本發(fā)明涉及一種研究手與物體接觸間磨擦系數(shù)和接觸面積之間關(guān)系的方式與裝置。為解決檢測接觸面積問題，設(shè)計(jì)一種三棱鏡成像系統(tǒng)，用于便捷檢測中指與透明物體的接觸面積。對所述的三棱鏡裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以便用一部單反同時(shí)采集手右側(cè)接觸面積。解決了在研究手的磨擦系數(shù)和手與物體接觸面積之間關(guān)系時(shí)檢測手的接觸面積的困難問題。
技術(shù)背景
目前國外外研社究者在研究人手聽覺感知機(jī)理方面時(shí)，研究人手拿物體的最小抓持力與右手變型和磨擦系數(shù)的關(guān)系。研究中指變型與磨擦系數(shù)關(guān)系，在研究手的磨擦系數(shù)，正壓力和手與物體接觸面積之間關(guān)系時(shí)，確切檢測手與物體的接觸面積是十分有必要的。目前在檢測中指與物體的接觸面積方面還沒有比較理想的方式，好多是通過在手上涂特殊材料，之后測粘在接觸物體表面材料的接觸面積，這樣做除了不確切、操作麻煩并且還改變了手與物體間的磨擦系數(shù)。也有研究者借助單反采集圖象的，但不能用一部單反采集所有手腕接觸面積。
s.,l.-c.等人做的人手對不同粗糙度玻璃的磨擦系數(shù)的研究中(.,,l.-c.,a.lenza,e.,m.)，為了檢測手與玻璃的接觸面積，在板上裝有壓敏薄膜，按照檢測的壓力分布，可以確定皮膚的表觀接觸面積。此方式難以確切確定接觸邊界，存在很大偏差，且采用壓敏薄膜成本較高。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為解決現(xiàn)有技術(shù)的步驟，本發(fā)明提供一種研究手與物體接觸間磨擦系數(shù)和接觸面積之間關(guān)系的方式與裝置。該三棱鏡成像系統(tǒng)解決了在研究手的磨擦系數(shù)正壓力和手與物體接觸面積之間的關(guān)系時(shí)，確切檢測手腕前側(cè)與所握物體接觸面積的困難問題。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：設(shè)計(jì)一種研究手與物體接觸間磨擦系數(shù)和接觸面積之間關(guān)系的裝置，其特點(diǎn)在于，所述裝置包括三棱鏡裝置、相機(jī)、數(shù)顯拉壓力計(jì)，三棱鏡裝置與單反二者正對放置，并保持一定距離。
數(shù)顯拉壓力計(jì)的右端設(shè)置有基座，上端的前側(cè)面為力顯示屏，力顯示屏的一側(cè)聯(lián)接有加力桿，加力桿的的兩側(cè)固定安裝有拇指套。托架左側(cè)面上設(shè)置有凸緣，基座上表面的前端設(shè)置有手輪，手輪的轉(zhuǎn)動可控制加力桿的伸縮。右手套的右錐面與凸緣的上端面相對，三棱鏡裝置設(shè)置在右手套的右錐面與凸緣的左錐面之間。
所述中指套的右錐面為內(nèi)凹弧面，該內(nèi)凹弧面為手指接觸區(qū)，手指接觸區(qū)整體與拇指套主體部份呈15°夾角設(shè)置。
所述三棱鏡裝置包括一號棱鏡、二號棱鏡和鏡片，每一個(gè)棱鏡包含第一透光面、反光底面和第二透光面，鏡片包括透明圓形框和設(shè)置在透明圓形框內(nèi)部上下側(cè)壁上的上定位縱梁和下定位凸緣，上定位縱梁和下定位縱梁結(jié)構(gòu)相同位置相對摩擦力與接觸面積公式，二者均為三角形結(jié)構(gòu)，上定位縱梁和下定位凸緣一側(cè)的縫隙內(nèi)分別對稱的安裝有一號棱鏡、二號棱鏡。
一號三棱鏡、二號三棱鏡均設(shè)有反光底面及聯(lián)接反光底面左側(cè)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互相對稱、頂部相交，底部傾角為90°；所述反光底面兩側(cè)表面上設(shè)有鍍金層。
透明圓形框左右兩邊邊框的外表面均與腳趾接觸，左右兩邊內(nèi)表面分別與兩個(gè)棱鏡的第一透光面貼合。第二透光面面朝單反方向，反光底面坐落透明圓形框的內(nèi)部。
進(jìn)一步的，本發(fā)明設(shè)計(jì)一種研究手與物體接觸間磨擦系數(shù)和接觸面積之間關(guān)系的方式，其特點(diǎn)在于，該方式采用如上所述的裝置和如下步驟：將數(shù)顯拉壓力計(jì)橫放，手握三棱鏡裝置放置在數(shù)顯拉壓力計(jì)的加載位置并使三棱鏡正對攝像機(jī)鏡頭。平緩轉(zhuǎn)動手輪加載，在加載過程中手的臂力逐步減少直至為零，當(dāng)三棱鏡裝置處于正好要滾落而沒有滾落的零界狀態(tài)時(shí)數(shù)顯拉壓力計(jì)停止加載，攝像機(jī)采集圖象傳入筆記本，估算出大手指接觸面積s，記錄出此時(shí)數(shù)顯拉壓力計(jì)的顯示屏上讀數(shù)f，記錄此時(shí)懸掛在三棱鏡裝置下方的物重g。按照熱學(xué)關(guān)系知磨擦系數(shù)μ估算公式為
依次調(diào)整物重g的大小重復(fù)進(jìn)行以上步驟，即可獲得每次實(shí)驗(yàn)的接觸面積s和磨擦系數(shù)μ的數(shù)據(jù)，之后以接觸面積s為x軸，磨擦系數(shù)μ為y軸做出曲線圖，即可得到手與物體接觸間磨擦系數(shù)和接觸面積之間關(guān)系。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：
(1)在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新、優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了從理論到實(shí)物的設(shè)計(jì)。對所述的三棱鏡裝置中的三棱鏡對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于把手握物體一側(cè)右手的接觸面積通過光路反射在同右邊射出，以便用一部單反同時(shí)采集手右側(cè)接觸面積。
(2)借助三棱鏡成像原理，因而確切、方便的采集食指變型和接觸面積。
(3)具有結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)思巧妙，成本低的優(yōu)勢。
本發(fā)明借助三棱鏡成像原理，對所述的光學(xué)三棱鏡裝置中的三棱鏡對稱設(shè)計(jì)，有利于把手握物體一側(cè)右手的接觸面積通過光路反射在同右邊射出，以便用一部單反同時(shí)采集手右側(cè)接觸面積，把光線反射一定的角度才能被一部攝像機(jī)順利捕獲到接觸位置的圖象。通過軟件剖析估算因而確切、方便的測出中指變型和接觸面積，為后續(xù)研究帶來很大的便捷。該方式可靠性好，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)勢。
附圖發(fā)明
圖1為本發(fā)明一種施行例的三棱鏡裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為圖1中的三棱鏡結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為圖1中的鏡片結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明一種施行例的裝配示意圖；
圖5為本發(fā)明一種施行例的拇指套結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖5(a)為右手套立體結(jié)布光，圖5(b)為右手套一側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為一種施行例的拇指與三棱鏡接觸面圖象，其中，圖6(a)為單反拍攝后的圖象，圖6(b)為計(jì)算機(jī)處理后圖象。
圖7為實(shí)驗(yàn)裝配示意圖。
圖8為圖7中受力剖析圖。
圖9為實(shí)驗(yàn)測試所得的正壓力f與接觸面積s關(guān)系圖。
圖10為實(shí)驗(yàn)測試所得的浮力p與磨擦系數(shù)μ關(guān)系圖。
圖11為s.,l.-c.等人的研究所得正壓力f與接觸面積s關(guān)系圖。
圖12為s.,l.-c.等人的研究所得浮力p與磨擦系數(shù)μ關(guān)系圖。
圖13為實(shí)驗(yàn)測試所得的手與物體接觸間磨擦系數(shù)μ和接觸面積s之間關(guān)系圖。
具體施行方法
以下是本發(fā)明的具體施行例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
本發(fā)明提供一種研究手與物體接觸間磨擦系數(shù)和接觸面積之間關(guān)系的方式與裝置，所述裝置包括三棱鏡裝置12、相機(jī)13、數(shù)顯拉壓力計(jì)17，三棱鏡裝置12與單反13二者正對放置，并保持一定距離。
數(shù)顯拉壓力計(jì)17的右端設(shè)置有基座21，上端的前側(cè)面為力顯示屏15，力顯示屏15的一側(cè)聯(lián)接有加力桿23，加力桿23的的兩側(cè)固定安裝有拇指套16。基座21左側(cè)面上設(shè)置有凸緣22，基座21上表面的前端設(shè)置有手輪18，手輪18的轉(zhuǎn)動可控制加力桿23的伸縮。右手套16的右錐面與凸緣22的左錐面相對，三棱鏡裝置12設(shè)置在右手套16的右錐面與凸緣22的左錐面之間。
所述中指套16的右錐面為內(nèi)凹弧面19，該內(nèi)凹弧面為手指接觸區(qū)19，手指接觸區(qū)19整體與右手套16主體部份呈15°夾角設(shè)置。
所述三棱鏡裝置12包括一號三棱鏡1、二號三棱鏡2和鏡片3，每一個(gè)棱鏡包含第一透光面4、反光底面5和第二透光面6，鏡片3包括透明圓形框8和設(shè)置在透明圓形框8內(nèi)部上下側(cè)壁上的上定位凸緣7和下定位凸緣9，上定位凸緣7和下定位凸緣9結(jié)構(gòu)相同位置相對，二者均為三角形結(jié)構(gòu)，上定位凸緣7和下定位凸緣9一側(cè)的縫隙內(nèi)分別對稱的安裝有一號三棱鏡1、二號三棱鏡2。
如圖2所示的三棱鏡結(jié)構(gòu)，一號三棱鏡1、二號三棱鏡2均設(shè)有反光底面5及聯(lián)接反光底面左側(cè)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互相對稱、頂部相交，底部傾角為90°；所述反光底面5內(nèi)側(cè)表面上設(shè)有鍍金層。
如圖3所示的鏡片3結(jié)構(gòu)，拿來固定一號三棱鏡1、二號三棱鏡2，該鏡片也是透明玻璃制成，包括5mm厚的透明圓形框8，和設(shè)置在透明圓形框8內(nèi)部的上定位凸緣7和下定位凸緣9。透明圓形框8左右兩邊邊框的外表面均與腳趾接觸，左右兩邊內(nèi)表面分別與兩個(gè)棱鏡的第一透光面4貼合。第二透光面6面朝單反13方向，反光底面5坐落透明圓形框8的內(nèi)部。
所述一種研究手與物體接觸間磨擦系數(shù)和接觸面積之間關(guān)系的方式，該方式采用如上所述的裝置和如下步驟：：參見圖7，數(shù)顯拉壓力計(jì)(zq-21b-1)橫放，手握三棱鏡裝置(不加砝碼)放置在數(shù)顯拉壓力計(jì)(zq-21b-1)的加載位置并使三棱鏡正對攝像機(jī)鏡頭。平緩轉(zhuǎn)動手輪18加載，在加載過程中手的臂力逐步減少直至為零，當(dāng)三棱鏡裝置處于正好要滾落而沒有滾落的零界狀態(tài)時(shí)數(shù)顯拉壓力計(jì)停止加載，攝像機(jī)采集圖象傳入筆記本，估算出大手指接觸面積s，記錄出此時(shí)數(shù)顯拉壓力計(jì)的顯示屏上讀數(shù)f，記錄此時(shí)懸掛在三棱鏡裝置下方的物重g。依照圖8的熱學(xué)關(guān)系知磨擦系數(shù)μ估算公式為
依次在三棱鏡裝置下調(diào)整物重g的大小重復(fù)進(jìn)行以上步驟，即可獲得每次實(shí)驗(yàn)的接觸面積s和磨擦系數(shù)μ的數(shù)據(jù)，之后以接觸面積s為x軸，磨擦系數(shù)μ為y軸做出曲線圖，即可得到手與物體接觸間磨擦系數(shù)和接觸面積之間關(guān)系。
本發(fā)明工作原理：當(dāng)人手11握三棱鏡裝置12，食指與中指套16接觸并被固定，右手套16與數(shù)顯拉壓力計(jì)加力桿23固定，四指指背與基座21上的凸緣22接觸，實(shí)驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)動手輪18可控制加力桿伸縮，借此來控制拇指與三棱鏡的接觸面積的大小。
一號三棱鏡1、二號三棱鏡2對稱的設(shè)置在鏡片3內(nèi)，手握持時(shí)，第一透光面4與右手的接觸面積通過反光底面5一比一的反射到第二透光面6，通過單反采集第二透光面6圖象，再傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，估算出接觸面積。圖6為右手接觸面積的圖象的處理過程。
如圖4所示，手11握三棱鏡裝置12左側(cè)，使三棱鏡第二透光面6正對單反13鏡頭摩擦力與接觸面積公式，單反13實(shí)時(shí)拍攝出反射過來的圖片然后傳給筆記本14，由筆記本對圖片進(jìn)行處理。數(shù)顯拉壓力計(jì)17可測出法向力，已知重力，可依照熱學(xué)關(guān)系估算出磨擦系數(shù)。
如圖5所示的拇指套16的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為了固定人手的大手指，拇指套16主體部份與手指接觸區(qū)19設(shè)有15°的角度，設(shè)此角度的目的是為了補(bǔ)償手指指背的夾角，以便加載便捷，此結(jié)構(gòu)由3d復(fù)印作出。
如圖6所示的圖象均以線框圖表示，左圖為單反拍攝后的圖象被處理為8bit，下圖為右手指調(diào)節(jié)灰度后圖象，通過調(diào)節(jié)灰度可以清晰的區(qū)分出腳趾接觸邊界與接觸面積，即指紋20的面積。
下邊以具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明一種研究手與物體接觸間磨擦系數(shù)和接觸面積之間關(guān)系的方式與裝置的可靠性。
實(shí)驗(yàn)設(shè)備：三棱鏡裝置(自重150g)，砝碼24(重量分別為25g、50g、75g、100g、125g、150g)，數(shù)顯拉壓力計(jì)(zq-21b-1),拍照機(jī)，筆記本。
實(shí)驗(yàn)步驟：
1)如圖7所示，數(shù)顯拉壓力計(jì)(zq-21b-1)橫放，手握三棱鏡裝置(不加砝碼)放置在數(shù)顯拉壓力計(jì)的加載位置并使三棱鏡正對攝像機(jī)鏡頭。平緩轉(zhuǎn)動手輪18加載，在加載過程中手的臂力逐步減少直至為零，此時(shí)若三棱鏡裝置處于正好要滾落而沒有滾落的零界狀態(tài)時(shí)數(shù)顯拉壓力計(jì)停止加載，攝像機(jī)采集圖象傳入筆記本估算出大手指接觸面積，記錄出此時(shí)數(shù)顯拉壓力計(jì)顯示屏上讀數(shù)，記錄此時(shí)物重。以上步驟重復(fù)三次，記錄三次數(shù)據(jù)。
2)在三棱鏡裝置下依次懸掛重量分別為25g、50g、75g、100g、125g、150g的砝碼，每加一次砝碼實(shí)驗(yàn)步驟1要重復(fù)三次，記錄所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
3)數(shù)據(jù)處理：磨擦系數(shù)μ估算公式
受力如圖8所示。共進(jìn)行21次實(shí)驗(yàn)，得出數(shù)據(jù)表格如下：
表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)
由表中可清晰得悉正壓力f與接觸面積s(圖9)、壓強(qiáng)p與磨擦系數(shù)μ(圖10)的關(guān)系，這一關(guān)系趨勢與相關(guān)領(lǐng)域人的研究結(jié)果一致，如圖11、圖12為s.,l.-c.等人的研究結(jié)果，驗(yàn)證了該檢測方式的可行性與正確性。
本次實(shí)驗(yàn)探究手與物體接觸間磨擦系數(shù)μ和接觸面積s之間關(guān)系，得出結(jié)果如右圖13，該圖反應(yīng)了磨擦系數(shù)μ和接觸面積s之間關(guān)系，這一推論為后續(xù)相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)。
s.,l.-c.等人做的人手對不同粗糙度玻璃的磨擦系數(shù)的研究中，為了檢測手與玻璃的接觸面積，在板上裝有壓敏薄膜，按照檢測的壓力分布，可以確定皮膚的表觀接觸面積。此方式難以確切確定接觸邊界，存在很大偏差，且采用壓敏薄膜成本較高。
本發(fā)明研制的一種研究手與物體接觸間磨擦系數(shù)和接觸面積之間關(guān)系的方式與裝置，采集的圖象信息能很確切辨識接觸邊界，估算精確，挺好的解決了以上問題，而且檢測結(jié)果確切，操作便捷，成本也低。
本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。
技術(shù)特點(diǎn)：
技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種研究手與物體接觸間磨擦系數(shù)和接觸面積之間關(guān)系的方式與裝置，所述裝置包括三棱鏡裝置、相機(jī)、數(shù)顯拉壓力計(jì)，本發(fā)明借助三棱鏡成像原理，對光學(xué)三棱鏡裝置中的三棱鏡對稱設(shè)計(jì)，有利于把手握物體一側(cè)手腕的接觸面積通過光路反射在同右邊射出，以便用一部單反同時(shí)采集手右側(cè)接觸面積，把光線反射一定的角度而才能被一部攝像機(jī)順利捕獲到接觸位置的圖象。通過軟件剖析估算因而確切、方便的測出中指變型和接觸面積，為后續(xù)研究帶來很大的便捷。該方式可靠性好，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)勢。
技術(shù)研制人員：劉今越;陳強(qiáng);郭士杰;賈曉輝
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山東工業(yè)學(xué)院
技術(shù)研制日：2018.05.07
技術(shù)公布日：2018.09.11