CN108519325B - 一种研究手与物体接触间摩擦系数和接触面积之间关系的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种研究手与物体接触间摩擦系数和接触面积之间关系的方法与装置，所述装置包括三棱镜装置、相机、数显拉压力计，本发明利用三棱镜成像原理，对光学三棱镜装置中的三棱镜对称设计，有利于把手握物体两侧手指的接触面积通过光路反射在同一侧射出，便于用一部相机同时采集手两侧接触面积，把光线反射一定的角度而能够被一部摄像机顺利捕获到接触位置的图像。通过软件分析计算从而准确、方便的测出手指变形和接触面积，为后续研究带来很大的方便。该方法可靠性好，该装置具有结构简单、成本低等优势。

Description

一种研究手与物体接触间摩擦系数和接触面积之间关系的方 法与装置
技术领域
本发明涉及一种研究手与物体接触间摩擦系数和接触面积之间关系的方法与装置。为解决测量接触面积问题，设计一种三棱镜成像系统，用于方便测量手指与透明物体的接触面积。对所述的三棱镜装置结构设计，便于用一部相机同时采集手两侧接触面积。解决了在研究手的摩擦系数和手与物体接触面积之间关系时测量手的接触面积的困难问题。
技术背景
目前国内外研究者在研究人手触觉感知机理方面时，研究人手拿物体的最小抓持力与手指变形和摩擦系数的关系。研究手指变形与摩擦系数关系，在研究手的摩擦系数，正压力和手与物体接触面积之间关系时，准确测量手与物体的接触面积是非常有必要的。目前在测量手指与物体的接触面积方面还没有比较理想的方法，很多是通过在手上涂特殊材料，然后测粘在接触物体表面材料的接触面积，这样做不仅不准确、操作麻烦而且还改变了手与物体间的摩擦系数。也有研究者利用相机采集图像的，但不能用一部相机采集所有手指接触面积。
S.Derler,L.-C.Gerhardt等人做的人手对不同粗糙度玻璃的摩擦系数的研究中(Friction of human skin against smooth and rough glass as a function of thecontact pressure S.Derler a,,L.-C.Gerhardt a,A.Lenz a,E.Bertaux a,M.Hadad b)，为了测量手与玻璃的接触面积，在板上装有压敏薄膜，根据测量的压力分布，可以确定皮肤的表观接触面积。此方法无法准确确定接触边界，存在很大误差，且采用压敏薄膜成本较高。
发明内容
为解决现有技术的步骤，本发明提供一种研究手与物体接触间摩擦系数和接触面积之间关系的方法与装置。该三棱镜成像系统解决了在研究手的摩擦系数正压力和手与物体接触面积之间的关系时，准确测量手指两侧与所握物体接触面积的困难问题。
本发明所采用的技术方案是：设计一种研究手与物体接触间摩擦系数和接触面积之间关系的装置，其特征在于，所述装置包括三棱镜装置、相机、数显拉压力计，三棱镜装置与相机两者正对放置，并保持一定距离。
数显拉压力计的右端设置有底座，左端的前侧面为力显示屏，力显示屏的右侧连接有加力杆，加力杆的的右侧固定安装有手指套。底座右侧面上设置有凸台，底座上表面的后端设置有手轮，手轮的转动可控制加力杆的伸缩。手指套的右端面与凸台的左端面相对，三棱镜装置设置在手指套的右端面与凸台的左端面之间。
所述手指套的右端面为内凹弧面，该内凹弧面为拇指接触区，拇指接触区整体与手指套主体部分呈15°夹角设置。
所述三棱镜装置包括一号棱镜、二号棱镜和镜框，每一个棱镜包含第一透光面、反光底面和第二透光面，镜框包括透明矩形框和设置在透明矩形框内部上下侧壁上的上定位凸台和下定位凸台，上定位凸台和下定位凸台结构相同位置相对，两者均为三角形结构，上定位凸台和下定位凸台两侧的空隙内分别对称的安装有一号棱镜、二号棱镜。
一号三棱镜、二号三棱镜均设有反光底面及连接反光底面两侧的第一透光面和第二透光面；所述第一透光面和第二透光面相互对称、顶部相交，顶部夹角为90°；所述反光底面下侧表面上设有镀银层。
透明矩形框左右两侧边框的外表面均与手指接触，左右两侧内表面分别与两个棱镜的第一透光面贴合。第二透光面面朝相机方向，反光底面位于透明矩形框的内部。
进一步的，本发明设计一种研究手与物体接触间摩擦系数和接触面积之间关系的方法，其特征在于，该方法采用如上所述的装置和如下步骤：将数显拉压力计横放，手握三棱镜装置放置在数显拉压力计的加载位置并使三棱镜正对摄像机镜头。缓慢转动手轮加载，在加载过程中手的握力逐渐减小直到为零，当三棱镜装置处于刚好要滑落而没有滑落的零界状态时数显拉压力计停止加载，摄像机采集图像传入电脑，计算出大拇指接触面积s，记录出此时数显拉压力计的显示屏上读数F，记录此时悬挂在三棱镜装置下方的物重G。根据力学关系知摩擦系数μ计算公式为依次调整物重G的大小重复进行以上步骤，即可获得每次实验的接触面积s和摩擦系数μ的数据，然后以接触面积s为x轴，摩擦系数μ为y轴作出曲线图，即可得到手与物体接触间摩擦系数和接触面积之间关系。
本发明与现有技术比较有以下几点优势：
(1)在现有技术的基础上进行了创新、优化，实现了从理论到实物的设计。对所述的三棱镜装置中的三棱镜对称结构设计，有利于把手握物体两侧手指的接触面积通过光路反射在同一侧射出，便于用一部相机同时采集手两侧接触面积。
(2)利用三棱镜成像原理，从而准确、方便的采集手指变形和接触面积。
(3)具有结构简单，构思巧妙，成本低的优势。
本发明利用三棱镜成像原理，对所述的光学三棱镜装置中的三棱镜对称设计，有利于把手握物体两侧手指的接触面积通过光路反射在同一侧射出，便于用一部相机同时采集手两侧接触面积，把光线反射一定的角度能够被一部摄像机顺利捕获到接触位置的图像。通过软件分析计算从而准确、方便的测出手指变形和接触面积，为后续研究带来很大的方便。该方法可靠性好，该装置具有结构简单、成本低等优势。
附图发明
图1为本发明一种实施例的三棱镜装置结构示意图；
图2为图1中的三棱镜结构示意图；
图3为图1中的镜框结构示意图；
图4为本发明一种实施例的装配示意图；
图5为本发明一种实施例的手指套结构示意图，其中图5(a)为手指套立体结构图，图5(b)为手指套一侧面结构示意图。
图6为一种实施例的手指与三棱镜接触面图像，其中，图6(a)为相机拍摄后的图像，图6(b)为计算机处理后图像。
图7为实验装配示意图。
图8为图7中受力分析图。
图9为实验测试所得的正压力F与接触面积S关系图。
图10为实验测试所得的压强P与摩擦系数μ关系图。
图11为S.Derler,L.-C.Gerhardt等人的研究所得正压力F与接触面积S关系图。
图12为S.Derler,L.-C.Gerhardt等人的研究所得压强P与摩擦系数μ关系图。
图13为实验测试所得的手与物体接触间摩擦系数μ和接触面积S之间关系图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明提供一种研究手与物体接触间摩擦系数和接触面积之间关系的方法与装置，所述装置包括三棱镜装置12、相机13、数显拉压力计17，三棱镜装置12与相机13两者正对放置，并保持一定距离。
数显拉压力计17的右端设置有底座21，左端的前侧面为力显示屏15，力显示屏15的右侧连接有加力杆23，加力杆23的的右侧固定安装有手指套16。底座21右侧面上设置有凸台22，底座21上表面的后端设置有手轮18，手轮18的转动可控制加力杆23的伸缩。手指套16的右端面与凸台22的左端面相对，三棱镜装置12设置在手指套16的右端面与凸台22的左端面之间。
所述手指套16的右端面为内凹弧面19，该内凹弧面为拇指接触区19，拇指接触区19整体与手指套16主体部分呈15°夹角设置。
所述三棱镜装置12包括一号三棱镜1、二号三棱镜2和镜框3，每一个棱镜包含第一透光面4、反光底面5和第二透光面6，镜框3包括透明矩形框8和设置在透明矩形框8内部上下侧壁上的上定位凸台7和下定位凸台9，上定位凸台7和下定位凸台9结构相同位置相对，两者均为三角形结构，上定位凸台7和下定位凸台9两侧的空隙内分别对称的安装有一号三棱镜1、二号三棱镜2。
如图2所示的三棱镜结构，一号三棱镜1、二号三棱镜2均设有反光底面5及连接反光底面两侧的第一透光面4和第二透光面6；所述第一透光面4和第二透光面6相互对称、顶部相交，顶部夹角为90°；所述反光底面5下侧表面上设有镀银层。
如图3所示的镜框3结构，用来固定一号三棱镜1、二号三棱镜2，该镜框也是透明玻璃制成，包括5mm厚的透明矩形框8，和设置在透明矩形框8内部的上定位凸台7和下定位凸台9。透明矩形框8左右两侧边框的外表面均与手指接触，左右两侧内表面分别与两个棱镜的第一透光面4贴合。第二透光面6面朝相机13方向，反光底面5位于透明矩形框8的内部。
所述一种研究手与物体接触间摩擦系数和接触面积之间关系的方法，该方法采用如上所述的装置和如下步骤：：参见图7，数显拉压力计(ZQ-21B-1)横放，手握三棱镜装置(不加砝码)放置在数显拉压力计(ZQ-21B-1)的加载位置并使三棱镜正对摄像机镜头。缓慢转动手轮18加载，在加载过程中手的握力逐渐减小直到为零，当三棱镜装置处于刚好要滑落而没有滑落的零界状态时数显拉压力计停止加载，摄像机采集图像传入电脑，计算出大拇指接触面积s，记录出此时数显拉压力计的显示屏上读数F，记录此时悬挂在三棱镜装置下方的物重G。根据图8的力学关系知摩擦系数μ计算公式为依次在三棱镜装置下调整物重G的大小重复进行以上步骤，即可获得每次实验的接触面积s和摩擦系数μ的数据，然后以接触面积s为x轴，摩擦系数μ为y轴作出曲线图，即可得到手与物体接触间摩擦系数和接触面积之间关系。
本发明工作原理：当人手11握三棱镜装置12，拇指与手指套16接触并被固定，手指套16与数显拉压力计加力杆23固定，四指指背与底座21上的凸台22接触，实验时转动手轮18可控制加力杆伸缩，以此来控制手指与三棱镜的接触面积的大小。
一号三棱镜1、二号三棱镜2对称的设置在镜框3内，手抓握时，第一透光面4与手指的接触面积通过反光底面5一比一的反射到第二透光面6，通过相机采集第二透光面6图像，再传入计算机进行处理，计算出接触面积。图6为手指接触面积的图像的处理过程。
如图4所示，手11握三棱镜装置12两侧，使三棱镜第二透光面6正对相机13镜头，相机13实时拍摄出反射过来的图片然后传给电脑14，由电脑对图片进行处理。数显拉压力计17可测出法向力，已知重力，可根据力学关系计算出摩擦系数。
如图5所示的手指套16的结构设计是为了固定人手的大拇指，手指套16主体部分与拇指接触区19设有15°的角度，设此角度的目的是为了补偿拇指指背的倾角，便于加载方便，此结构由3D打印做出。
如图6所示的图像均以线框图表示，左图为相机拍摄后的图像被处理为8bit，右图为手指指调节灰度后图像，通过调节灰度可以清晰的分辨出手指接触边界与接触面积，即指纹20的面积。
下面以具体实验验证本发明一种研究手与物体接触间摩擦系数和接触面积之间关系的方法与装置的可靠性。
实验设备：三棱镜装置(自重150g)，砝码24(重量分别为25g、50g、75g、100g、125g、150g)，数显拉压力计(ZQ-21B-1),照相机，电脑。
实验步骤：
1)如图7所示，数显拉压力计(ZQ-21B-1)横放，手握三棱镜装置(不加砝码)放置在数显拉压力计的加载位置并使三棱镜正对摄像机镜头。缓慢转动手轮18加载，在加载过程中手的握力逐渐减小直到为零，此时若三棱镜装置处于刚好要滑落而没有滑落的零界状态时数显拉压力计停止加载，摄像机采集图像传入电脑计算出大拇指接触面积，记录出此时数显拉压力计显示屏上读数，记录此时物重。以上步骤重复三次，记录三次数据。
2)在三棱镜装置下依次悬挂重量分别为25g、50g、75g、100g、125g、150g的砝码，每加一次砝码实验步骤1要重复三次，记录所有实验数据。
3)数据处理：摩擦系数μ计算公式受力如图8所示。共进行21次实验，得出数据表格如下：
表1试验数据
由表中可清晰得知正压力F与接触面积S(图9)、压强P与摩擦系数μ(图10)的关系，这一关系趋势与相关领域人的研究结果一致，如图11、图12为S.Derler,L.-C.Gerhardt等人的研究结果，验证了该测量方法的可行性与正确性。
本次实验探究手与物体接触间摩擦系数μ和接触面积S之间关系，得出结果如下图13，该图反应了摩擦系数μ和接触面积S之间关系，这一结论为后续相关研究奠定基础。
S.Derler,L.-C.Gerhardt等人做的人手对不同粗糙度玻璃的摩擦系数的研究中，为了测量手与玻璃的接触面积，在板上装有压敏薄膜，根据测量的压力分布，可以确定皮肤的表观接触面积。此方法无法准确确定接触边界，存在很大误差，且采用压敏薄膜成本较高。
本发明研发的一种研究手与物体接触间摩擦系数和接触面积之间关系的方法与装置，采集的图像信息能很准确识别接触边界，计算精确，很好的解决了以上问题，并且测量结果准确，操作方便，成本也低。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (1)

1.一种研究手与物体接触间摩擦系数和接触面积之间关系的方法，其特征在于，该方法采用的装置包括三棱镜装置、相机、数显拉压力计，三棱镜装置与相机两者正对放置，并保持一定距离；
数显拉压力计的右端设置有底座，左端的前侧面为力显示屏，力显示屏的右侧连接有加力杆，加力杆的右侧固定安装有手指套；底座右侧面上设置有凸台，底座上表面的后端设置有手轮，手轮的转动可控制加力杆的伸缩；手指套的右端面与凸台的左端面相对，三棱镜装置设置在手指套的右端面与凸台的左端面之间；
所述手指套的右端面为内凹弧面，该内凹弧面为拇指接触区，拇指接触区整体与手指套主体部分呈15°夹角设置；
所述三棱镜装置包括一号三棱镜、二号三棱镜和镜框，每一个三棱镜包含第一透光面、反光底面和第二透光面，镜框包括透明矩形框和设置在透明矩形框内部上下侧壁上的上定位凸台和下定位凸台，上定位凸台和下定位凸台结构相同位置相对，两者均为三角形结构，上定位凸台和下定位凸台两侧的空隙内分别对称的安装有一号三棱镜、二号三棱镜；
一号三棱镜、二号三棱镜均设有反光底面及连接反光底面两侧的第一透光面和第二透光面；所述第一透光面和第二透光面相互对称、顶部相交，顶部夹角为90°；所述反光底面下侧表面上设有镀银层；
透明矩形框左右两侧边框的外表面均与手指接触，左右两侧内表面分别与两个三棱镜的第一透光面贴合；第二透光面面朝相机方向，反光底面位于透明矩形框的内部；
该方法采用如下步骤：将数显拉压力计横放，手握三棱镜装置放置在数显拉压力计的加载位置并使三棱镜装置正对摄像机镜头；缓慢转动手轮加载，在加载过程中手的握力逐渐减小直到为零，当三棱镜装置处于刚好要滑落而没有滑落的零界状态时数显拉压力计停止加载，摄像机采集图像传入电脑，计算出大拇指接触面积s，记录出此时数显拉压力计的显示屏上读数F，记录此时悬挂在三棱镜装置下方的物重G；根据力学关系知摩擦系数μ计算公式为其中，/>为G的均值，/>为F的均值；依次调整物重G的大小重复进行以上步骤，即可获得每次实验的接触面积s和摩擦系数μ的数据，然后以接触面积s为x轴，摩擦系数μ为y轴作出曲线图，即可得到手与物体接触间摩擦系数和接触面积之间关系。
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