[发明专利]一种手指对确定性纹理表面摩擦特性的试验方法

说明书

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系统；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。

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系统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系统；