手指摩擦试验装置

1.本发明涉及一种手指摩擦试验装置。


背景技术：

2.手指摩擦学是生物摩擦学体表类的一个重要研究课题。在人类的活活动中手指接触摩擦行为随处可见，如对按钮、操作杆等的操作，对触摸屏的触摸操作、拧开瓶盖、使用键盘、鼠标等动作。在这些行为中手指会与各种材料之间由于触摸、滑动而产生摩擦，产生对手指的影响，使手指表面皮肤发生形变，如：手指与劳动生产工具、体育用品等的擦伤起泡现象；手指与触摸屏等材料接触摩擦的舒适性等。因此，需要测试与研究手指在接触摩擦时的摩擦力矢量、振动加速度矢量等规律，即手指的摩擦力学特性。从而根据测出的手指摩擦力学特性，指导相关产品的设计和制造，以提高产品操作的可靠性和灵敏度，并提高人的手指操作的舒适性和健康。
3.同时，智能机器人的触觉仿真，是通过仿真手指在物体表面触摸时以摩擦力、振动加速度、声音和滑动方向等信号作为反馈信号控制仿真手指进行相应角度、载荷力、滑动速度的操作以模拟出逼真的手指触摸、抓握等行为。因此对手指在不同物体表面触摸时摩擦力、振动加速度等信号、声音信号变化规律的试验研究，能为智能机器人的触觉仿真硬件与软件设计提供试验依据。
4.现有的手指摩擦试验装置，主要是通过试验者手动操作来改变试验中的摩擦角度和法向力(载荷)，致使试验中的变量具有不确定性。加之，当摩擦角度发生变化时，手指与物体之间的接触面积变化很大，对摩擦力等摩擦学特性的影响很大，从而导致测试结果不精确、误差很大，不能对相关产品的设计和制造提供可靠、准确的试验依据。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种手指摩擦试验装置。该装置能研究手指在不同的滑动角度、速度和载荷等相关参数下摩擦力、振动加速度、声音信号的变化规律，为相关手指摩擦产品的设计以及智能机器人的触觉仿真设计提供更准确、可靠的试验依据。
6.本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种手指摩擦试验装置，其组成是：长方形的底座上表面从左至右依次安装有立板、左支撑板、右支撑板；伺服电机横向安装在立板的左立面上，伺服电机的输出轴通过联轴器与丝杆左端相连；丝杆的左部通过左滚动轴承安装在左支撑板上，丝杆的右部通过右滚动轴承(10a)安装在右支撑板上；前光轴、后光轴的左端均固定于左支撑板上，前光轴、后光轴的右端均固定于右支撑板上，前光轴、后光轴均与丝杆平行，并分别位于丝杆的前侧和后侧；
7.所述的丝杆上安装滚珠丝杆螺母；长方形的滑台固定在滚珠丝杆螺母上，前光轴、后光轴分别穿入滑台的前侧孔和后侧孔中；滑台的上表面通过应变式两向力传感器与样品台连接；样品台的上表面的边缘安装有三维加速度传感器；声音传感器通过支架固定在底座上，且声音传感器位于样品台附近；
8.所述的底座位于滑台的前左侧、后左侧、前右侧和后右侧的部位，分别固定有前左伸缩杆、后左伸缩杆、前右伸缩杆和后右伸缩杆；
9.所述的前左伸缩杆上部和后左伸缩杆上部之间穿有左连杆，且前左伸缩杆顶端和后左伸缩杆顶端均设有锁紧左连杆的锁紧螺钉；前右伸缩杆上部和后右伸缩杆上部之间穿有右连杆，且前右伸缩杆顶端和后右伸缩杆顶端上部均设有锁紧右连杆的锁紧螺钉；
10.所述的左连杆中部固定有安装块，加载板穿过安装块并通过安装块上的锁紧螺钉固定；加载板的下部固定有手指压块，手指压块的下部为缺口向下的圆弧形凹槽；右连杆的中部固定手指托块，手指托块的上部为缺口向上的圆弧形凹槽；
11.所述的伺服电机、应变式两向力传感器、三维加速度传感器和声音传感器均与控制及信号采集处理系统电连接。
12.本发明的工作过程和原理是：
13.调节前左伸缩杆、后左伸缩杆、前右伸缩杆和后右伸缩杆上的伸缩高度，使四个伸缩杆的高度适应试验者的手指长度。
14.将待测材料固定于样品台上。旋转右连杆调整手指托块到设定角度，再通过前右伸缩杆和后右伸缩杆上的锁紧螺钉将右连杆锁紧固定，从而将手指接触摩擦角度固定。再将手指的指节放在手指托块的圆弧形凹槽处，并使手指的指尖位于手指压块的圆弧形凹槽的下方。随后，通过向下移动加载板，使手指压块的圆弧形凹槽与手指贴合，同时手指与待测材料接触；继续下移加载板，向手指及待测材料施加法向力，并通过控制及信号采集处理系统读取两向力传感器的力信号；当两向力传感器的法向力达到设定值时，拧紧安装块上的锁紧螺钉；从而使手指压块固定在左连杆上且其向手指及待测材料施加的法向力恒定为设定值。
15.启动伺服电机，使其按设定的转速作正、反转运动，进而通过联轴器、丝杆、滚珠丝杠螺母、带动滑台以及在滑台上的待测材料做直线往复运动，使得待测材料样品和静止的手指间实现相对滑动的摩擦运动，进行手指摩擦学试验。
16.在试验过程中，应变式两向力传感器实时检测摩擦过程中的法向力和切向力大小，安装在样品台上的三维加速度传感器采集手指摩擦过程中三维方向的振动信号，声音传感器感采集声音信号。这些检测信号传送给控制及信号采集处理系统进行分析处理。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.一、本发明的试验装置能通过手指托块任意地设定并自动保持试验中手指与待测材料样品表面的接触摩擦角度；同时通过调节并固定手指压块，使得手指与样品上施加的载荷保持在设定值内。避免了试验者手动操作、保持摩擦角度和载荷带来的误差；其设定的试验条件、参数准确、可靠。从而能更准确、可靠的测试得出，不同的滑动角度、速度和载荷等相关参数下，摩擦力、振动加速度、声音信号的变化规律；进而为相关手指摩擦产品的设计以及智能机器人的触觉仿真设计提供更加准确、可靠的试验依据。
19.二、调节伸缩杆的高度，即可对不同手指长度的试验者试验，适用范围广。
20.上述的前左伸缩杆(16)、后左伸缩杆(18)、前右伸缩杆(17)和后右伸缩杆(19)的具体构成均是：套筒固定在底座(11)上，内杆套合在套筒的内腔中，且套筒上设有用于锁紧内杆的锁紧螺钉。
21.这样，可以方便的调节并锁紧伸缩杆的高度，且其结构简单、可靠。
附图说明：
22.图1是本发明实施例的摩擦试验装置的结构示意图。
23.图中标号27的表示待测材料样品。
具体实施方式：
24.图1示出，本发明的一种具体实施方式是，一种手指摩擦试验装置，其特征在于：长方形的底座11上表面从左至右依次安装有立板2、左支撑板4、右支撑板10；伺服电机1横向安装在立板2的左立面上，伺服电机1的输出轴通过联轴器3与丝杆5左端相连；丝杆5的左部通过左滚动轴承4a安装在左支撑板4上，丝杆5的右部通过右滚动轴承10a安装在右支撑板10上；前光轴6、后光轴7的左端均固定于左支撑板4上，前光轴6、后光轴7的右端均固定于右支撑板10上，前光轴6、后光轴7均与丝杆5平行，并分别位于丝杆5的前侧和后侧；
25.所述的丝杆5上安装滚珠丝杆螺母9；长方形的滑台8固定在滚珠丝杆螺母9上，前光轴6、后光轴7分别穿入滑台8的前侧孔和后侧孔中；滑台8的上表面通过应变式两向力传感器13与样品台14连接；样品台14的上表面的边缘安装有三维加速度传感器15；声音传感器26通过支架28固定在底座11上，且声音传感器26位于样品台14附近；
26.所述的底座11位于滑台8的前左侧、后左侧、前右侧和后右侧的部位，分别固定有前左伸缩杆16、后左伸缩杆18、前右伸缩杆17和后右伸缩杆19；
27.所述的前左伸缩杆16上部和后左伸缩杆18上部之间穿有左连杆20，且前左伸缩杆16顶端和后左伸缩杆18顶端均设有锁紧左连杆20的锁紧螺钉；前右伸缩杆17上部和后右伸缩杆19上部之间穿有右连杆23，且前右伸缩杆17顶端和后右伸缩杆19顶端上部均设有锁紧右连杆23的锁紧螺钉；
28.所述的左连杆20中部固定有安装块21，加载板22穿过安装块21并通过安装块21上的锁紧螺钉固定；加载板22的下部固定有手指压块25，手指压块25的下部为缺口向下的圆弧形凹槽；右连杆23的中部固定手指托块24，手指托块24的上部为缺口向上的圆弧形凹槽；
29.所述的伺服电机1、应变式两向力传感器13、三维加速度传感器15和声音传感器26均与控制及信号采集处理系统电连接。