步进摩擦学特性与滑摔机理

人体行走是日常生活中最常见的运动，步进摩擦是指行走过程中发生的摩擦副间不连续的摩擦现象，脚与地面构成特殊的步进摩擦副，当步进摩擦副的摩擦学特性异常时，会发生滑摔的伤亡事故；在军事工业、仿生机器人设计和竞技运动等领域，也同样存在着步进摩擦学问题；建立高可靠性步进摩擦副的设计理论已成为亟待解决的基础科学问题之一。本项目拟利用步进摩擦试验装置研究有无海浪波条件下步进摩擦学特性与滑摔机理，考察海浪波、步频、步幅和工况环境下的步进摩擦副摩擦学特性，分析不同条件下滑摔与步进摩擦副摩擦学特性的相关性，揭示步进摩擦学特性与滑摔的内在规律，提出主动控制步进摩擦副系统性能的摩擦学技术手段，为步进摩擦副防滑的摩擦学设计提供理论依据。

滑摔事故是一个普遍存在的社会现象，对人体生理和心理造成了很大伤害。在汽车、轮船和飞机等处于运动状态的交通工具上行走时，人体更容易发生滑摔。本项目研究了人体在静止路面和运动路面条件下的步进摩擦学特性与滑摔机理，考察了滑摔与步进摩擦学特性的内在规律，提出了主动控制的防滑措施。主要研究工作如下：采用步进摩擦分析测试平台进行了静止路面（水平路面、坡道路面）条件下的人体行走试验、运动路面条件下的人体行走试验，研究了年龄、性别、步长、步速、路面倾斜角度和运动路面参数对人体行走打滑倾向的影响，考察了摩擦副材料及表面状况对打滑倾向的影响；根据人体行走的特点并对其进行了合理简化，建立了人体行走过程的重心运动轨迹模型，以此模型为基础，分析了人体行走过程中发生滑摔的力学机制。在水平路面条件下人体行走的所有试验组中，儿童的打滑倾向最大，青年的打滑倾向最小；男性发生侧向打滑的倾向较大，而女性发生前后方向打滑的倾向较大；打滑倾向随步长的增大而增大，随步速的增大而减小。在坡道条件下的人体行走试验中，发生侧向打滑的倾向几乎不受坡度角的影响，而前后方向的打滑倾向随坡度角的增大而增大。在运动路面条件下的人体行走试验中，发生侧向打滑的倾向基本不随试验条件的改变而改变，但前后方向的打滑倾向随波幅、波频和脚与地面接触时路面所处的位置而有所不同。摇摆的角度越大、频率越高，越容易在脚起步时发生滑摔。摩擦副材料与其表面状态都对人体行走过程中的打滑倾向有影响，在所使用的具有不同花纹的鞋底试样中，折线纹的综合防滑性能最好，横条纹的前后向防滑性能最好，纵条纹的侧向防滑性能最好。在所使用的三种地板中，瓷砖和花岗岩的防滑性能相当，钢板的防滑性能最好；地板表面上有小而多的凸起花纹时，防滑性能最好。步进摩擦学特性与滑摔机理的研究表明：人体发生打滑的根本原因是各力对人体重心所产生的力矩不守恒。根据滑摔的力学机制及其主要影响因素，提出了预防滑摔的主要措施，一是通过调整人体的行走姿态，以降低安全行走所需要的最低摩擦系数；二是通过改变脚与路面的接触特性，以提高路面所能提供的最大摩擦系数。本项目研究结果对军事工业、仿生机器人设计和竞技运动等领域步进摩擦副防滑的摩擦学设计有重要理论指导意义和参考价值。