JBE 人体皮肤在机器人滑动按摩操作中的摩擦和变形行为

文摘   2024-09-07 00:01   北京  

全身按摩可以缓解身体疲劳,是预防职业病的有效方法。随着机器人技术的发展,将机器人设备应用于按摩领域引起了广泛关注。然而,在实际按摩操作中,机器人需要控制末端执行器的运动,包括拉伸、按压、旋转等,上述行为会导致复杂的摩擦行为。因此,为了优化涉及与皮肤物理接触的按摩控制技术,需要考虑摩擦和拉伸变形等因素。人体皮肤摩擦学是一个进行了多年的研究课题。该研究旨在通过实验研究分析弹性模量、滑动速度和载荷对皮肤摩擦和拉伸变形的影响,以增进对皮肤摩擦和变形行为的理解,为按摩机器人的操作舒适性提供有价值的参考。

回顾现有的皮肤摩擦研究,大多采用传统的大型摩擦测试仪进行测试或微观尺度的有限元摩擦模拟实验。这些研究主要集中在检测小载荷下的短距离往复摩擦,无法完全复制实际机器人按摩的工作条件。同时,皮肤变形对摩擦阻力的影响往往被忽视。并且由于个体皮肤的差异性和复杂外部环境的影响,很难得出统一的结论。基于上述的研究背景,近期,华南理工大学机械与汽车工程学院翟敬梅教授课题组Journal of Bionic Engineering期刊上发表题为“Friction and Deformation Behavior of Human Skin During Robotic Sliding Massage Operation”的文章。该研究通过实验和分析,探讨了人体皮肤在机器人滑动按摩操作中的摩擦和变形行为。该研究的主要目的是研究按摩压头-皮肤界面在不同法向载荷和滑动速度下的摩擦学行为。此外,我们还探讨了皮肤有效弹性模量、速度和法向载荷对摩擦行为的影响。该研究的实验结果和分析结论为机器人有效模拟非线性接触工作环境的动力学提供了实用的测量手段和基础数据。
整个实验装置(图1)包括一个UR-3e机器人、一个按摩头、一个双目摄像机和一台用于数据采集的计算机。在UR-3e机器人上安装插入传感器,在实验过程中采集六轴力信息。为建立双目摄像机的双目视觉系统,采用了两台同类型CMOS工业摄像机和一个固定支架。


图1 实验装置图


图2展示的是切向摩擦力与施加的法向载荷之间的关系,清楚地表明,无论个体差异如何,摩擦力随着法向载荷力从2 N逐渐增加到18 N而增加,这一观察结果强调了一致的趋势,即摩擦力随施加正常载荷的增加而增加,而不考虑年龄、性别或皮肤特征等因素。这表明Amontons第一定律适用于皮肤摩擦,并强调了正常压力在确定摩擦力大小方面的重要性。


图2 载荷对两种摩擦状态的影响。


图3给出了试验机在静粘状态下不同速度下切向摩擦力曲线的变化情况。结果表明,通过实验测量得到的力-时间曲线在三种速度下表现出相似的重叠趋势。此外,在不同速度下,拟合曲线与实际测量结果非常接近。这一观察结果表明速度对表面摩擦的静摩擦阶段的影响最小。
图3 速度对两种摩擦状态的影响。
为了研究摩擦与弹性模量之间的关系,结合摩擦二项式模型可知,表面摩擦过中的黏着摩擦和变形摩擦分量与材料的弹性模量之间存在一定的关系。随着E的增大,两者均减小,因此总摩擦减小。图4给出了6台试验机的蒙皮摩擦的变化情况。考虑到实验数据的波动,很明显,E的增加导致摩擦力的减小。首先,1号和2号试验机的E值最高,它们的皮肤表现出紧密性,当刚性压头与皮肤强力接触时,紧密皮肤的弹性部分约束了皮肤摩擦引起的界面剪切,导致界面总摩擦力降低。相比之下,6号试验机的弹性模量最低,因此,测试对象的皮肤表现出更高的顺应性和更低的外力变形阻力。在这种情况下,皮肤表现出降低的弹性来承受外力,导致有限的约束和更大的皮肤变形。3号、4号和5号测试器的E值落在1号和6号测试器的值之间。这些测试者年龄相近,皮肤状况相似,导致弹性模量差异小于1kPa。
图4 弹性模量对两种摩擦状态的影响。

结论:该研究对6台不同特性的测试机前臂进行皮肤摩擦实验,获得了摩擦力和变形数据。与以往的研究相比,该研究可以施加更大的载荷。上述研究结果表明皮肤拉伸变形和皮肤摩擦之间存在一致的相关性,具体表现出两个不同的阶段:静态粘滞状态和动态粘滑阶段。为了准确地描述这些内在规律,开发了相应的数学模型。此外,该研究分析了不同因素对摩擦力和拉伸变形的影响。研究结果表明,摩擦力和拉伸变形都随着法向加载力的增加而增加,而随着弹性模量的增加而减少。值得注意的是,滑动速度变化对摩擦力的影响很小,而拉伸变形随着滑动速度的增加而减小。这种现象被认为与蒙皮的应变敏感性有关,突出了在重大变形期间蒙皮摩擦机制的复杂性。该研究为理解大变形下的表面摩擦学行为提供了有价值的参考,并为在特定工作条件下选择适当的参数提供了实用指导。未来的工作将侧重于探索影响皮肤摩擦的其他因素,如温度、湿度和表面毛发,以建立更全面的模型。


原文链接:https://rdcu.be/dQma9

CAAI认知系统与信息处理专委会
CAAI认知系统与信息处理专委会成立于2014年,胡德文教授担任专委会主任,孙富春教授担任荣誉主任,方斌教授担任秘书长。专委会不断吸纳业界人才,会员1000余名。创建了“认知系统与信息处理国际会议”、“机器人智能论坛”等品牌活动。
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