Page 33 - 《摩擦学学报》2020年第4期
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第 4 期 李梁瑜, 等: 坡面道路上地面形貌对人体步进摩擦的影响 443
the risk of slip and fall. Human gait shorten the step length to reduce required coefficient of friction in order to maintain
body balance.
Key words: stepping friction; surface topography; slope walkway; friction coefficient; slip and fall
步进摩擦是研究人体在行走过程中人脚(鞋底)与 运动平台改变人体行走的路面坡度，利用Bertec三维
[1]
地面之间产生的周期性摩擦现象 . 人体在行走过程 生物力学测力台采集足底压力随时间的变化曲线，采
中容易受到外界条件和自身因素的各种影响，轻则打 用Qualisys高速运动摄像机捕捉人体的行走姿态，使
滑、摔倒，重则致残、死亡. 滑摔是造成瑞典工伤事故 用PODOMED足底压力板采集行走中脚底的受力分
[2]
的首要原因，约占1/3 ，日本每年因滑摔造成的死亡 布及步态参数.
[3]
事件超过4 000例 ，瑞士26%的工作意外事故和29%
的家庭意外事故由滑摔引起 . 2015年，滑摔已成为美
[4]
Infrared cameras
国工伤致残的第二大原因，其引起的事故分别占非致
命伤害的27%和致命伤害的16.5%，造成企业约106.2
Motion platform
亿美元的直接经济损失，约占全国年度财政负担的 Floor sample
Acquisition
[5]
17.7% . 滑摔引起的事故已成为世界各国亟需解决的 system
Force plates
重要问题.
Plantar pressure plate
行走过程中的人体安全性受脚与地面之间产生
Analytics processing system
的摩擦力大小的影响，如果维持步态平衡所需的必要
摩擦系数(RCOF)大于鞋底与地板接触时实际产生的
有效摩擦系数(ACOF)，则可能会发生滑摔 [6-7] . 因此， Fig. 1 Gait friction tester
图 1 步进摩擦试验平台
可以增大鞋底与地板表面之间的ACOF或减小人体行
走步态的RCOF来降低滑摔风险. 坡面道路是人体行
1.2 试验材料
走的典型路况之一. 目前，通过改变鞋底和地板的材
试验用鞋采用福建茂泰公司生产的商用鞋，鞋底
料 [8-10] 、鞋底和地板的表面形貌 [11-14] 以提高ACOF的研
粘有同一材质和批次的橡胶片，密度为1.31 g/cm ，鞋
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究较多，但多是基于水平路面，对坡面道路上的人体
底橡胶片试样表面形貌采用三维表面轮廓仪(德国
行走研究较少 [15-18] ，特别是对于行走路面发生倾斜时
NanoFocus AG)进行测量，表面粗糙度的轮廓算术平
地板表面形貌对ACOF的研究鲜有报道. 本文中通过
均偏差S =0.755、轮廓均方根偏差S =1.330，如图2(a)
q
a
改变行走路面的倾斜角度和地板表面形貌，研究了坡
所示.
面道路上地板表面形貌对人体步进摩擦的影响，为坡
本试验中以45钢为材料，其尺寸为长度400 mm、
面道路上的安全行走提供行为准则和防滑策略.
宽度300 mm、厚度12 mm，采用线切割机械加工制备
1 试验部分 出表面波纹度的轮廓算术平均偏差和轮廓均方根偏
差相同(W =1.875，W =2.005)而表面形貌不同的宽梯
1.1 试验设备 a q
形、窄梯形和圆弧地板试样，表面形貌加工尺寸如
本试验中的有效摩擦系数ACOF采用自主研制的
步进摩擦试验平台进行测量，该平台由1台机电式六 图3(a)、(b)、(c)所示. 另以线切割机械加工的平面钢板
自由度运动平台(北京星光凯明公司，尺寸5.0 m×1.5 m)、 和市售的商用花纹防滑钢板作为对比地板试样，表面
形 貌 尺 寸 如 图 3(d)所 示 ， 其 轮 廓 算 术 平 均 偏 差
2块三维生物力学测力板(美国Bertec公司FP4060-08-
2000型，尺寸0.6 m×0.4 m，采样频率1 kHz)、6台高速 W =0.158、轮廓均方根偏差W =0.437. 地板试样表面
q
a
运动摄像机(瑞典Qualisys公司Miqus M3型，位移误差 形貌采用三维表面轮廓仪(德国NanoFocus AG)进行
不大于0.1 mm，采集频率340 fps，系统延时不大于5 ms) 测量，线切割地板试样表面粗糙度的轮廓算术平均偏
和1块足底压力板(芬兰PODOMED公司UP18型，测量 差S =8.045、轮廓均方根偏差S =17.916，市售花纹钢
a
q
误差不大于±1%F.S，时间滞后不大于0.1%F.S，采集频 板的表面粗糙度的轮廓算术平均偏差S =6.721、轮廓
a
率200 Hz)组成，如图1所示. 通过计算机控制六自由度 均方根偏差S =18.966，如图2(b)、(c)所示.
q
