支撑杆2、蛛网固定框三角支撑架3、蛛网固定框4、圆盘底座5、张紧螺栓6、支撑杆三角支撑架7、固定螺栓8、可移动传感器底座9、位移传感器10。所述支撑杆2通过支撑杆三角支撑架7和固定螺栓8延所述圆盘底座5的圆形表面边缘均匀固定;所述支撑杆2上设置有T型滑槽;所述T型滑槽内嵌设有与所述T型滑槽导向配合的T型滑块，所述T型滑块与对应的固定螺栓8螺纹配合与所述T型滑块螺纹配合的固定螺栓8在图2中未画出），所述蛛网固定框4通过蛛网固定框三角支撑架3和对应固定螺栓8固定于所述支撑杆2的T型滑槽内部的所述T型滑块上，对应固定螺栓8紧固后，所述蛛网固定框4将被固定在所述支撑杆2相应位置;所述蛛网固定框4固定方向朝向所述圆盘底座5的中心;所述圆盘底座5的中心设有可移动传感器底座9。[0038]如图3所示的本发明的蛛网固定框结构图，包括张力传感器固定孔14、绕线滚子15、张力传感器绕线轴16。所述蛛网固定框4为长方体半框架结构，其两个端面通透，安装时其中一个端面朝向所述圆盘底座5的中心;作为底面的一个侧面上设置有固定孔图中未示出），用于与蛛网固定框三角支撑架3的一个直角面通过固定螺栓8固定，蛛网固定框三角支撑架3的另一个直角面与所述支撑杆2的T型滑槽内部的T型滑块通过螺栓固定;作为顶面的一个侧面通透。所述蛛网固定框4的两个侧面上，设置有张力传感器固定孔14,张力传感器的绕线轴16水平穿设于所述张力传感器固定孔14,并与所述侧面垂直;靠近所述蛛网固定框4朝向圆盘底座5中心的端面处，垂直于所述侧面水平设置有轴，所述轴上套设有绕线滚子15,绕线滚子可绕轴自由转动，所述轴稍高于张力传感器固定孔14的轴心。[0039]如图4所示的蛛网固定框安装剖面示意图，包括蛛网固定框4、支撑杆2、支撑杆T型滑槽29、翼形螺母1、张紧螺栓6、丝线固定锚点61、T型滑块82、固定螺栓8、螺母81、蛛网固定框三角支撑架3、张力传感器绕线轴16、绕线滚子15。所述蛛网固定框三角支撑架3用于与T型滑块82固定的直角面在张紧螺栓6的位置开设有条形孔31，张紧螺栓6穿过条形孔31，松开固定螺栓8,蛛网固定框三角支撑架3、蛛网固定框4连同固定螺栓8可以在条形孔31套设在张紧螺栓6上的范围内上下移动，同时固定螺栓8带动T型滑块82在所述支撑杆2的T型滑槽29内上下移动。[0040]如图5所示的蛛网绕线辅助装置放射丝固定器示意图，所述放射丝固定器12表面呈圆形，包括固定圆孔11、蛛网中枢区放射丝固定孔13。所述固定圆孔11设置于所述放射丝固定器12的中心位置，所述蛛网中枢区放射丝固定孔13延所述放射丝固定器12边缘周向均布。所述蛛网中枢区放射丝固定孔13的数量应与圆形螺旋蛛网实验支架的支撑杆2、蛛网固定框4的数量相同。[0041]如图6所示的蛛网绕线辅助装置底座示意图，蛛网绕线辅助装置底座18表面呈圆形，包括定位立柱17、捕丝定位销19。所述定位立柱17包括上下两部分，下端为圆柱体底座，上端为截面直径略小于圆柱体底座的圆柱体，所述上端圆柱体底座与所述下端圆柱体轴心重合，所述上端圆柱体直径应等于或略小于所述放射丝固定器12的固定圆孔11的直径，所述下端圆柱体底座直径应大于所述放射丝固定器12的固定圆孔11的直径;所述捕丝定位销19结构与所述定位立柱17结构相似，其下端圆柱体底座的高度与所述定位立柱17的下端圆柱体底座高度相同，但其上下端圆柱体直径均小于所述定位立柱17上下端圆柱体的直径。所述定位立柱17设置于所述蛛网绕线辅助装置底座18的中心，用于固定所述放射丝固定器12,具体为将所述放射丝固定器12的固定圆孔11套装在所述定位立柱17的上端圆柱体上；所述捕丝定位销19以所述定位立柱17为中心，沿径线等夹角向外呈辐射状布置，以所述定位立柱17为起点的每条径线上的若千个捕丝定位销19为一列，每列捕丝定位销19用于定位同一条放射丝；且所有的捕丝定位销19以所述定位立柱17为中心，由内向外沿螺旋形轨迹布置。[0042]所述捕丝定位销19的列数应当与所述放射丝固定器12的蛛网中枢区放射丝固定孔13数量相同。所述捕丝定位销19的螺旋形轨迹圈数决定了本发明蛛网绕线辅助装置绕制出的模拟圆形螺旋蛛网的螺旋捕丝圈数。[0043]本发明的圆形螺旋蛛网模拟研宄装置的使用方法，包括模拟圆形螺旋蛛网的绕制，本实施例中绕制的模拟圆形螺旋蛛网有12条放射丝，因此本实施例中放射丝固定器12有12个蛛网中枢区放射丝固定孔13、绕线辅助装置底座18上有12列捕丝定位销19,同样的，本实施例中的圆形螺旋蛛网实验支架也包括12个支撑杆2以及蛛网固定框4。绕制步骤为：首先，将十二根尼龙线作为放射丝分别绑定在放射丝固定器12的12个蛛网中枢区放射丝固定孔13上，然后将放射丝固定器12的固定圆孔11套设在蛛网绕线辅助装置底座18的定位立柱17的上，定位立柱17上端和下端的直径差所形成的环形台将放射丝固定器12固定在定位立柱17的上端。然后将十二根放射丝延蛛网绕线辅助装置底座18上的12组捕丝定位销列一一拉开。最后拿另一根尼龙线作为捕丝，从模拟圆形蜘蛛网的中枢区向外依次延各组捕丝定位销19呈螺旋状结构旋转织出，在每个捕丝定位销19的上端和下端形成的环形台处和放射丝绑定。全部绑定好后，采用尼龙线材质的模拟圆形螺旋蛛网制作完成，成品如图7所示，包括放射丝固定器I2、绕线辅助装置底座18、固定圆孔11、蛛网中枢区放射丝固定孔13、捕丝定位销I9、以及捕丝2〇、放射丝21。本实施例中，模拟圆形螺旋蛛网的制作采用了尼龙线，作为其他实施例，还可以采用其他材质的线。[0044]作为其他实施例，采用本发明的绕线辅助装置也可以不使用放射丝固定器丨2，首先将各放射丝在中枢区的一端在定位立柱I7的位置打结绑在一起，再将各放射丝延蛛网绕线辅助装置底座1S上的I2个捕丝定位销列一一拉开，然后按上述与使用放射丝固定器12绕制模拟蛛网的相同步骤完成绕制模拟圆形螺旋蛛网。[0045]作为其他实施例，本发明的绕线辅助装置也可以辅助绕制其他类型的模拟蛛网，例如图9所示，捕丝为多个不同大小的同心圆（或者说多边形）的蛛网；或图10所示，捕丝成锯齿状或者说成齿轮形的蛛网等。[0046]圆形螺旋蛛网研宄前还需要将绕制成的模拟圆形螺旋蛛网转移并固定在所述圆形螺旋蛛网实验支架上，其步骤为:首先将张力传感器和位移传感器安装到对应安装位并接好线缆，将模拟圆形螺旋蛛网从绕线辅助装置上取下，将每根放射丝21从对应的蛛网固定框4朝向中心的端面穿入，从上方绕过绕线滚子1；5,再从下方绕过张力传感器绕线轴16，绑定在所述张紧螺栓6的丝线固定锚点61上，如图4所示，包括放射丝21。最后松开对应固定螺栓8,调整各蛛网固定框4的高度使模拟圆形螺旋蛛网保持水平并维持在合适的高度，调整各翼形螺母1，将整张模拟圆形螺旋蛛网张紧。位于模拟圆形螺旋蛛网中枢区下方的位移传感器可检测蛛网受振动时的位移变化，固定在蛛网固定框4上的张力传感器可检测蛛网受振动时各放射丝张力的变化。[0047]所述领域技术人员应当明了，本发明中的圆形螺旋蛛网实验支架的作用是将模拟蛛网张紧、调节蛛网高度，并安装设置对应传感器;蛛网绕线辅助装置的作用是制作模拟蛛网时用来辅助绕线，定位放射丝和捕丝，使放射丝和捕丝的交点均匀分布，以便绕制出理想形态的模拟圆形螺旋蛛网；蛛网振动信息检测处理装置包括位移传感器、张力传感器及计算机，其作用是检测、记录并处理、分析出试验过程中蛛网的振动规律和振动的传输及衰减情况。[0048]本发明的圆形螺旋蛛网抗毁研宄方法包括以下步骤：[0049]将位于模拟蛛网下方的位移传感器10和固定在蛛网固定框4上的张力传感器接电，将绕制好的完整的模拟圆形螺旋蛛网固定于圆形螺旋蛛网实验支架上，张紧并调整水平和调整合适高度。然后将试验用小球从蛛网上方设定高度以自由落体方式下落，根据实验目的或需要使小球触碰模拟蛛网的对应区域或点，引起模拟蛛网振动，模拟蛛网与位移传感器之间的距离发生变化，各放射丝在张力传感器绕线轴上的张紧程度发生变化，所述距离和张力变化导致的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压变化，最终完成机械变化到电信号变化的转换，所述电信号上传到计算机，通过计算机分析测得完整的模拟蛛网的位移情况、振动传递情况及振动衰减情况，并记录。然后根据实验目的或需要对模拟蛛网进行破坏，所述破坏可以包括剪断部分捕丝或放射丝;破坏后，将试验用小球以同样高度自由落体，并使之触碰同一区域或点，此时计算机同样获得可以得到破坏后的模拟蛛网的位移情况、振动传递情况及振动衰减情况，并记录;破坏然后测试的过程可以根据需要进行多次。最后通过计算机软件对比分析完整蛛网时测的数据和有规律破坏后的数据，以及不同程度破坏后数据的变化。[0050]作为其他实施例，还可以对完整模拟蛛网和或不同破坏情况的模拟蛛网引起不同程度的振动，然后记录数据，获得模拟蛛网的位移情况、振动传递情况及振动衰减情况并分析比对。引起不同程度的振动的方法为改变所述小球下落的高度。[0051]经过分析可知，圆形螺旋蛛网结构具有极强的抗毁性，即使某些网眼发生破损时，所述蛛网仍能保持基本形状，且捕丝和放射性所形成的节点间的振动信息有多种路径实现传输，可靠保证连接的有效性。信号分析系统提取出模拟蛛网的振动特征信息后，经数值滤波与整形处理，再通过数据重构技术综合建立蜘蛛网振动新样本，应用有限单元法求解行波波动方程，研究振动包络线的形成与衰减过程，确定影响振动的特征参数。破坏部分网眼结构，分析振动信息传输过程中路径、振幅、频率、速度的变化趋势，对比蜘蛛网中心振幅，评估传输性能与传输效果，总结信息转发、路径选择规则，可以实现构建仿圆形螺旋蛛网的传感器网络路由模型。[0052]以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本结构和功能在于上述基本方案，对本领域技术人员而言，根据本发明的教导，采用其他模块、装置、结构二安装方式不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

权利要求：1.一种拟生蛛网绕线辅助装置，其特征在于，包括绕线底座，所述绕线底座上设置有中枢区定位立柱;所述绕线底座上设置有若干定位销列，各定位销列分别用于定位条放射丝，各走位销列分别包括以所述走位立柱为中'L、并沿径向呈放射状向外布置的若干捕么么定位销。2.根据权利要求1所述的一种拟生蛛网绕线辅助装置，其特征在于，所述绕烤庙座卜各定位销列上的捕丝定位销均匀布置。~3.根据权利要求2所述的一种拟生蛛网绕线辅助装置，其特征在于，所述绕线底座上所有的捕丝定位销以所述中枢区定位立柱为中心，由内向外沿螺旋形轨迹布置。4.根据权利要求3所述的一种拟生蛛网绕线辅助装置，其特征在于，各定位销列以所述中枢区定位立柱为中心沿周向均匀设置。5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种拟生蛛网绕线辅助装置，其特征在于，所述中枢区定位立柱包括立柱底座和立柱上端，所述立柱上端为圆柱体。6.根据权利要求5所述的一种拟生蛛网绕线辅助装置，其特征在于，所述立柱底座为圆柱体，所述立柱底座截面直径大于所述立柱上端的截面直径。7.根据权利要求6所述的一种拟生蛛网绕线辅助装置，其特征在于，所述立柱上端和立柱底座轴心重合。8.根据权利要求5所述的一种拟生蛛网绕线辅助装置，其特征在于，所述捕丝定位销包括定位销底座和定位销上端，所述定位销上端为圆柱体;所述定位销底座高度等于所述立柱底座高度。9.根据权利要求8所述的一种拟生蛛网绕线辅助装置，其特征在于，所述定位销底座为圆柱体，所述定位销底座截面直径大于所述定位销上端的截面直径。10.根据权利要求5所述的一种拟生蛛网绕线辅助装置，其特征在于，所述蛛网绕线辅助装置还包括放射丝固定器，所述放射丝固定器中心开设有固定孔，所述固定孔直径大于或等于所述立柱上端;所述放射丝固定器上沿周向分布有若干个放射丝固定孔;所述放射丝固定孔的数量与所述定位销列的数量相同。

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