摘要：為了解決動物運動力學數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的多通道、高采樣率和大量數(shù)據(jù)實時存儲等問題，提出了一種基于虛擬儀器技術及其圖形化開發(fā)環(huán)境的系統(tǒng)設計方案。系統(tǒng)以PXIe和LabVIEW為平臺，采用3×8傳感器陣列、72通道數(shù)據(jù)采集與處理模塊和高速攝像機等，同步采集力學數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)。實驗表明，該系統(tǒng)可以準確獲得動物運動過程中各個腳掌的三維接觸反力和協(xié)調運動行為數(shù)據(jù)，為仿生機器人的研究提供了理論基礎。
關鍵詞：傳感器陣列；PXIe；LabVIEW；運動力學；數(shù)據(jù)采集

運動是動物捕食、逃逸、生殖和繁衍等行為的基礎，許多動物具有在各種表面(地面、墻面和天花板等)迅速、敏捷爬行的能力，如壁虎、蜜蜂和蟑螂等。對動物運動行為和力學的研究，可以揭示動物的運動特性和規(guī)律，為仿生機器人的研究提供重要理論基礎。虛擬儀器技術及其圖形化開發(fā)環(huán)境為動物運動行為和力學的研究提供了很好的方法，NI公司開發(fā)的LabVIEW是目前廣泛應用的虛擬儀器軟件，它是一種基于G語言的圖形化編程語言，其圖形化界面可以方便地進行虛擬儀器的開發(fā)，在數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測試測量等領域得到了廣泛的應用。
壁虎、蜜蜂和蟑螂等動物的接觸反力為毫牛級或微牛級，需要精密的信號采集與處理系統(tǒng)，目前大部分的動物接觸反力測試系統(tǒng)，只能獲得單個腳掌或整個身體的力學信息，無法采集到動物運動過程中各個腳掌的三維接觸反力和協(xié)調運動行為數(shù)據(jù)。本文介紹了一種基于PXIe和LabVIEW的動物運動力學數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)的PXIe模塊集信號調理、A／D轉換、采樣／保持等多個環(huán)節(jié)于一體，解決了動物運動力學數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的諸多問題，為探索和發(fā)現(xiàn)動物運動力學規(guī)律提供了重要的方法。

1 系統(tǒng)總體結構
數(shù)據(jù)采集就是將模擬信號轉換為數(shù)字信號，然后使用計算機進行處理、顯示及存儲的過程，相應的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在動物運動力學數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，傳感器陣列把動物運動時的力學信號轉化為電信號，通過PXIe數(shù)據(jù)采集模塊對該信號進行處理和采集，最后在LabVIEW程序中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、顯示和保存；高速攝像機和冷光源用于記錄動物運動過程中的運動學信息。力學數(shù)據(jù)和行為數(shù)據(jù)通過單片機(AVR Mega16)同步觸發(fā)采集。系統(tǒng)結構如圖1所示。