CN117140562A - 用于测量夹持安全性的基于摩擦力的触觉传感器 - Google Patents

用于测量夹持安全性的基于摩擦力的触觉传感器 Download PDF

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CN117140562A CN202310100351.9A CN202310100351A CN117140562A CN 117140562 A CN117140562 A CN 117140562A CN 202310100351 A CN202310100351 A CN 202310100351A CN 117140562 A CN117140562 A CN 117140562A
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Abstract

一种用于评估夹持安全性的系统，所述系统包括：接触表面，其具有至少第一接触表面区域和第二接触表面区域，所述第一接触表面区域被配置为对滑移的抵抗能力小于所述第二接触表面区域；传感器，其用于检测所述第一接触区域中的滑移。

Description

用于测量夹持安全性的基于摩擦力的触觉传感器
本发明申请是中国专利申请号201880059924.5，申请日2018年8月14日(PCT申请号：PCT/AU2018/050859，优先权：AU2017903239，优先权日：2017年8月14日，优先权：AU2018901816，优先权日：2018年5月24日)，发明创造名称为《用于测量夹持安全性的基于摩擦力的触觉传感器》的分案申请。
技术领域
本公开涉及用于测量夹持安全性的装置和方法以及用于改善夹持安全性的装置和方法。
背景技术
使用机器人夹持器握持和举起物体是艰巨的任务。机器人夹持器不具备人手检测关于物体和接触界面的有价值信息的能力。在大多数情况下，夹持器没有任何触觉反馈。那些确实具有触觉反馈的夹持器通常测量一个特征，例如夹持力，或者检测物体相对于握持处的滑移。尽管机器人和假肢夹持器设计不断发展，以试图模仿人手的灵巧性，但是仍远未达到可比的性能。
触觉感测领域是热门领域并旨在填补这一空白；然而，现有的大多数触觉传感器都集中于确定界面处的法向力和切向力。尽管这些量很重要，但是当然还有其他触觉参数对于灵巧操纵也很重要。两个这样的参数是静摩擦系数(μs)以及初始滑移的发生和程度。
接触界面的静摩擦系数有助于确定固持特定重量(切向力)的物体所需的最小夹持力(法向力)。在某些夹持姿势中，如果准确地估计静摩擦系数并且可以测量切向力，则可以调整夹持力(法向力)以牢固地固持物体。
文献中已经报道了用于测量静摩擦系数以及初始滑移的发生和程度的许多触觉传感器，然而，这些传感器中的许多传感器具有以下一个或多个局限性：
(i)在尝试夹持物体之前需要先对物体进行探查，
(ii)在获得静摩擦系数测量值之前，在操纵期间发生显著的滑移，
(iii)在变化的摩擦条件下无法提供静摩擦系数的连续测量值，以及
(iv)需要持续监测法向力和切向力。
在本公开内，这些问题中的一些问题可以得到解决或缓解，或者可以提供至少一种替代方案。
测量静摩擦系数的替代方案是检测初始滑移并在此类事件发生后调整夹持力。初始滑移被定义为在接触界面的局部区域上发生的相对位移，而总滑移涉及整个接触界面上的相对位移。然而，尽管文献中报道了许多滑移传感器，但是目前，仍然没有用于人工感知滑移的主导成熟技术。
因此，如果装置能够在夹持仍牢固的同时准确地检测到初始滑移，由此在经历完全失去夹持之前能够进行力调制，则对所属领域将是有利的。
MIT研究人员已经开发出一种用于检测初始滑移的装置，被称为GelSight。该装置利用透明的硅酮和相机通过跟踪刻在硅酮上的圆点图案的移动来测量接触区域上的滑移。然而，由于该装置使用平坦且连续的表面，因此该装置检测初始滑移的能力受到限制。平坦表面限制了在接触界面上建立压差，因此限制了牵引力差。弹性体感测材料的连续本质阻碍了感测界面的不同局部区域之间的移动的独立性，这进一步阻碍初始滑移的发生。GelSight传感器还限于感测相对低频的触觉事件，因为该传感器依赖于视频流的图像处理以便检测硅酮在接触界面处的移动。
对于现有技术而言，另外有利的是触觉传感器装置不管其接触的材料如何都能够可靠地检测并发信号通知即将发生的滑移同时估计摩擦力的。
应当理解，如果在本文中引用了任何现有技术，则此类引用并不承认所述现有技术在澳大利亚或任何其他国家形成了所属领域公知常识的一部分。
发明内容
公开了一种用于评估夹持安全性的系统，所述系统包括：接触表面,其具有至少第一接触表面区域和第二接触表面区域，所述第一接触表面区域被配置为对滑移的抵抗能力小于所述第二接触表面区域。所公开系统还包括用于检测所述第一接触区域中的滑移的传感器。在一些形式中，所述接触表面是可变形的。
对滑移的检测可以用于评估夹持安全性并在所述系统内供应反馈，使得增加夹持强度以增加夹持安全性。
在一些形式中，所述接触表面包括从基底表面延伸的多个突起。在一些形式中，所述突起是可压缩的。在一些形式中，所述突起为纵长支柱的形式。在一些实施例中，所述第一接触区域中的所述突起延伸远离所述基底表面的距离可能小于所述第二接触区域中的所述突起延伸远离所述基底表面的距离。在一些实施例中，所述突起可以被定位成形成阵列。还公开了一种用于评估夹持安全性的方法，所述方法包括检测接触表面处的滑移,其中所述接触表面具有至少第一接触表面区域和第二接触表面区域，所述第一接触表面区域被配置为对滑移的抵抗能力小于所述第二接触表面区域。在一些形式中，所述方法包括利用传感器。
距所述基底表面的突出高度或距离的变化可能是有利的，因为在一些使用形式中，这使得装置能够检测初始滑移。当所述突起被压缩到相同的最终高度时，突起高度的差值导致突起经历法向力，所述法向力取决于所述突起从所述基底表面延伸的距离。当还施加切向力时，在所述突起不明显弯曲的假设下，具有相同横截面积的所有突起都经历相同的切向力。因此，每个突起经历的切向力与法向力之比随突起高度的不同而变化。如果进一步假设传感器的表面保持恒定的静摩擦系数，则当所述切向力增加时，处于最低法向力下的突起(即，当装置卸除时的最短突起)将在切向力与法向力之比大于静摩擦系数时将会首先滑移。随着切向力的进一步增加，下一个最短突起将会滑移，依此类推，直到最高突起已滑移。通过这种方式，每个初始滑移事件用作应当增加夹持力/法向力以保持对物体的稳定夹持的警告。
在本公开的另一实施例中，各个突起的移动可以彼此独立。至少两个支柱的独立移动是有利的，因为这使得能够测量在接触表面上的相对移动，所述相对移动可以仅在整个接触表面上以不同的水平发生。
在本公开的另一实施例中，所述第一接触区域中的突起距所述基底表面的未压缩高度小于所述第二接触区域中的突起距所述基底表面的未压缩高度。
在本公开的另一实施例中，所述第一接触区域中的突起所经历的法向力小于所述第二接触区域中的突起所经历的法向力。
在本公开的另一实施例中，所述突起是支柱。
在本公开的另一实施例中，突起的第一端连接到所述基底表面，并且突起的第二相对端形成圆形或球形或其他不平坦的尖端。
在本公开的另一实施例中，所述接触表面主要由硅酮制成。
在本公开的一些实施例中，所述基底表面可以是平面的，而在其他实施例中，所述基底表面可以是非平面的。当被握持的物体的表面为平面的时，即使基底表面不是平面的，也可以容易地确定每个突起抵靠共同基底表面的相对压缩。可以测量三维力，而不管表面形状如何或基底表面是否为非平面的。
所述系统还包括传感器或传感器系统，所述传感器或传感器系统适于测量第一接触区域处的滑移以检测初始滑移。传感器可以为各种形式。
在一些形式中，传感器被定位在所述基底表面后面与每个腔体相邻的位置处。
在一些形式中，所述传感器适于检测初始滑移。
在一些形式中，所述传感器适于估计摩擦力。
在一些形式中，直径比所述腔体小的孔位于所述传感器与所述腔体之间。
在一些形式中，所述传感器包括象限光电二极管，所述象限光电二极管被配置为检测光，所述光从给定突起内的定位于所述基底表面的腔体侧上的LED发射、从位于所述腔体的远端处或远端附近的反射器反射并行进穿过所述孔到达所述传感器。
在一些形式中，所述接触表面包括从基底表面延伸的多个突起，所述突起具有内部腔体，并且其中所述传感器包括CCD阵列，所述系统被配置为使得所述CCD阵列检测光，所述光从所述基底表面发射到所述腔体中、从位于所述腔体的远端处的反射器反射并行进穿过所述基底表面中的孔到达所述传感器。
在一些形式中，沿法向于基底表面的z轴对突起的压缩会导致检测到的光斑的直径扩大。
在一些形式中，所述接触表面包括从基底表面延伸的多个突起，所述突起具有内部腔体，并且其中所述传感器包括CMOS光敏阵列，所述系统被配置为使得所述CMOS光敏阵列检测光，所述光从所述基底表面发射到所述腔体中、从位于所述腔体的远端处的反射器反射并行进穿过所述基底表面中的孔到达所述传感器。
在本公开的一些实施例中，传感器发信号通知初始滑移警告的速率、检测到滑移事件的速率或者警告的次数可以用于指示需要采取纠正措施的紧急程度或进行纠正措施所需要的力的幅度。
在一些形式中，公开了一种估计接触表面处的摩擦力的方法，所述方法包括：提供从基底表面延伸到尖端的多个突起；测量所述尖端在三个空间维度上的位移；估计在三个空间维度上施加于所述尖端的力。
在一些形式中，当一个或多个突起不再与阵列中的其他突起以相同速度移动时，系统检测到滑移。在一些形式中，系统通过振动来检测滑移。在一些形式中，在检测到滑移之后，系统检查在滑移瞬间的切向力与法向力之比以允许估计摩擦系数。
在一些形式中，公开了一种检测法向于接触表面的扭矩的方法，所述方法包括：提供从基底表面延伸到尖端的多个突起；测量所述尖端在三个维度上的位移；估计在三个维度上施加于所述尖端的力；测量在所述突起延伸的点处围绕法向于所述基底表面的轴线的偏转。
在一些形式中，公开了一种分析接触表面处的滑移移动或纹理的方法，所述方法包括：提供沿着轴线从基底表面延伸到尖端的多个突起；以高分辨率测量所述尖端在三个维度上的位移使得能测量所述尖端的振动；利用振动测量值来估计纹理或检测滑移。
附图说明
现在将参考附图仅以举例的方式描述实施例，其中：
图1A是本公开的接触表面的实施例的横截面视图；
图1B是图1的实施例在压缩状态下的横截面视图；
图1C是图1的实施例在压缩状态下的横截面视图；
图2是本公开的接触表面的透视图；
图3是本公开的接触表面的横截面透视图；
图4是根据本公开的集成有传感器系统的接触表面的实施例的横截面视图；
图5示出了本公开的一个实施例的原型的制造，示出了模具和所得的硅轮廓；
图6示出了用于测试本公开的至少一个实施例的测试台；
图7示出了在测试过程期间捕获的单个视频帧；
图8A至图8C提供了在每个法向力水平下每个支柱发生滑移的切向力与法向力之比的图形视图。图8A示出了高摩擦表面，图8B示出了基础摩擦表面，而图8C示出了低摩擦表面；
图9A至图9C提供了使用本公开的一个实施例对位移和力的检测的图形表示。图9A提供了参考支柱尖端位移，图9C提供了参考力数据，而图9B示出了光学传感器数据输出；
图10示出了使用本公开的实施例对振动响应的检测。
具体实施方式
在以下详细描述中，参考形成详细描述的一部分的附图。在详细描述中描述的、在附图中描绘的以及在权利要求中限定的说明性实施例不意图是限制性的。在不脱离所呈现的主题的精神或范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行其他改变。容易理解的是，可以各种不同的配置来布置、替换、组合、分离和设计如本文中大体描述的以及在附图中示出的本公开的各方面，所有这些配置均涵盖在本公开中。
在图1中，公开了一种用于评估夹持安全性的系统，所述系统包括接触表面10，所述接触表面具有至少第一接触表面区域12和第二接触表面区域14。在所示形式中，接触表面呈从基底表面延伸的多个突起16的形式。在图1中，仅示出了两个突起16，然而所属领域技术人员将明白的是，接触表面可以包括从基底表面18延伸的多个突起16。突起16呈纵长支柱的形式，所述纵长支柱具有与基底表面18接合或成一体的附接端19，并且延伸到在一些实施例中具有半球形端部轮廓的尖端20。在所示形式中，纵长支柱具有类似的横截面尺寸和从基底表面延伸的不同的长度。在这种所示形式中，突起从基底表面延伸的距离的变化限定了第一接触表面区域12和第二接触表面区域14。具体地，第一接触表面区域被配置为对滑移的抵抗能力小于第二接触表面区域。在所示形式中，仅示出了彼此相对具有不同高度的两个纵长突起。
图1是可能实施例的简化模型，其中具有高度lC的较长的中心突起或支柱被八个较短的外部支柱包围，每个较短的外部支柱都具有高度lO。替代实施例包括不同高度的多个支柱。
图1A示出了两个未压缩的突起16，每个突起呈支柱形式并且具有相等直径D，但具有不同高度lC和lO。
在图1B中，装置10被示为与平坦表面24接触，所述平坦表面诸如正被握持的物体的表面。在该图中，两个支柱被总法向力FN压缩到相同的最终高度，从而在每个支柱上产生不同的法向力(压缩力)。
图1C示出添加了切向力，所述切向力通过剪切传感器所接触的平坦表面24而起作用，使得突起16中的每一者也由此经历切向力。当没有突起抵靠所述表面发生滑移时，并且假设支柱无法明显弯曲，所述表面和突起都将经历相同的切向力，并且切向力之和等于总切向力FT。
在本公开的一些实施例中，各个突起16的移动可以彼此独立。呈支柱16形式的至少两个突起的独立或部分独立移动是有利的，因为这使得能够测量在接触表面上的相对移动，所述相对移动可以仅在整个接触表面10上以不同的水平发生。
在本公开的一些实施例中，接触表面10主要由硅酮制成。
如图1C中所示，与第二表面接触区域14的较长突起16'相比，第一表面接触区域12的突起16上的法向力较小。在一些形式中，假设每个突起的静摩擦系数相同；图2中所示的实施例的第一接触表面区域12的外部突起将以比第二接触表面区域的中心突起16'小的切向力滑移。
如果单个突起的弹簧常数(k)和直径(D)是已知的，并且测量在较短突起滑移瞬间的切向力和法向力，则可以预测较长突起将发生滑移的总切向力与法向力之比。因此，静摩擦系数是对较长突起在发生滑移瞬间的切向力与法向力之比的估计。在一些形式中，假设材料是线性弹性的，则测量装置上的总力并将所述总力分摊给突起。在一些未示出的形式中，可以针对多个突起或突起组单独地检测力。
在理想情况下，因为突起不滑移，所以突起应与其所压靠的表面以相同的速度偏转。相反，当突起滑移时，偏转速度应趋向于0mm/s。实际上，由于突起或支柱发生弯曲，因此将滑移瞬间确定为较短突起的偏转速度降低到最长突起的偏转速度的20％的瞬间，条件是最长突起的偏转速度足够大。
在更多突起和更大高度差的情况下，可以适应更大范围的摩擦力和法向力，并且随着切向力的增加，可能会有更多的警告来防止物体丢失。发信号通知警告的速率以及警告的次数可以指示需要采取纠正措施的紧急程度。此外，对于每个警告，可以知晓关于接触界面的更多信息。
无论是否有持续的法向力和切向力监测，所公开的装置都可以有利地用于改善机器夹持器和假肢夹持器的灵巧操纵。在没有持续监测的情况下，发信号通知警告的速率以及警告的次数仍然可以指示需要采取纠正措施的紧急程度以及纠正措施的幅度。在进行持续力监测的情况下，还可以确定静摩擦系数，并且可以更多地告知夹持纠正。无论监测的类型如何，都可以在检测到初始滑移时发出警告。
在所述装置的一些实施例中，接触表面12是平面的，使得可以确定每个突起的相对压缩。
在一些形式中，系统还包括传感器或传感器系统，所述传感器或传感器系统适于测量第一接触区域12处的滑移以检测初始滑移。传感器可以呈各种形式。
如图2中所示，接触表面可以包括基底表面18，所述基底表面具有从其延伸的多个突起。在一些形式中，接触表面还包括下部支撑表面41和上部支撑表面40。在一些形式中，上部支撑表面包括多个孔，突起可以延伸穿过所述孔。在一些形式中，下部表面41可以包括用于支撑传感器或其他系统部件的支撑件或腔体。
在装置的一些实施例中，诸如在图3和图4中所示，照明反射器31、孔32和光传感器33形成针孔相机配置30，从而允许测量照明反射器31的三维偏转。这种偏转与突起16的尖端的三维偏转相关。针孔相机配置30是从光源34行进通过孔32的光将光源的倒像投射到下方的屏幕或传感器33上的一种配置。光源34照亮每个突起16内部的腔体35，以便从腔体35的远端的反射器31反射，并通过针孔相机32返回到在基底表面18后面与针孔相机32相距一定的适当距离安装的传感器33上。
在所述装置的一些实施例中，光源34源自小的圆盘，其中将投射出圆形光斑。通过监测光斑的位置，传感器33能够检测光源34相对于孔32的三维位置。在一些实施例中，当突起被压缩时，光斑扩大，这意味着可以测量到沿着法向于基底的轴线的变形。
所述装置还允许测量在三个维度(即，在基底表面的切面的x轴和y轴以及在给定突起从基底表面延伸的点处法向于所述表面延伸的z轴)上的变化或变形。
所有三个轴上的变化或变形的视觉表示允许测量施加到突起或突起的尖端的三维位移。位移的这种三维视觉表示包括光斑的移动的视觉表示以演示突起在与基底表面相切的x-y平面中的角度移动并且通过光斑大小的变化而演示突起在法向于基底表面的z轴上的移动的视觉表示。这种视觉表示允许在所有三个维度上确定施加到突起的力。对三维力的这种测量还允许估计发生滑移时的摩擦力。
在一些形式中，当一个或多个突起不再与阵列中其他突起以相同速度移动时，系统检测到滑移。在一些形式中，系统通过振动来检测滑移。在一些形式中，在检测到滑移之后，系统检查在滑移瞬间的切向力与法向力之比以估计摩擦系数。
此外，因为可以感测x-y偏转或力围绕z轴的旋度，所以在三个维度上测量力允许突起阵列估计扭矩。这种对扭矩的估计允许增加的夹持安全性，因为可以视需要增加夹持力以计及增加的扭矩。
以高带宽和非常高的空间分辨率测量三维位移允许感测突起中的振动。感测振动会提供与滑移事件有关的警报。替代地，感测振动提供了感测纹理的手段以及区分纹理的能力。另外，对振动的感测可能导致语音或音乐或来自振动表面的其他声音的转导。
在装置的一些实施例中，突起内部的腔体35可以包含由LED 34照亮的反射器盘31和孔32。
在装置的一些实施例中，腔体35具有圆锥形状。
在装置的一些实施例中，位于孔32下方的呈象限光电二极管形式的传感器33可以检测从反射器31折返的所投射光斑的位置和/或大小。在此类实施例中，对光斑位置的计算与突起的尖端在与基底表面相切的x-y平面中的位置相关。这种计算使用相对简单的公式，其中通过减去传感器两半之间的差值并针对总接收到的光进行归一化来计算每个轴。类似地，光斑大小与突起的尖端沿着法向于基底表面的z轴的位置相关，所述位置与沿着法向于基底表面的z轴的压缩或释放相关。通过测量落在光电二极管上的光的强度，可以简单地计算对尖端沿z轴的位置的计算。这些计算的简单性使所述设计适用于微处理器，即使有大传感器阵列也是如此。
在装置的一些实施例中，针孔相机配置30能够通过检查对光电二极管传感器33的四个象限中的每一者进行照明的光的相对比例来测量突起16在二个维度上的偏转的方向和幅度；当突起16偏转时，照射穿过针孔孔32的光束的方向将会改变。对于所述装置的较小规模的实施例，可以用CCD或CMOS光敏阵列代替光电二极管传感器33。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以对先前描述的部分进行变化和修改。
示例
在一些所示实施例中，可以如下执行估计突起或支柱上的力。假设材料根据胡克定律表现为线性弹性的。应注意，总法向力FN是作用在每个支柱上的法向力之和。
在单个中心支柱由八个外部支柱包围的情况下，这意味着：
FNC＝kΔlC，
(1a)
FNo＝kΔlO＝k(ΔlC-d)＝FNC-kd，以及 (1b)
FN＝FNC+8FNO＝9kΔlc-8kd， (1c)
其中k是支柱的弹性材料的弹簧常数。因此：
以及 (2a)
当通过剪切接触的表面也向传感器施加切向力时，支柱中的每一者也会经历切向力(参见图1C)。当所有支柱都卡到表面(不滑移)时并且假设(i)支柱上的压缩应变相对于其高度较小，(ii)较长支柱与较短支柱之间的高度差相对于高度也较小，并且(iii)支柱相对于其高度弯曲不明显，则支柱都经历大致相同的切向力，并且这些切向力之和等于总切向力FT。在单个中心支柱由八个外部支柱包围的情况下，这意味着：
FTC＝FTO，以及 (3a)
FT＝FTC+8FTO＝9FTO， (3b)
其中FTC是中心支柱上的切向力，而FTO是外部支柱中的一者上的切向力。
因为外部支柱上的法向力较小，并且μs对于每个支柱而言是相同的，所以外部支柱与中心支柱相比将在较小的总切向力下滑移。在如下条件下，外部支柱将开始滑移：
FTO＞μsFNO。 (4)
这发生在总切向力如下时：
当外部支柱滑移而中心支柱仍卡住时，由于动摩擦系数(μk)，所以外部支柱对总切向力贡献有限量的切向力：
FTO＝μkFNO，
(6a)
并且在如下条件下，中心支柱将开始滑移：
FTC＞μsFNC。 (6b)
这发生在总切向力如下时：
现在，μs始终大于或等于μk，然而，如果假设μs＝μk，则等式(7)可以简化为：
组合等式(5)和(8)而给出：
这意味着，如果k和d是已知的，并且测量了在外部支柱滑移瞬间的总切向力和法向力(分别为和/>)，则可以预测中心支柱将滑移的总切向力与法向力之比；即，可以通过感测外部支柱何时滑移然后检查那时的力来估计静摩擦系数。
在一些形式中，传感器的基底(支柱源自于其中)的直径Dtotal＝80mm且厚度为3mm，并且圆柱状支柱中的每一者具有D＝10mm的直径和半球形端部，其中中心间的间距大约为15mm。选择半球形端部，因为带有尖锐边缘的平坦平端部会导致在支柱滑移之前有大压缩力产生在支柱接触区域的边缘上。在传感器的该实施例中(与上面的简单模型一样)，八个外部支柱以3x 3网格布置包围单个中心支柱。中心支柱的高度为lC＝15mm，而外部支柱的高度为lO＝14mm；即，中心支柱与外部支柱之间的高度差为d＝1mm。为了制造该原型，将硅酮浇铸到3D打印的ABS塑料模具中。
使用3D打印机以热塑性塑料打印模具。为了使模具的表面上的3D打印线变平滑，将模具在室温下悬置在丙酮蒸气浴上3个小时。图5A和图5B分别示出了丙酮蒸气浴之前和之后的模具。
使用具有低粘度而易于流动并且固化时间段短的对皮肤安全的两组分硅酮作为用于原型的材料。根据制造商说明书，两种组分是等份混合的，并且以一次性灌注执行浇铸。不需要脱气过程，然而要从一定高度来灌注硅酮以允许更好地控制灌注流，并且轻轻摇动模具以除去硅酮中存在的任何气泡。固化后将硅酮脱模(参见图5C至图5E)。图5C示出了硅酮原型的俯视图；图5D示出了具有安装支撑件的原型；图5E示出了硅酮原型的侧视图。
为了验证原型的操作，执行多次实验以将法向力和切向力施加于原型。为了执行这些测试过程，使用测试台，所述测试台包括XYZ工作台、3D力/扭矩传感器、原型、透明丙烯酸表面和相机。测试台和测试过程如下所述。
图6示出了用于测试本公开的至少一个实施例的原型的示例性测试台。所述图示出了标记为A的XYZ工作台、标记为B的丙烯酸表面、标记为C的原型、标记为D的3D力/扭矩传感器、标记为E的视频捕获平台和标记为F的支撑框架。
图6中所示的由三个平移工作台组成的XYZ工作台(M-605.1DD，PhysikInstrumente(PI)GmbH&Co.KG公司，德国卡尔斯鲁厄市)用于使透明丙烯酸表面与原型接触，然后跨原型的表面而剪切丙烯酸表面。工作台中的每一者的行程范围为25mm，最大速度为50mm.s-1，准确度为0.1μm，步长低至0.3μm。压缩产生作用在支柱上的法向力，并且在与要夹持的物体接触时对表面进行剪切会在支柱中的每一者上产生切向力。
3D力/扭矩传感器(Mini40,SI-80-4,ATI Industrial Automation公司，美国北卡罗来纳州埃佩克斯市)安装在原型与支撑框架之间(参见图6D)。用PowerLab 16/35数据采集单元(AD Instruments公司,贝拉维斯塔(Bella Vista),澳大利亚新南威尔士州)以1kHz对作用在原型上的力和扭矩进行采样。
通过16GB iPhone 6(型号A1586)的本机视频录制应用程序捕获与透明丙烯酸表面接触的原型的视频。将iPhone放置在平台上使得从正下方通过透明丙烯酸表面(大约100mm)观察支柱，其中中心支柱定位于图像的中间。iPhone已连接到运行QuickTimePlayer 10.4的MacBook Pro，以便以59.97fps(frames.s-1)在1334×750像素分辨率下以.MOV格式录制iPhone屏幕。使用MATLAB(R2014b，Mathworks公司，美国马萨诸塞州纳蒂克市)相机校准应用程序执行相机校准。计算透镜畸变系数(径向和切向)，并且在传感器的边缘(超出支柱中的任一者的最大偏转)，畸变不大于1.1个像素，这对应于大约0.12mm。相比之下，支柱上的跟踪点的直径量为大约5个像素。因为这种畸变具有使支柱偏转的测量值产生偏差的影响，所以对结果的影响只是改变了确定支柱相对于工作台发生滑移的时间点；然而，确定该事件时间更多地取决于所使用的滑移检测规则。
在选定支柱的中心点用销钉产生小孔，所述小孔用黑色墨水填充以形成可靠标记以便于在视频分析期间进行跟踪。此外，将由一行三个10mm正方形组成的黑白棋盘图案附加到丙烯酸表面以提供用于跟踪表面的位置的参考点，以及为空间单位转换(像素转换为mm)提供参考，这因为透镜畸变可忽略而变得合理。
XYZ工作台被编程为以2.5mm.s-1的速度朝向原型垂直地移动到预定位置，这会产生所需法向力(0.5N用于测量μs，而5N、7.5N、10N、12.5N和15N用于分析支柱滑移行为-参见下文)。XYZ工作台保持该位置1.5s，然后以2.5mm.s-1的速度横向移动总共15mm。然后，工作台从原型垂直地移回起始高度，因此卸除力，然后横向移动以返回到起始位置。
通过记录产生所需法向力(5N、7.5N、10N、12.5N和15N)的XYZ工作台位置，可以根据胡克定律计算弹簧常数。因为在这些法向力水平下，所有九个传感器支柱都压靠在丙烯酸表面上，所以弹簧常数k等于由工作台位置相对于法向力定义的线的梯度的1/9。
为了确保用于测试的三个表面具有不同的μs值，并且在整个测试中每个表面的μs保持一致，需要测量μs。通过在0.5N的法向力下执行上述协议来测量μs，在该法向力下，只有中心支柱与表面接触。针对摩擦条件与测试法向力的每个组合测量在测试支柱行为之前和之后的摩擦力(参见下文)。
在以下五个不同的法向力水平下测试传感器的行为：5N、7.5N、10N、12.5N和15N。XYZ工作台被编程为如上所述施加法向力和切向力。同时，记录来自ATI传感器的力/扭矩信号，并捕获与丙烯酸表面接触的支柱的视频。
使用具有不同摩擦性质的三个表面：(i)用乙醇清洗的丙烯酸酯(基础摩擦条件)，(ii)用橄榄油覆盖的丙烯酸酯(低摩擦条件)，以及(iii)涂有已被允许干燥的一层薄肥皂的丙烯酸酯(高摩擦条件)。
对于法向力(5N、7.5N、10N、12.5N和15N)与表面(涂有油的丙烯酸酯，用酒精清洁的丙烯酸酯，涂有肥皂的丙烯酸酯)的每种组合，执行以下测试：在0.5N下测试摩擦力(一次)，在所需法向力下测试支柱行为(五次)，在0.5N下测试摩擦力(一次)。
为了消除力信号中的任何高频噪声，应用截止频率为10Hz的二阶低通巴特沃思(Butterworth)滤波器。
录制的视频用于监测在丙烯酸表面横向移动期间原型的中心支柱和八个外部支柱中的一者的偏转。Kanade-Lucas-Tomasi算法用于在MATLAB(Mathworks公司，美国马萨诸塞州纳蒂克市)中执行点跟踪。在整个视频录制中跟踪了三个点：(i)中心支柱的中心，(ii)一个外部支柱的中心-该支柱被选择作为在剪切方向上在中心支柱正前方的支柱，以及(iii)参考网格上的一个点(用于监测丙烯酸表面的位置)。
点跟踪的结果给出了中心支柱和外部支柱相对于丙烯酸表面的位置的偏转，随后给出了相对于每个支柱的未偏转位置的偏转。图4示出了视频跟踪和支柱偏转的单个帧。然后应用5Hz的二阶低通巴特沃思滤波器来消除偏转数据中的跟踪抖动。
因为原始数据被记录在两个不同的装置上，所以需要同步滤波后的力/扭矩和偏转信号。在每次刺激结束时，XYZ工作台都沿负Z方向(法向于支柱)加速以使丙烯酸表面远离传感器而缩回，以便卸除法向力。由于突然去除了切向弯曲力，因此这将导致所测量的法向力以及计算出的中心支柱偏转大大加速。使用相对于滤波后的法向力和中心支柱偏转的时间的二阶导数中的大负峰来同步力和偏转数据。
在理想情况下，因为工作台以2.5mm.s-1的速度移动，所以如果支柱被卡住(不滑移)，则支柱也应在其尖端处以2.5mm.s-1的速度偏转，并且在支柱滑移时，偏转速度应变为0mm.s-1。然而，实际情况并非如此，并且由于支柱的弯曲，支柱首先似乎与工作台以相同的速度移动，然而，随着支柱在接触点处摇摆，该速度会缓慢降低。因此，启发式地将滑移瞬间确定为支柱的偏转速度(即，偏转位置相对于时间的一阶导数)降低到工作台速度的5％(即，支柱的偏转速度首次下降到低于0.125mm.s-1)(接近零)但高于支柱偏转速度的帧间噪声水平时的瞬间。在这项证明原型的操作原理的工作中，该阈值足以识别滑移瞬间，然而，在其他实际情况下，检测算法肯定要更加复杂/稳健。在一些形式中，可以使用上述的光和针孔方法在内部对每个突起进行仪表化，以测量突起的偏转和振动。在一些形式中，这可能意味着滑移事件将明确化。
取中心支柱(在0.5N的法向力下接触的唯一支柱)滑移瞬间的切向力与法向力之比(通过视频分析确定)作为μs的估计值。
传感器的操作原理是，与中心(较高)支柱相比，外部(较短)支柱应在较小的切向力下滑移。为了确定是否满足要求，分别确定了外部支柱和中心支柱滑移瞬间的切向力和法向力以进行比较。对的预测(等式(9))也是根据外部支柱滑移时所测量的切向力和法向力(分别为/>和/>)计算的，并且与测量到的/>进行比较，/>是在稍后中心支柱最终滑移的某个时间测量的。
结果
使用针对法向力(N)中的每一者的工作台位置(mm)来计算传感器支柱的弹簧常数k。弹簧常数k是最佳拟合线的梯度除以支柱数量：k＝1.174N/mm。
已观察到，当丙烯酸板开始剪切时(在大约2.4s处)，法向力减小。这是可以预期的，因为XYZ平台被编程为在剪切丙烯酸表面时保持处于相同高度，并且传感器的支柱弯曲，这意味着传感器的有效高度会略微降低。取μs作为中心支柱滑移瞬间的切向力与法向力之比。
参考图7，示出了在测试过程期间捕获的单个视频帧。红色十字是标记的原始位置；蓝色十字是标记随丙烯酸板一起移动到的当前位置。以黄色突出显示的值是标记的偏转(mm)(顶部)、中心支柱的偏转(mm)(中间)和中心支柱左侧的外部支柱的偏转(mm)(底部)。
参考图8，示出了每个支柱在针对A)高摩擦表面、B)基础摩擦表面和C)低摩擦表面的每个法向力水平下发生滑移的切向力与法向力之比的图形视图。标记是均值，并且误差条延伸到±SD。虚水平线指示在0.5N法向力下测量的μs。
如图9A至图9C中所示，光学传感器能够测量突起的位移和在突起上的力。在图形表示中，图9A提供了参考位移。XY坐标是通过用视频摄像机从上方跟踪在一个支柱的尖端上着色的点而获得的。使用机器人工作台将透明的厚有机玻璃片与支柱尖端接触，并且使所述有机玻璃片四处移动以产生XYZ位移。机器人工作台会告知Z坐标。
图9C示出了参考力。这是使用商用3轴力传感器获得的。
图9B示出了在经过一些简单的预处理后使用四个光电二极管对位移和力的测量值。如所示，如果有以象限模式布置的四个光电二极管，
P Q
R S
则可以对所述光电二极管所感测到的光强度进行如下预处理以获得中间曲线图。
Z＝P+Q+R+S(即，所有之和)
X＝[(P+R)-(Q+S)]/Z(即，左减去右，归一化)
Y＝[(P+Q)-(R+S)]/Z(即，顶部减去底部，归一化)
最终，习得两个映射函数以将测量图9B中所示的位移和力得到的值映射到：图9A中的值，其示出了三个维度上的参考位移；或图9C中的值，其示出了三个维度上的参考力。
如图10中所示，传感器可以检测振动。在该示例中，突起尖端与沿着单个轴振动的摇床接触。所附图像示出了测试结果，其中在支柱的Z轴上施加处于330Hz的10微米(0.01mm)振动(即，压缩支柱)。红色点迹线指示摇床的位移，而蓝色迹线指示光电二极管传感器的响应；以蓝色迹线所示的这种传感器响应值是使用计算Z＝P+Q+R+S获得的，并表达单位为伏特。
在所附权利要求和本发明的先前描述中，除非上下文由于表达语言或必要的暗示而另外有要求，否则词语“包括(comprise)”或诸如“包括(comprises/comprising)”的变型以包含性含义使用；即，在本发明的各个实施例中，指定存在所述特征，但不排除其他特征的存在或增加。

Claims (10)

1.一种用于估计摩擦力的系统，其特征在于，所述系统包括：
接触表面，包括从基底表面延伸的多个突起，所述接触表面包括第一接触表面区域和第二接触表面区域，所述第一接触表面区域被配置为对滑移的抵抗能力小于所述第二接触表面区域；以及
传感器布置，被配置为检测所述多个突起中的至少三个突起在三个不同维度上的位移，以测量在所述第一接触表面区域滑移瞬间施加在多个突起中至少三个突起上的三维力。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其中所述多个突起的位移是被夹持物体的平移或旋转的结果。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其中所述系统进一步被配置为估计应用于所述多个突起中的至少三个突起的扭矩。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其中所述系统进一步被配置为感测与滑移事件有关的所述多个突起中的至少三个突起的振动。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其中所述系统进一步被配置为在不同的表面纹理上感测所述多个突起中的至少三个突起的振动。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其中所述多个突起是可变形的。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其中所述多个突起为从所述基底表面延伸至尖端的纵长轴，所述接触表面设置在尖端处或尖端附近。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其中所述多个突起被定位成形成阵列。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其中所述多个突起被配置为彼此独立地移动。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其中所述多个突起被配置为使得在一致的夹持压力下使用时，在所述第一接触表面区域中的突起上的法向力小于在所述第二接触表面区域中的突起上的法向力。
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