CN112504957B - 一种手指对确定性纹理表面摩擦特性的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手指对确定性纹理表面摩擦特性的试验方法，其包括：筛选符合要求的受试者，受试者手指与确定性纹理表面为部分接触；计算指尖皮肤与确定性纹理表面的真实接触面积，分析黏着摩擦力随法向载荷值、脊的间距、脊的宽度和受试者食指半径的变化规律；确定试验变量为法向载荷值、脊的宽度和高度；设置铝制手指夹具，根据铝制手指夹具、样本脊尺寸及试验变量搭建试验***；对受试者指尖加载载荷，获取接触截面的摩擦力和接触力以及样本的位置信息；采集接触过程中接触表面的摩擦力数据，获取分析触摸过程中摩擦力平均波动程度的依据，将该依据与黏着摩擦力的变化规律相结合得到手指对确定性纹理表面摩擦力的分析试验结果。

Description

一种手指对确定性纹理表面摩擦特性的试验方法

技术领域

本发明涉及一种手指摩擦试验领域，特别是关于一种手指对确定性纹理表面摩擦特性的试验方法。

背景技术

人类指尖由指甲、真皮、皮下组织、指骨和表皮组成，并拥有不同功能和结构的机械感受器和大量的神经组织，生理结构复杂多变，其触摸感知的效果与受试者年龄、性别、职业等密切相关。从生物力学角度而言，当手指与外界物体接触并产生相对运动时，手指皮肤产生压缩、拉伸等机械变形，诱发位于皮肤深层的机械刺激感受器产生相应的动作电位，这种包含物体表面物理特性的脉冲信号通过神经***传递到脑部的大脑皮层，从而产生感觉，来感知外界的软硬度、几何形状、表面纹理等物理几何特性。手指摩擦触觉感知机理的研究，可为仿生皮肤、仿生手指和残疾人假肢的设计制备提供数据支持和理论依据。

事实上，人的触觉不是一个通过皮肤将物理特性转换为电信号的简单过程，由于手指复杂的生理结构，致使手指接触过程中皮肤产生镶嵌、剪切、挤压与碰撞等机械变形较为复杂，另外，外界环境和接触过程中物理参数的变化,使得手指接触具有复杂性、交叉性和随机性的特点，并导致手指摩擦感知过程错综复杂，难以模仿。

国内外众多研究人员对手指接触做了全方位的研究，这些研究尝试从试验和理论方面阐明手指接触特性，但由于目前触摸对象多采用的随机纹理表面，很难定量讨论纹理的尺寸对手指摩擦特性的影响，且多采取样本不动，手指动的探索纹理的动作，容易受到人为因素的干扰，导致试验的可靠性和重复性较低。为了克服人为因素的干扰，一些研究采用仿真手指代替人类手指，导致数据的说服力较弱，此外，试验结果处理的方法也不能避免数据的偶然性。因此当前的试验研究仍然不能很好地揭示手指摩擦触觉感知机理，让类人机器人拥有皮肤，获得触感，一直是机器人研发工作面临的巨大挑战，特别是摩擦特性的研究，还存在很多障碍。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种手指对确定性纹理表面摩擦特性的试验方法，其能有效避免人为因素的干扰，增强试验的可靠性和重复性，并避免了数据的偶然性，为类人机器人皮肤的研制以及智能机器人触觉仿真设计提供更可靠的试验依据。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种手指对确定性纹理表面摩擦特性的试验方法，其包括以下步骤：

1)根据预先明确的法向载荷值，以及设定的样本脊的间距和高度，得到受试者食指半径的取值范围，并根据该取值范围筛选符合要求的受试者，受试者手指与确定性纹理表面为部分接触；

2)根据部分接触状态下黏着摩擦力的影响因素，计算指尖皮肤与确定性纹理表面的真实接触面积，根据所得真实接触面积结果分析黏着摩擦力随法向载荷值、脊的间距、脊的宽度和受试者食指半径的变化规律；

3)根据黏着摩擦力的影响因素，确定试验变量为法向载荷值、脊的宽度和高度，将是否加入润滑油介质作为试验变量待测定；

4)根据样本脊的间距、高度和宽度，采用3D打印加工W组和N组两组样本；

5)根据受试者的食指半径，以及设定的指尖与样本表面的接触角度为30°角，根据UMT Tribolab测试机的适配器的结构特点，设置铝制手指夹具，根据铝制手指夹具、样本脊尺寸及试验变量搭建试验***；

6)对受试者指尖加载载荷，并控制样本的运动，使指尖皮肤与样本表面产生相互作用，获取接触截面的摩擦力和接触力，以及样本的位置信息；

7)采集整个接触过程中接触表面的摩擦力数据，根据该摩擦力数据获取分析触摸过程中摩擦力平均波动程度的依据，将该依据与黏着摩擦力的变化规律相结合得到手指对确定性纹理表面摩擦力的分析试验结果。

进一步，所述黏着摩擦力的变化规律为：增大法向载荷则会增大黏着摩擦力；脊的宽度越大黏着摩擦力越大；加入润滑油介质会减小黏着摩擦力；增大脊的间距会减小黏着摩擦力。

进一步，研究法向载荷对受试者摩擦感知的影响时，选W组样本作为触摸对象，法向载荷依次设为0.5、1、1.5和2N来模拟手指接触物体的触摸力。

进一步，研究有无润滑油介质对受试者摩擦感知的影响时，选W组样本作为触摸对象，手指表面涂抹润滑油进行试验，采集试验过程中的摩擦力结果，与手指未涂抹润滑油且其他各项接触参数设置相同时得到的摩擦力结果进行对比分析，分别取摩擦力随时间变化的曲线的峰谷值、平均值、方差、标准差、波动周期数据，比较两组数据的区别，由此分析润滑油对摩擦力结果造成的影响；其他各项接触参数为其他各项接触参数F_N、样本脊的间距λ和宽度ω，以及受试者手指的半径R。

进一步，研究样本表面脊的宽度对受试者摩擦感知的影响时，选W组和N组样本作为触摸对象，其中W组样本脊的宽度ω大于N组，将两组样本在手指未涂抹润滑油且其他各项接触参数设置相同时得到的摩擦力结果进行对比，分别取摩擦力随时间变化的曲线的峰谷值、平均值、方差、标准差、波动周期数据，比较两组数据的区别，由此分析润滑油对摩擦力结果造成的影响；其他各项接触参数为其他各项接触参数F_N、样本脊的间距λ和宽度ω，以及受试者手指的半径R。

进一步，所述摩擦力平均波动程度的依据获取方法为：将每次试验所得摩擦力数据跟随时间变化的曲线中由样本的脊引起的曲线变化周期的波峰值与波谷值做差值，将差值按大小排序，取中间的5个差值对应的曲线的变化周期，该周期对应的摩擦力波峰值为F_X1，F_X2,F_X3,F_X4,F_X5和摩擦力波谷值为F_X1’,F_X2’,F_X3’,F_X4’,F_X5’，对波峰值与波谷值的差值求平均值F_XM1；同样的试验重复三次，其他两次所得上述平均值分别为F_XM1’和F_XM1”，按试验的次数再次取平均值得到总平均值F_XM2，将F_XM2作为分析触摸过程中摩擦力平均波动程度的依据。

进一步，将所述依据与黏着摩擦力的变化规律相结合得到手指对确定性纹理表面摩擦力的分析试验结果：指尖皮肤与确定性纹理表面接触过程中，摩擦力跟随时间呈周期性波动，且其平均波动程度的变化与黏着摩擦分量变化规律一致，此时黏着摩擦分量占据主导作用；不一致的是，摩擦力的平均波动程度会随间距的增大而增大，此时犁摩擦分量占据主导作用，总摩擦力的波动程度增大；当手指皮肤滑过矩形脊，产生的摩擦力F_f主要由黏着摩擦分量F_a、犁摩擦分量F_p和弹性能恢复形变产生的摩擦力削减量△F构成：F_f＝F_a+F_p-ΔF，黏着摩擦分量F_a为主要的摩擦机制，无法通过试验测得，而手指触摸确定性纹理过程中的总摩擦力可以通过试验测得，通过理论推导黏着摩擦分量的变化，进而推测犁摩擦分量F_p和其对应的摩擦力削减量△F的变化规律，最终得到手指与确定性纹理表面的摩擦机制。

进一步，所述UMT Tribolab测试机包括测试机主体、Z轴、测试悬架、加高块、三维力传感器、适配器、铝制手指夹具、样本和直线运动模块；所述测试机主体的顶部设置有由电机驱动上下运动的所述Z轴，所述Z轴的端部设置有所述测试悬架；所述加高块卡扣装夹在所述测试悬架底部，所述加高块的下部通过螺栓连接有所述三维力传感器，所述适配器通过螺栓固定在所述三维力传感器上；所述适配器的下部通过螺栓装夹有所述铝制手指夹具，位于所述铝制手指夹具的下方，在所述测试机主体的环座上设置有所述直线运动模块，所述直线运动模块上设置有所述样品。

进一步，所述铝制手指夹具包括预夹具紧固件、夹具体、手指预紧螺栓和预紧螺栓调整槽；所述夹具体中部设置有套筒，该套筒用于容置受试者的手指；所述夹具体上部设置有所述预夹具紧固件，所述预夹具紧固件由所述适配器夹紧，进而安装在所述UMTTribolab测试机上；所述夹具体的两侧侧壁分别设置有所述预紧螺栓调整槽，所述预紧螺栓调整槽内设置有所述手指预紧螺栓，所述手指预紧螺栓在所述预紧螺栓调整槽中能上下移动，将受试者的手指夹紧。

进一步，所述样本通过双面胶粘贴在所述直线运动模块上；所述样本由若干间隔设置的脊构成，脊的截面为矩形。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明根据指尖的摩擦机理，选定样本上脊的高度、间距和力法向载荷的加载范围，使手指和样本的接触状态为部分接触。在此前提下，明确主要摩擦机制——黏着摩擦力的影响因素为法向载荷值、脊的宽度、高度和间距，以及摩擦界面是否加入润滑油介质，进一步确定样本上脊的宽度的设计，以及试验变量的设计。2、本发明将法向载荷值、脊的宽度和间距代入真实接触面积的求解公式中，得到黏着摩擦力的变化规律，为试验得到的总摩擦力的规律提供理论依据。3、本发明基于UMT Tribolab摩擦磨损综合试验机建立摩擦力测量***，Tribolab的所有子***，包括驱动装置、环境控制器、编程测试***和实时监测控制***都受其上位机软件的监测和控制，能实现实时监测指尖皮肤与样本表面的接触力和摩擦力。4、跟自制摩擦力测量装置相比，本发明既省时方便，又可减小误差和振动，保证数据的可靠性。5、本发明选择UMTTribolab的直线运动模块，采取手指不动，样品匀速直线运动的模式，能在很大程度上减小人为因素的干扰。6、本发明采用的铝制手指夹具，能使每一位受试者的手指在实验过程中保持其位置和角度，能在很大程度上减小人为因素的干扰，使试验具有可重复性。7、由于每位受试者右手食指的生理结构和表面形貌不具备一致性，且虽然通过各种设计的目的都是在减少人因素的干扰，但这是不可避免的，所以使用单名受试者单次试验某一两个特殊点的数据分析摩擦力的变化规律，就容易造成试验结果的偶然性。本发明采取前述F_XM2作为分析触摸过程中摩擦力平均波动程度的依据，每一个F_XM2都涉及到六名受试者的每一次试验上10个点，可很大程度上避免试验结果的偶然性，使试验分析得到的规律更具有说服力。

附图说明

图1是本发明的试验研究方法流程示意图。

图2是本发明的试验台结构示意图。

图3是本发明的试验样本结构示意图。

图4是本发明的铝制手指夹具结构示意图。

图5是本发明的试验***组成示意图。

图6为本发明的摩擦力随时间变化的典型曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供一种手指对确定性纹理表面摩擦特性的试验方法，在该方法中，黏着摩擦力为手指与确定性纹理表面接触的主要摩擦机制，此处的确定性纹理表面指的是以横截面为矩形的脊为纹理的表面，且黏着摩擦力与真实接触面积呈正相关，而接触状态决定手指与样本表面真实接触面积的求解公式，所以首先要判断接触状态。本发明的试验方法包括以下步骤：

1)根据预先明确的法向载荷值，以及设定的样本脊的间距和高度，得到受试者食指半径的取值范围，并根据该取值范围筛选符合要求的受试者，受试者手指与确定性纹理表面为部分接触；

具体为：为简化问题，只研究指尖皮肤与确定性纹理表面为部分接触状态下的摩擦特性，需要根据经验值确定对手指施加的法向载荷值分别为0.5N、1.0N、1.5N和2.0N，样本表面脊的间距分别为4.8mm、5.8mm、6.8mm、7.8mm和脊的高度为0.8mm，将这三项代入接触状态判断公式，可终确定受试者食指半径的取值范围，再根据此范围筛选出六名健康的、年龄在24-26岁的人群作为受试者，他们的食指半径分别为最终实现了手指与样本表面为部分接触。

其中，接触状态判断公式为：

其中，D为脊的高，E^*是有效杨氏模量，为已知量；F_N为法向载荷值，R为受试者手指半径，λ为样本脊的间距。

当x<1时，指尖皮肤与样本为部分接触。由上述公式可得到，x与法向载荷值F_N和脊的间距λ呈正相关，与受试者手指半径R呈负相关，代入前两者的值，可确定后者的取值范围。例如：当法向载荷为F_N＝0.5N、脊的间距λ＝4.8时，接触状态取临界状态，即x＝1,得到满足部分接触的最小食指半径为4.9564mm,此时要求参加试验的受试者食指半径要大于4.9564mm，当法向载荷值或样本发生变化时，食指半径的取值范围也根据此方法确定，最终求这些范围的交集，即可最终确定受试者食指半径的取值范围。

2)根据部分接触状态下黏着摩擦力的影响因素，计算指尖皮肤与确定性纹理表面的真实接触面积，根据所得真实接触面积结果分析黏着摩擦力随法向载荷值、脊的间距、脊的宽度和受试者食指半径的变化规律，为分析试验所得摩擦力的变化规律作准备；

真实接触面积S的计算公式为：

式中，ω为样本脊的宽度；将手指与样本接触过程中法向载荷值F_N、样本脊的间距λ和宽度ω，以及受试者手指的半径R代入公式，则可得到不同接触参数(F_N、λ、ω、R)设置下指尖皮肤与样本的真实接触面积。

黏着摩擦力的变化规律为：增大法向载荷则会增大黏着摩擦力；脊的宽度越大黏着摩擦力越大；加入润滑油介质会减小黏着摩擦力；增大脊的间距会减小黏着摩擦力；

其中，黏着摩擦力的影响因素包括法向载荷值、脊的间距、受试者食指的半径和脊的宽度；其中，法向载荷值、脊的间距、受试者食指的半径已确定，通过经验值确定脊的宽度分别为0.8mm和1.6mm。

3)根据黏着摩擦力的影响因素，确定试验变量为法向载荷值、脊的宽度和高度，受试者食指半径不做试验变量；由于加入润滑油介质直接影响真实接触面积，所以将是否加入润滑油介质作为试验变量待测定。

4)根据样本脊的间距、高度和宽度，采用3D打印加工W组和N组两组样本；

在本实施例中，如图3所示，样本的整体厚度h为2mm，样本整体长度l为100mm，样本整体宽度w为35mm。此外，W组样本脊的宽度ω为0.8mm，N组样本脊的宽度ω为1.6mm，每组样本有4个，间距λ分别为4.8mm、5.8mm、6.8mm、7.8mm，两组样本脊的高度D均为0.8mm，材料为光敏树脂。

5)根据受试者的食指半径，以及设定的指尖与样本表面的接触角度为30°角，根据UMT Tribolab测试机的适配器的结构特点，设置铝制手指夹具如图4所示；根据铝制手指夹具、样本脊尺寸及试验变量搭建试验***；

在本实施例中，选取的受试者的食指半径为5.1579mm、6.3667mm、6.5867mm、6.9576mm、7.5374mm和7.9618mm。

6)对受试者指尖加载载荷，并控制样本的运动，使指尖皮肤与样本表面产生相互作用，获取接触截面的摩擦力和接触力，以及样本的位置信息；

研究法向载荷对受试者摩擦感知的影响时，选W组样本作为触摸对象，法向载荷依次设为0.5、1、1.5和2N来模拟手指接触物体的触摸力；

研究有无润滑油介质对受试者摩擦感知的影响时，选W组样本作为触摸对象，手指表面涂抹润滑油进行试验，采集试验过程中的摩擦力结果，与手指未涂抹润滑油且其他各项接触参数(F_N、λ、ω、R)设置相同时得到的摩擦力结果进行对比分析，即分别取摩擦力随时间变化的曲线的峰谷值、平均值、方差、标准差、波动周期等数据，比较两组数据的区别，由此分析润滑油对摩擦力结果造成的影响。

研究样本表面脊的宽度对受试者摩擦感知的影响时，选W组和N组样本作为触摸对象，其中W组样本脊的宽度ω大于N组，将两组样本在手指未涂抹润滑油且其他各项接触参数设置(F_N、λ、R)相同时得到的摩擦力结果进行对比，即分别取摩擦力随时间变化的曲线的峰谷值、平均值、方差、标准差、波动周期等数据，比较两组数据的区别，由此分析润滑油对摩擦力结果造成的影响。

手指和样本表面产生接触力，当数值达到预先设定值，则通过铝制手指夹具使手指停止不动，保持15s后，样本开始以4mm/s的速度直线运动，手指与样本表面产生摩擦力，当样本的行程达到60mm，样本停止运动，通过铝制手指夹具使手指上移，样本回到原来试验开始的位置，试验结束。每位受试者，在相同试验条件下进行3次重复试验，每次试验间隔15min。

7)采集整个接触过程中接触表面的摩擦力数据，该摩擦力数据跟随时间变化，根据该摩擦力数据获取分析触摸过程中摩擦力平均波动程度的依据，将该依据与黏着摩擦力的变化规律相结合得到手指对确定性纹理表面摩擦力的分析试验结果；

试验过程中指尖划过样品时指尖皮肤的摩擦力与随时间变化的曲线，有着明显周期性变化规律。由于脊的存在，指尖皮肤依次经过凸起-凹陷-凸起的重复循环，再加上指尖皮肤复杂的力学特性，使指尖皮肤与样品表面的接触面积和指尖的变形程度都呈周期性的波动。

滑动刚开始时，曲线的变化较不规则，原因是样品刚开始滑动时，速度突然由0mm/s到4mm/s，会对指尖皮肤造成一定的冲击，在滑动过程中，也会有单个周期的差值相较于其他周期而言相差较大的现象，这是由于除却脊造成的凸起，样品表面本身就有制作工艺造成的不规则的细小纹理。

如图6所示，为指尖划过样品时指尖皮肤的摩擦力与随时间变化的典型曲线，基于试验结果求取摩擦力的平均波动程度的依据，获取方法具体为：将每次试验所得曲线中由样本的脊引起的曲线变化周期的波峰值与波谷值做差值，将差值按大小排序，取中间的5个差值(所有样本的脊的数目为奇数，且都大于5)对应的曲线的变化周期，对应的曲线变化周期为5个较均匀周期，该周期对应的摩擦力波峰值为F_X1，F_X2,F_X3,F_X4,F_X5和摩擦力波谷值为F_X1’,F_X2’,F_X3’,F_X4’,F_X5’，对波峰值与波谷值的差值求平均值F_XM1：

由于同样的试验重复三次，其他两次所得上述平均值分别为F_XM1’和F_XM1”，按试验的次数再次取平均值得到总平均值F_XM2：

将F_XM2作为分析触摸过程中摩擦力平均波动程度的依据，结合黏着摩擦分量的变化规律分析摩擦力的试验结果：指尖皮肤与确定性纹理表面接触过程中，摩擦力跟随时间大致呈周期性波动，且其平均波动程度的变化与黏着摩擦分量变化规律一致，此时黏着摩擦分量占据主导作用；不一致的是，摩擦力的平均波动程度会随间距的增大而增大，原因是增大脊的间距，导致黏着摩擦分量的减小和犁摩擦分量的增大，此时犁摩擦分量占据主导作用，总摩擦力的波动程度增大。当手指皮肤滑过矩形脊，产生的摩擦力F_f主要由黏着摩擦分量F_a、犁摩擦分量F_p和弹性能恢复形变产生的摩擦力削减量△F构成：F_f＝F_a+F_p-ΔF，黏着摩擦分量F_a为主要的摩擦机制，无法通过试验测得，而手指触摸确定性纹理过程中的总摩擦力可以通过试验测得，但其摩擦机制是未知的，所以通过理论推导黏着摩擦分量的变化，进而推测犁摩擦分量F_p和其对应的摩擦力削减量△F的变化规律，最终得到手指与确定性纹理表面的摩擦机制。

上述实施例中，铝制手指夹具在实验过程中，使每一位受试者的右手食指指尖部位与样本表面呈30°度角固定不动，手指不动，此设计在很大程度上避免了人为因素的干扰。

上述各步骤中，试验***包括UMT Tribolab测试机和上位机***；UMT Tribolab测试机与上位机***进行信息交互。如图2所示，UMT Tribolab测试机包括测试机主体1、Z轴2、测试悬架3、加高块4、三维力传感器5、适配器6、铝制手指夹具7、样本9和直线运动模块10。测试机主体1的顶部设置有由电机驱动上下运动的Z轴2，Z轴2的端部设置有测试悬架3。加高块4卡扣装夹在测试悬架3底部，加高块4的下部通过螺栓连接有三维力传感器5，适配器6通过螺栓固定在三维力传感器5上。适配器6的下部通过螺栓装夹有铝制手指夹具7。位于铝制手指夹具7的下方，在测试机主体1的环座上设置有直线运动模块10，直线运动模块10上设置有样品9。

上述实施例中，如图5所示，UMT Tribolab测试机还包括驱动装置、位置编码器和数据采集***。驱动装置由上位机***控制其工作，由驱动装置带动电机动作，并由驱动装置对手指指尖加载载荷，并控制样本的运动，使指尖皮肤与样本表面产生相互作用，通过三维力传感器检测接触截面的摩擦力和接触力，并由设置在直线运动模块10上的位置编码器获取样本的位置信息，摩擦力、接触力和样本的位置信息经数据采集***传输至上位机***，上位机***可实时监测和控制试验进程。

上述各实施例中，如图4所示，铝制手指夹具包括预夹具紧固件71、夹具体72、手指预紧螺栓73和预紧螺栓调整槽74。夹具体72中部设置有套筒，该套筒用于容置受试者的手指；夹具体72上部设置有预夹具紧固件71，预夹具紧固件71由UMT Tribolab测试机的适配器6夹紧，进而安装在UMT Tribolab测试机上。夹具体72的两侧侧壁分别设置有预紧螺栓调整槽74，预紧螺栓调整槽74内设置有手指预紧螺栓73，手指预紧螺栓73在预紧螺栓调整槽74中可上下移动，进而将受试者的手指夹紧。

上述实施例中，铝制手指夹具还包括垫片75和螺母76，螺母76通过垫片75设置在预紧螺栓73上，用于将手指预紧螺栓73固定在预紧螺栓调整槽74内。

使用时，受试者的食指***夹具体72的套筒中，食指的下部与套筒内壁的下表面贴合，调整预紧螺栓73的位置将食指上部压实，并用螺母76和垫片75固定预紧螺栓73的位置。

上述实施例中，夹具体72与有预夹具紧固件71采用螺纹连接。

上述实施例中，适配器6的下部与铝制手指夹具7的预夹具紧固件71固定连接。

上述实施例中，三维力传感器5采用型号为DFM-1.0、量程为10N的三维力传感器。

上述实施例中，样本9通过双面胶粘贴在直线运动模块10上，如图3所示。样本9由若干间隔设置的脊构成，脊的截面为矩形。

上述实施例中，直线运动模块10的运动模式为单向滑动，力的加载方式为法向恒定加载。其中：

单向滑动指具有确定性纹理表面的样本以4mm/s的速度匀速直线运动60mm,直线运动模块10的五相步进电机连接一个内置轴位置编码器，滚珠丝杠连接位置编码器、载物台与丝杠啮合，两条平行的直线导轨使载物台直线运动、直线导轨固定于底座上，底座通过自锁紧装置与测试机主体相连，样本用双面胶粘在载物台上。

法向恒定加载模式通过UMT Tribolab测试机主体本身即可实现，电机驱动Z轴2旋转，导致测试悬架3下移，加高块4与测试悬架3相连，三维力传感器5通过螺钉与加高块4相连，适配器6通过螺钉与三维力传感器5相连，手指夹具7通过双头螺柱与适配器6相连，手指在手指夹具7的套筒中固定，最终导致手指与样本之间产生接触力，当接触力达到目标值，测试悬架3保持当前位置，手指受到恒定的法向载荷。

上述实施例中，试验过程分为两个阶段进行，首先是静态加载阶段，样本被双面胶固定于载物台上，上位机***控制测试悬架下移将法向载荷施加于指尖，三维力传感器安装在测试悬架上，用于实时监测接触表面的压力和摩擦力值并反馈给上位机***，当载荷缓慢加载到目标值后测试悬架保持当前位置；然后是滑动摩擦阶段，上位机***控制直线运动模块10内的五相步进电机驱动滚珠丝杠，使直线运动模块10的载物台上的样本沿直线导轨向远离身体的方向匀速滑动，电机的内置轴位置编码器记录主轴位置和控制力与样本位置的关系并反馈给上位机***，当达到目标行程时，样品停止运动，测试悬架上移，试验结束。

上述各步骤中，确定性纹理的表面纹理选择截面为矩形的脊，手指与纹理表面的部位为指尖皮肤的指腹部分。

综上，本发明基于UMT Tribolab多功能摩擦磨损综合试验机搭建摩擦力测量试验***，选取其直线运动模块，采用铝制手指夹具严格控制手指的位置和角度，尽量避免人为因素的干扰，增强试验的可靠性，以横截面为矩形的脊作为确定性纹理设计触摸对象的表面，改变的脊的尺寸可探究表面纹理对指尖皮肤摩擦特性的影响，增强试验的重复性。避免了数据的偶然性，并结合理论，分析指尖皮肤的摩擦特性，为类人机器人皮肤的研制以及智能机器人触觉仿真设计提供更可靠的试验依据。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种手指对确定性纹理表面摩擦特性的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）根据预先明确的法向载荷值，以及设定的样本脊的间距和高度，得到受试者食指半径的取值范围，并根据该取值范围筛选符合要求的受试者，受试者手指与确定性纹理表面为部分接触；

2）根据部分接触状态下黏着摩擦力的影响因素，计算指尖皮肤与确定性纹理表面的真实接触面积，根据所得真实接触面积结果分析黏着摩擦力随法向载荷值、脊的间距、脊的宽度和受试者食指半径的变化规律；

3）根据黏着摩擦力的影响因素，确定试验变量为法向载荷值、脊的宽度和高度，将是否加入润滑油介质作为试验变量待测定；

4）根据样本脊的间距、高度和宽度，采用3D打印加工W组和N组两组样本；

5）根据受试者的食指半径，以及设定的指尖与样本表面的接触角度为30°角，根据UMTTribolab测试机的适配器的结构特点，设置铝制手指夹具，根据铝制手指夹具、样本脊尺寸及试验变量搭建试验***；

6）对受试者指尖加载载荷，并控制样本的运动，使指尖皮肤与样本表面产生相互作用，获取接触截面的摩擦力和接触力，以及样本的位置信息；

7）采集整个接触过程中接触表面的摩擦力数据，根据该摩擦力数据获取分析触摸过程中摩擦力平均波动程度的依据，将该依据与黏着摩擦力的变化规律相结合得到手指对确定性纹理表面摩擦力的分析试验结果；

所述黏着摩擦力的变化规律为：增大法向载荷则会增大黏着摩擦力；脊的宽度越大黏着摩擦力越大；加入润滑油介质会减小黏着摩擦力；增大脊的间距会减小黏着摩擦力；

所述铝制手指夹具包括预夹具紧固件、夹具体、手指预紧螺栓和预紧螺栓调整槽；所述夹具体中部设置有套筒，该套筒用于容置受试者的手指；所述夹具体上部设置有所述预夹具紧固件，所述预夹具紧固件由所述适配器夹紧，进而安装在所述UMT Tribolab测试机上；所述夹具体的两侧侧壁分别设置有所述预紧螺栓调整槽，所述预紧螺栓调整槽内设置有所述手指预紧螺栓，所述手指预紧螺栓在所述预紧螺栓调整槽中能上下移动，将受试者的手指夹紧；

所述摩擦力平均波动程度的依据获取方法为：将每次试验所得摩擦力数据跟随时间变化的曲线中由样本的脊引起的曲线变化周期的波峰值与波谷值做差值，将差值按大小排序，取中间的5个差值对应的曲线的变化周期，该周期对应的摩擦力波峰值为F_X1，F_X2,F_X3,F_X4,F_X5和摩擦力波谷值为F_X1’,F_X2’,F_X3’,F_X4’,F_X5’，对波峰值与波谷值的差值求平均值F_XM1；同样的试验重复三次，其他两次所得上述平均值分别为F_XM1’和F_XM1’’，按试验的次数再次取平均值得到总平均值F_XM2，将F_XM2作为分析触摸过程中摩擦力平均波动程度的依据；

将所述依据与黏着摩擦力的变化规律相结合得到手指对确定性纹理表面摩擦力的分析试验结果：指尖皮肤与确定性纹理表面接触过程中，摩擦力跟随时间呈周期性波动，且其平均波动程度的变化与黏着摩擦分量变化规律一致，此时黏着摩擦分量占据主导作用；不一致的是，摩擦力的平均波动程度会随间距的增大而增大，此时犁摩擦分量占据主导作用，总摩擦力的波动程度增大；当手指皮肤滑过矩形脊，产生的摩擦力F_f主要由黏着摩擦分量F_a、犁摩擦分量F_p和弹性能恢复形变产生的摩擦力削减量△F构成：

，黏着摩擦分量F_a为主要的摩擦机制，无法通过试验测得，而手指触摸确定性纹理过程中的总摩擦力通过试验测得，通过理论推导黏着摩擦分量的变化，进而推测犁摩擦分量F_p和其对应的摩擦力削减量△F的变化规律，最终得到手指与确定性纹理表面的摩擦机制。

2.如权利要求1所述试验方法，其特征在于，研究法向载荷对受试者摩擦感知的影响时，选W组样本作为触摸对象，法向载荷依次设为 0.5、1、1.5和 2N 来模拟手指接触物体的触摸力。

3.如权利要求1所述试验方法，其特征在于，研究有无润滑油介质对受试者摩擦感知的影响时，选W组样本作为触摸对象，手指表面涂抹润滑油进行试验，采集试验过程中的摩擦力结果，与手指未涂抹润滑油且其他各项接触参数设置相同时得到的摩擦力结果进行对比分析，分别取摩擦力随时间变化的曲线的峰谷值、平均值、方差、标准差、波动周期数据，比较两组数据的区别，由此分析润滑油对摩擦力结果造成的影响；其他各项接触参数为法向载荷值F_N、样本脊的间距

和宽度/>

，以及受试者手指的半径R。

4.如权利要求1所述试验方法，其特征在于，研究样本表面脊的宽度对受试者摩擦感知的影响时，选W组和N组样本作为触摸对象，其中W组样本脊的宽度

大于N组，将两组样本在手指未涂抹润滑油且其他各项接触参数设置相同时得到的摩擦力结果进行对比，分别取摩擦力随时间变化的曲线的峰谷值、平均值、方差、标准差、波动周期数据，比较两组数据的区别，由此分析润滑油对摩擦力结果造成的影响；其他各项接触参数为法向载荷值F_N、样本脊的间距/>

和宽度/>

，以及受试者手指的半径R。

5.如权利要求1所述试验方法，其特征在于，所述UMT Tribolab测试机包括测试机主体、Z轴、测试悬架、加高块、三维力传感器、适配器、铝制手指夹具、样本和直线运动模块；所述测试机主体的顶部设置有由电机驱动上下运动的所述Z轴，所述Z轴的端部设置有所述测试悬架；所述加高块卡扣装夹在所述测试悬架底部，所述加高块的下部通过螺栓连接有所述三维力传感器，所述适配器通过螺栓固定在所述三维力传感器上；所述适配器的下部通过螺栓装夹有所述铝制手指夹具，位于所述铝制手指夹具的下方，在所述测试机主体的环座上设置有所述直线运动模块，所述直线运动模块上设置有所述样本。

6.如权利要求5所述试验方法，其特征在于，所述样本通过双面胶粘贴在所述直线运动模块上；所述样本由若干间隔设置的脊构成，脊的截面为矩形。

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