本发明涉及一种研究手与物体接触间磨擦系数和接触面积之间关系的方式与装置。为解决检测接触面积问题，设计一种三棱镜成像系统，用于便捷检测中指与透明物体的接触面积。对所述的三棱镜装置结构设计，以便用一部单反同时采集手右侧接触面积。解决了在研究手的磨擦系数和手与物体接触面积之间关系时检测手的接触面积的困难问题。
技术背景
目前国外外研社究者在研究人手听觉感知机理方面时，研究人手拿物体的最小抓持力与右手变型和磨擦系数的关系。研究中指变型与磨擦系数关系，在研究手的磨擦系数，正压力和手与物体接触面积之间关系时，确切检测手与物体的接触面积是十分有必要的。目前在检测中指与物体的接触面积方面还没有比较理想的方式，好多是通过在手上涂特殊材料，之后测粘在接触物体表面材料的接触面积，这样做除了不确切、操作麻烦并且还改变了手与物体间的磨擦系数。也有研究者借助单反采集图象的，但不能用一部单反采集所有手腕接触面积。
s.,l.-c.等人做的人手对不同粗糙度玻璃的磨擦系数的研究中(.,,l.-c.,a.lenza,e.,m.)，为了检测手与玻璃的接触面积，在板上装有压敏薄膜，按照检测的压力分布，可以确定皮肤的表观接触面积。此方式难以确切确定接触边界，存在很大偏差，且采用压敏薄膜成本较高。
技术实现要素：
为解决现有技术的步骤，本发明提供一种研究手与物体接触间磨擦系数和接触面积之间关系的方式与装置。该三棱镜成像系统解决了在研究手的磨擦系数正压力和手与物体接触面积之间的关系时，确切检测手腕前侧与所握物体接触面积的困难问题。
本发明所采用的技术方案是：设计一种研究手与物体接触间磨擦系数和接触面积之间关系的装置，其特点在于，所述装置包括三棱镜装置、相机、数显拉压力计，三棱镜装置与单反二者正对放置，并保持一定距离。
数显拉压力计的右端设置有基座，上端的前侧面为力显示屏，力显示屏的一侧联接有加力杆，加力杆的的两侧固定安装有拇指套。托架左侧面上设置有凸缘，基座上表面的前端设置有手轮，手轮的转动可控制加力杆的伸缩。右手套的右锥面与凸缘的上端面相对，三棱镜装置设置在右手套的右锥面与凸缘的左锥面之间。
所述中指套的右锥面为内凹弧面，该内凹弧面为手指接触区，手指接触区整体与拇指套主体部份呈15°夹角设置。
所述三棱镜装置包括一号棱镜、二号棱镜和镜片，每一个棱镜包含第一透光面、反光底面和第二透光面，镜片包括透明圆形框和设置在透明圆形框内部上下侧壁上的上定位纵梁和下定位凸缘，上定位纵梁和下定位纵梁结构相同位置相对摩擦力与接触面积公式，二者均为三角形结构，上定位纵梁和下定位凸缘一侧的缝隙内分别对称的安装有一号棱镜、二号棱镜。
一号三棱镜、二号三棱镜均设有反光底面及联接反光底面左侧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对称、顶部相交，底部倾角为90°；所述反光底面两侧表面上设有镀金层。
透明圆形框左右两边边框的外表面均与脚趾接触，左右两边内表面分别与两个棱镜的第一透光面贴合。第二透光面面朝单反方向，反光底面坐落透明圆形框的内部。
进一步的，本发明设计一种研究手与物体接触间磨擦系数和接触面积之间关系的方式，其特点在于，该方式采用如上所述的装置和如下步骤：将数显拉压力计横放，手握三棱镜装置放置在数显拉压力计的加载位置并使三棱镜正对摄像机镜头。平缓转动手轮加载，在加载过程中手的臂力逐步减少直至为零，当三棱镜装置处于正好要滚落而没有滚落的零界状态时数显拉压力计停止加载，摄像机采集图象传入笔记本，估算出大手指接触面积s，记录出此时数显拉压力计的显示屏上读数f，记录此时悬挂在三棱镜装置下方的物重g。按照热学关系知磨擦系数μ估算公式为
依次调整物重g的大小重复进行以上步骤，即可获得每次实验的接触面积s和磨擦系数μ的数据，之后以接触面积s为x轴，磨擦系数μ为y轴做出曲线图，即可得到手与物体接触间磨擦系数和接触面积之间关系。
本发明与现有技术比较有以下几点优势：
(1)在现有技术的基础上进行了创新、优化，实现了从理论到实物的设计。对所述的三棱镜装置中的三棱镜对称结构设计，有利于把手握物体一侧右手的接触面积通过光路反射在同右边射出，以便用一部单反同时采集手右侧接触面积。
(2)借助三棱镜成像原理，因而确切、方便的采集食指变型和接触面积。
(3)具有结构简单，构思巧妙，成本低的优势。
本发明借助三棱镜成像原理，对所述的光学三棱镜装置中的三棱镜对称设计，有利于把手握物体一侧右手的接触面积通过光路反射在同右边射出，以便用一部单反同时采集手右侧接触面积，把光线反射一定的角度才能被一部摄像机顺利捕获到接触位置的图象。通过软件剖析估算因而确切、方便的测出中指变型和接触面积，为后续研究带来很大的便捷。该方式可靠性好，该装置具有结构简单、成本低等优势。
附图发明
图1为本发明一种施行例的三棱镜装置结构示意图；
图2为图1中的三棱镜结构示意图；
图3为图1中的镜片结构示意图；
图4为本发明一种施行例的装配示意图；
图5为本发明一种施行例的拇指套结构示意图，其中图5(a)为右手套立体结布光，图5(b)为右手套一侧面结构示意图。
图6为一种施行例的拇指与三棱镜接触面图象，其中，图6(a)为单反拍摄后的图象，图6(b)为计算机处理后图象。
图7为实验装配示意图。
图8为图7中受力剖析图。
图9为实验测试所得的正压力f与接触面积s关系图。
图10为实验测试所得的浮力p与磨擦系数μ关系图。
图11为s.,l.-c.等人的研究所得正压力f与接触面积s关系图。
图12为s.,l.-c.等人的研究所得浮力p与磨擦系数μ关系图。
图13为实验测试所得的手与物体接触间磨擦系数μ和接触面积s之间关系图。
具体施行方法
以下是本发明的具体施行例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明提供一种研究手与物体接触间磨擦系数和接触面积之间关系的方式与装置，所述装置包括三棱镜装置12、相机13、数显拉压力计17，三棱镜装置12与单反13二者正对放置，并保持一定距离。
数显拉压力计17的右端设置有基座21，上端的前侧面为力显示屏15，力显示屏15的一侧联接有加力杆23，加力杆23的的两侧固定安装有拇指套16。基座21左侧面上设置有凸缘22，基座21上表面的前端设置有手轮18，手轮18的转动可控制加力杆23的伸缩。右手套16的右锥面与凸缘22的左锥面相对，三棱镜装置12设置在右手套16的右锥面与凸缘22的左锥面之间。
所述中指套16的右锥面为内凹弧面19，该内凹弧面为手指接触区19，手指接触区19整体与右手套16主体部份呈15°夹角设置。
所述三棱镜装置12包括一号三棱镜1、二号三棱镜2和镜片3，每一个棱镜包含第一透光面4、反光底面5和第二透光面6，镜片3包括透明圆形框8和设置在透明圆形框8内部上下侧壁上的上定位凸缘7和下定位凸缘9，上定位凸缘7和下定位凸缘9结构相同位置相对，二者均为三角形结构，上定位凸缘7和下定位凸缘9一侧的缝隙内分别对称的安装有一号三棱镜1、二号三棱镜2。
如图2所示的三棱镜结构，一号三棱镜1、二号三棱镜2均设有反光底面5及联接反光底面左侧的第一透光面4和第二透光面6；所述第一透光面4和第二透光面6互相对称、顶部相交，底部倾角为90°；所述反光底面5内侧表面上设有镀金层。
如图3所示的镜片3结构，拿来固定一号三棱镜1、二号三棱镜2，该镜片也是透明玻璃制成，包括5mm厚的透明圆形框8，和设置在透明圆形框8内部的上定位凸缘7和下定位凸缘9。透明圆形框8左右两边边框的外表面均与脚趾接触，左右两边内表面分别与两个棱镜的第一透光面4贴合。第二透光面6面朝单反13方向，反光底面5坐落透明圆形框8的内部。
所述一种研究手与物体接触间磨擦系数和接触面积之间关系的方式，该方式采用如上所述的装置和如下步骤：：参见图7，数显拉压力计(zq-21b-1)横放，手握三棱镜装置(不加砝码)放置在数显拉压力计(zq-21b-1)的加载位置并使三棱镜正对摄像机镜头。平缓转动手轮18加载，在加载过程中手的臂力逐步减少直至为零，当三棱镜装置处于正好要滚落而没有滚落的零界状态时数显拉压力计停止加载，摄像机采集图象传入笔记本，估算出大手指接触面积s，记录出此时数显拉压力计的显示屏上读数f，记录此时悬挂在三棱镜装置下方的物重g。依照图8的热学关系知磨擦系数μ估算公式为
依次在三棱镜装置下调整物重g的大小重复进行以上步骤，即可获得每次实验的接触面积s和磨擦系数μ的数据，之后以接触面积s为x轴，磨擦系数μ为y轴做出曲线图，即可得到手与物体接触间磨擦系数和接触面积之间关系。
本发明工作原理：当人手11握三棱镜装置12，食指与中指套16接触并被固定，右手套16与数显拉压力计加力杆23固定，四指指背与基座21上的凸缘22接触，实验时转动手轮18可控制加力杆伸缩，借此来控制拇指与三棱镜的接触面积的大小。
一号三棱镜1、二号三棱镜2对称的设置在镜片3内，手握持时，第一透光面4与右手的接触面积通过反光底面5一比一的反射到第二透光面6，通过单反采集第二透光面6图象，再传入计算机进行处理，估算出接触面积。图6为右手接触面积的图象的处理过程。
如图4所示，手11握三棱镜装置12左侧，使三棱镜第二透光面6正对单反13镜头摩擦力与接触面积公式，单反13实时拍摄出反射过来的图片然后传给笔记本14，由笔记本对图片进行处理。数显拉压力计17可测出法向力，已知重力，可依照热学关系估算出磨擦系数。
如图5所示的拇指套16的结构设计是为了固定人手的大手指，拇指套16主体部份与手指接触区19设有15°的角度，设此角度的目的是为了补偿手指指背的夹角，以便加载便捷，此结构由3d复印作出。
如图6所示的图象均以线框图表示，左图为单反拍摄后的图象被处理为8bit，下图为右手指调节灰度后图象，通过调节灰度可以清晰的区分出脚趾接触边界与接触面积，即指纹20的面积。
下边以具体实验验证本发明一种研究手与物体接触间磨擦系数和接触面积之间关系的方式与装置的可靠性。
实验设备：三棱镜装置(自重150g)，砝码24(重量分别为25g、50g、75g、100g、125g、150g)，数显拉压力计(zq-21b-1),拍照机，笔记本。
实验步骤：
1)如图7所示，数显拉压力计(zq-21b-1)横放，手握三棱镜装置(不加砝码)放置在数显拉压力计的加载位置并使三棱镜正对摄像机镜头。平缓转动手轮18加载，在加载过程中手的臂力逐步减少直至为零，此时若三棱镜装置处于正好要滚落而没有滚落的零界状态时数显拉压力计停止加载，摄像机采集图象传入笔记本估算出大手指接触面积，记录出此时数显拉压力计显示屏上读数，记录此时物重。以上步骤重复三次，记录三次数据。
2)在三棱镜装置下依次悬挂重量分别为25g、50g、75g、100g、125g、150g的砝码，每加一次砝码实验步骤1要重复三次，记录所有实验数据。
3)数据处理：磨擦系数μ估算公式
受力如图8所示。共进行21次实验，得出数据表格如下：
表1试验数据
由表中可清晰得悉正压力f与接触面积s(图9)、压强p与磨擦系数μ(图10)的关系，这一关系趋势与相关领域人的研究结果一致，如图11、图12为s.,l.-c.等人的研究结果，验证了该检测方式的可行性与正确性。
本次实验探究手与物体接触间磨擦系数μ和接触面积s之间关系，得出结果如右图13，该图反应了磨擦系数μ和接触面积s之间关系，这一推论为后续相关研究奠定基础。
s.,l.-c.等人做的人手对不同粗糙度玻璃的磨擦系数的研究中，为了检测手与玻璃的接触面积，在板上装有压敏薄膜，按照检测的压力分布，可以确定皮肤的表观接触面积。此方式难以确切确定接触边界，存在很大偏差，且采用压敏薄膜成本较高。
本发明研制的一种研究手与物体接触间磨擦系数和接触面积之间关系的方式与装置，采集的图象信息能很确切辨识接触边界，估算精确，挺好的解决了以上问题，而且检测结果确切，操作便捷，成本也低。
本发明未述及之处适用于现有技术。
技术特点：
技术总结
本发明公开一种研究手与物体接触间磨擦系数和接触面积之间关系的方式与装置，所述装置包括三棱镜装置、相机、数显拉压力计，本发明借助三棱镜成像原理，对光学三棱镜装置中的三棱镜对称设计，有利于把手握物体一侧手腕的接触面积通过光路反射在同右边射出，以便用一部单反同时采集手右侧接触面积，把光线反射一定的角度而才能被一部摄像机顺利捕获到接触位置的图象。通过软件剖析估算因而确切、方便的测出中指变型和接触面积，为后续研究带来很大的便捷。该方式可靠性好，该装置具有结构简单、成本低等优势。
技术研制人员：刘今越;陈强;郭士杰;贾晓辉
受保护的技术使用者：山东工业学院
技术研制日：2018.05.07
技术公布日：2018.09.11