Page 6 - 《摩擦学学报》2020年第3期
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272                                     摩   擦   学   学   报                                第 40 卷


       larger, and then leveled off at a certain grasping force. Moisture affected the adhesion force between the finger pad and
       the smooth object, further affecting the maximum static friction force. The adhesion force value was greatest when
       contact surface was medium moisture content, which was the most labor-saving and difficult to slip when grasping
       smooth object. Besides, the effect of moisture on the maximum static friction coefficient was nonlinear. The maximum
       static friction coefficient showed a peak value at a certain moisture content.
       Key words: finger pad; smooth surface; friction; moisture; grasping force; adhesion force


       无论是人手还是机器人的仿生灵巧手，抓持物体                          同湿度条件下与光滑表面之间的法向力、最大静摩擦
   时施加给物体的法向力以及由此产生的手与物体之                             力以及指腹变形进行了试验研究，揭示了湿度对最大
   间的摩擦力是决定抓持操作是否稳定的直接因素                      [1-2] .  静摩擦系数的影响规律，分析了其影响机理. 最大静
   手在抓起表面光滑物体时，抓持力必须足够大，才可                            摩擦系数随抓持力的增加呈负幂函数变化的规律，并
   以产生防止滑动的切向力分量，以克服重力，把物体                            且湿度对最大静摩擦系数的影响是非线性的，最大静
       [3]
   抓起 . 但过大的抓持力显然不必要，不但浪费能量，                          摩擦系数随着湿度的增加而增大，到达峰值后逐渐减
   而且容易损坏物体或使其变形. 人在抓起物体时，往                           小. 这些结论可为机器人仿生灵巧手及其控制系统设
   往利用视觉信息，基于经验，无意识地判断物体的重                            计提供基础数据.
   量及其与指腹之间的摩擦系数，决定初始抓持力，然
                                                      1    研究方法
   后基于对指腹与物体之间滑动状态感知，通过实现滑
   动为零的反馈控制，维持比较小的抓持力                  [4-7] . 机器人    1.1    试验方法
   的仿生灵巧手抓持物体的控制也大都采用这种仿生                                 本研究中所搭建的试验平台由力检测装置、光学
   控制策略    [8-10] .                                   形变检测装置和湿度检测装置构成，如图1所示. 力测
       手指与表面光滑物体之间的摩擦是比较传统的                           量装置用于测量手指受力信息和被抓持物重量信息；
   研究领域之一，Derler等 通过研究手指在玻璃表面                         光学形变检测装置用于接收和测量接触区手指的形
                        [11]
   水平滑动时的滑动摩擦系数和法向力的关系，得出了                            变；湿度检测装置采用数字皮肤湿度测试仪，用于测
   滑动摩擦系数随法向力的增加呈负幂函数变化的经                             量接触表面的湿度.
   验公式，并用黏着模型和黏弹性变形理论解释了其试                                如图1(a)所示的力测量装置由指针式推拉力计
                     [12]
   验结果；Pasumarty等 研究了手指在玻璃表面水平滑                       (HANDPI，NK系列、准确度0.5级、最小读数达0.001 N)、
   动时滑动摩擦系数与湿度、滑动速度的关系，得出了                            悬挂装置、工作台、夹持器和信号采集及数据分析计
   无论湿度多大滑动摩擦系数总随滑动速度的增加而                             算机构成. 指针式推拉力计由夹持器固定在工作台
   增加，到达峰值后逐渐减小. 对于手指与物体表面之                           上，悬挂装置细节如图1(b)所示，由两个3D打印的塑
                                    [13]
   间没有相对滑动的静摩擦力，André等 研究了静摩                          料夹持框架、六维力传感器(ATI，Mini40，精度±0.01 N)
   擦系数、湿度和法向力三者之间关系，但其试验利用                            和两个直角三棱镜构成. 两个三棱镜用双面胶分别固
   在物体表面排列的多个电极测量湿度，导致表面不光                            定于两个3D打印的塑料夹持框架外侧，六维力传感器
   滑，所测得的静摩擦力不再是手指与光滑表面之间的                            两侧通过螺栓连接于两个塑料夹持框架之间，塑料夹
   静摩擦力. 对于粗糙表面，Westling等          [14-15] 研究了人手      持框架通过上部挂环悬挂于拉压力计下端. 六维力传
   抓取砂纸、绒面革和丝绸时抓持力与摩擦力的关系，                            感器测量手指法向力(抓持力)、切向力(摩擦力)信息、
   得出了防止滑动的最小抓持力与物体重量成比例的                             指针式拉压力计测量抓持物重量信息.
   结论，这个比例与静摩擦系数有关.                                       如图1(c)所示的光学形变检测装置采用非接触全
       然而，前人对关于手指抓持力的最大静摩擦系数                          场应变测量系统(Vic-3D v7，位移分辨率面内：±2 μm；
   研究较少，最大静摩擦系数大小是决定我们施加多大                            离面：±4 μm)，满足测量手指接触区微位移以及形变
   抓持力能抓起1个物体，而不至于打滑，因此最大静摩                           分布精度要求. 为了让系统识别到接触区，试验前手
   擦系数是决定抓持操作是否稳定的关键因素，最大静                            指接触区域需要提前打上散斑，为减小散斑对手指接
   摩擦系数定义为临界状态(将要滑动还未滑动)下最大                           触区纹理特征影响，我们选择小直径散点(直径0.17 mm)
   静摩擦力与法向力的比           [12-13, 16] . 由于护理服务中的物       和较大点距(点距0.51 mm)的散斑标记印版. 我们做了
   体抓持往往在湿条件下进行，因此本文中对指腹在不                            对比试验，结果表明手指在打散斑时测得摩擦系数和
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