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文档简介

南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院 毕业设计 (论 文 )外文 资 料翻 译 系: 机械工程 专 业: 机械工程及自 动 化 姓 名: 孙 安安 学 号: 060104228 外文出处: Medical Engineering & Physics 附 件: 1.外文 资 料翻 译译 文; 2.外文原文。 指导教师评语: 签名: 年 月 日 注: 请将该封面与附件装订成册。 附件 1:外文 资 料翻 译译 文 指垫 和平面之间的动态交互作用:实验和分析 摘要: 手和手指的许多神经性和血管的疾病都是由于手和手指上过多的动力加载而导致局部的神经和血管系统的退化反应引起的。自从指垫作为一个存在于手与客体之间的元件而服务,指尖与主体之间的动态耦合的调查可以为神经和血管疾病的病理力学的理解提供很多重要的信息。在目前研究中,指尖在动力接触方面的非线性与时变性响应已经进行了实验和理论上的研究。平均年龄 24 岁的 4 位主体( 2 男 2 女)参与了这次调研。通过一个微型测试机使用一个平面模板将每个人左右两手的食指压缩。建立一个物理模型去仿真指尖在动态接触时非线性与时变性的响应。材料 /结构参数在所提供的物理模型能被识别出的,利用武力松弛实验和恒定的载入速度快速负荷实验。力 /位移曲线的预测相关系和指尖的反应力与在相应的实验中的标准相对比。我们的结果表明在动态接触中指尖部位的反应是非线性时变的。物理模型已经验证了非线性的特点,力 -位移的相关率,松弛性和在动态接触期间指尖的反应力。 1. 导论 人类指尖的长期暴露和反复荷载一直伴随着许多血管,神经和肌肉骨骼疾病,如腕管综合症,手臂振动综合症,屈肌腱鞘炎。由于指垫作为一个存在于手与物体之间的服务元件,指尖与主体之间的动态耦合的调查可以为神经和血管疾病的病理力学的理解提供很多重要的信息。从生物力学的角度,指尖有一个复杂的解剖结构。由皮肤层(表皮和真皮) ,皮下组织,骨和指甲组成。皮下组织和皮肤组织的物料性质有非线性和时变性的,因此,对于机械装载的指尖响应也预期是非线性和时变性的。安培等人测量了敲击键盘的指尖力反应并发现指尖上的峰力在 1.6 5.3N 之间变化。塞里纳等人研究从不同的倾斜度指垫力变形行为以0.5, 1, 2, and 3 Hz 的频率敲键盘;他们发现指垫的力变形反应是高度的非线性和时变性。 Pawluk 和 Howe 进一步的研究了指垫和平面表面之间动态接触压力分布。然而,在物理负荷条件下时间依赖性的反应力和指尖力松弛行为,在一些珍贵的研究中并没有以一种系统的方式探索。 从以上观点可以看出,两种指尖模型已在文献中提出:结构模型和物理模型。结构模型简化考虑了指尖解剖结构和组织中的可以预测的应力 /应变。这些模型已应用到预测,静力变形特性 12和在静态线性载荷下指尖表面偏转。这些结构指尖模型是静态性质的,不能适用于动态加载案件。 Pawluk 和 Howe10,11用物理(总元件)模型来模拟一个平面的指垫动态接触。然而,在生理负荷下指尖的反应力和力松弛行为(如低负荷率)没有被研究。虽然物理模型没有考虑到指尖解剖结构,不能模拟指尖内软组织的应力 /应变性能,但它是可以简单计算并很容易的用来估计出许多工业和符合人体工程学的应用中的时变性的反应力。在抓取过程中指尖的动力响应和松弛力对于了解工作性肌肉骨骼疾病的病理力学提供了许多重要信息,且能帮助工业工程设计师预防肌肉骨骼受伤。本研究的目的是:( 1)从实验和理论上来分析,一个平面动态接触人体指尖粘性放松的与时间依赖性反应和力, ( b)开发一个简单的物理模型,描述了非线性和时间依赖力的指尖反应。 2. 物理模型 在古典粘弹性理论,本构方程一般用压力, s(t),与应变, (t)来表示,使用 Bolzmann 的叠加原理,如 Fung 所示 14。关于一个线性粘弹性材料应力变形表现为遗传积分: 其中 E( t)是时间依赖性松弛模量为特征的材料的时间依赖性反应。 对于许多实际问题,是可以由压力方式方便地写出遗传积分( 1) 。 3. 试验方法 3.1 实验装置 一个实验装置的目的是研究在指尖的机械动态加载响应。安装包括一个 25 毫米 25 毫米扁钢模板和一个停滞状态手指,如图 1 所示。一个普遍的细观力学试验机 (型号: Mach-I, Biosyntech, Montreal, Canada) 采用位移控制的协议用来产生模板运动。该试验机配备了一个 0.5 微米分辨率的位移传感器和拥有 0.49mN( 500 毫克)解析的 9.8 N( 1 千克)的测压元件。在实验期间,每个实验对象假设用一种前臂支撑手臂休息的轻松的姿势坐着。实验对象被建议将他们的食指放置在指舱即一个与远端水平台面(或者是压缩模板)大约成 20 度角度的装置。压缩的钢模板被( 3 毫米厚的)光滑有机玻璃板所覆盖为的是减少在指垫上力学反应的指尖与模板之间的温差的影响。为了保持在实验中手指与支撑平面之间的联系,在将手指放在放置器之前实验者的食指指甲上先被贴上双面胶带。由于狭布条( 0.1 毫米)的厚度相对于手指的尺寸来说很小,同双面胶带变形(即根据压缩的胶带厚度变化)有关的误差是微不足道的。我们已校准由胶带可能引起的误差系统评估。两块橡胶块在试验机上被压缩,一个橡胶块和压缩模板之间有胶带,一个没有胶带,结果并没有从这两个实验所得到的反应力中得到可测量出的变化。 图 1:手指压缩试验的实验装置 3.2 实验过程 位移控制器让压板以一定幅度相对参与者指尖运动。由此产生的响应力和压板位移得到的采样频率为 33 赫兹。四位实验者(两男两女)参与了实验。实验参与者的平均年龄在 24 岁左右( 21 到 30) 。在每位实验参与者的左右手的食指上进行了实验。每个参与者已经由 NIOSH 人的主体性审查委员会批准都填写了对测试的书面同意。在数据收集前每一位参与者可以做一些活动。参与者的手指的远端指骨的平均宽度和高度分别在 16.5 1.5 毫米和 12.0 2.0 毫米。 不同指尖压缩程度的两组实验正在进行。在测试系列 A 使用六种不同的负荷率将指垫压缩一个 2.00 毫米位移( 0.1, 0.2, 0.4, 0.9, 1.5 不同的速度,和5.7 毫米 /秒) ,如图 (2a)所示。指尖的 2.00 毫米处最大位移恒定在大约 3 秒,从而使指尖的反应力很稳定。模板的位移以一毫米每秒的速度减少到 1.00 毫米,然后( 1.00 毫米)被恒定维持了另一个 30 秒。 图 2:在一定时间内的压缩位移 试验系列 B 指尖位移达到了 3mm(图 2b) 。指尖用五种不同的加载速度( 0.3, 0.5, 0.9, 2.3 和 4.0 毫米 /秒)被加载到峰值变形( 3.00 毫米) ,并维持位移 3.00 毫米约 30 秒,该模板的位移然后以 1.00 mm/秒的速度从 3.00 毫米降低为 2.00 毫米,并在 2.00 毫米处维持了 30 秒。 之前进行用来证明测试 A 与 B 的力松弛测量法用来校准在等式( 5) ( 6)中描述所提议的缺少尺寸的松弛率, g(t)。对应测试 A 与 B,指尖受到以(一个 5.00毫米 /秒的载入速度)分别位移了 2.00 到 3.00 毫米。保持恒定的 30 秒允许指尖反应力达到稳态值。 所有的实验参与者都经历了两种力松弛测试和两种系列的测试( A 测试和 B 测试) ,并以 20 秒的间隔在两个系列的试验中连续运行两个系列实验间隔 20s。每一位实验参与者在两系列的实验中有 15 分钟的休息时间段令参与者恢复任何手和手指的肌肉疲劳。这实验研究包含了八项测试,换言之是指四位参与者左右手的食指。其中有两个实验是不成功的,因为有实验参与者在压缩时并没有保持手指的稳定,相应的数据在随后的分析中被排除。在下面的结果报告中,采用的是剩下六人测试结果的平均值。力松弛实验仅在实验参与者的右手进行。 4.结果 图 3 和图 b 的拟合曲线各自显示了从对应实验 A 与实验 B 的力松弛测试中得到的标准反应力的经历的时间,正如等式 6 中描述的一样。每位实验参与者参与的测试( A 和 B)中得到的四套实验数据被用来获得无量纲的松弛模函数。结果显示了从四位实验参与者获得数据中相对有小的差异。所有参与者平均测试的数据值由曲线虚拟出来。标准的方格法和百分之 2 的容错准则被运用在曲线拟合中。研究结果进一步表明可以使用两种 (N , 2) Prony 级数展开可以达到令人满意的拟合【方程 6】 。 图 4:力或位移依赖率 图 4 描述从实验中获得的力或位移依赖率数据之间的比较和使用由测试 A 和B 的出的物理模型。这些结果提供给测试系列 A 和 B 的装载部分,并且是所有 6 个可利用的测验数据的平均值。 使用方程式 (4),力或位移曲线依赖率使用方程式( 4) 。方程式( 4)是由两个物质或结构参量 g(t)和 F0( )决定的。 瞬间的力量 /代替关系, F0( ),理论上应该在极高的加载速度中被确定,其中胶粘的变形是可以忽略的。在目前的研究,压缩检查是使用传统微测试机器具有限的加载和数据采集速度被实施的。因此, F0( )使用一项重复的计划被获取: (a) 一种最初瞬间的力量 /代替关系, F0( )被在每测试系列中在最高的加载速度成倍增加与测试对应的力量 /载重量的曲线任职(即 v = 对于测试系列 A 和 B 的 1.5 和 4.0 mm/s,分别地)所作按 p 之级数(对于首次审讯的 p1.2) 。它是被记录那 A 系列中的最高装货速度( 5.7 mm/s)因为不足的数据点而不能够被使用;测试数据收购在下一个最高速度( 1.5 mm/s)被使用。 (b) 与最高的加载速度对应的力 /加载重量的曲线然后得到力放松参数( gi 和 Ti)以前获得(图 3) 和 F0 的最初的估计 ( )。 (c) 放大倍率的因素 p 被修改优化直到适合实验数据模型被完成。被优化的扩大因素, p,分别地是 1.29 和 1.2,最终对测试系列 A 和 B.(d),瞬间的力 /代替关系 Eq。 (8) 被优化的力 /代替关系被安装,以及 A 和 b 是建立分别地是 0.2368 的常量 (N) 和对于系列 A 的 2.0696 ;以及 0.1727(N) 和对于系列 B 的 2.8694。 时间相关的力 /代替弯曲的数据从实验中被获取,和被优化瞬间的力 /代替弯曲(被列为 vmax,在数字中) ,在图 4a 以及 c 中被描述,分别地与测试系列对应 A 和 B,被预测的比率相关的力 /代替弯曲对测试系列 A 和 B 分别地在图 4b 和 d 中显示。结果表明指尖的刚度以及力程度随加载速度增加。结果表明,实验数据和加载速度和在这项研究中考虑变形的整个范围的模型预测好的协议。所有实验参与者在测试系列 A 和 B 中测力反应的平均值的时间经历如图 5a 和 c 中分别地被描绘。这项测试甲乙相应的模型预测分别显示在图 5b 中和 d。我们的结果表明,预测的时间经历的反应,数据与实验获得的相一致。 在本研究中使用的指垫瞬时刚度与 Pawluk 与 Howe 实测的比较 10,如图 7. Pawluk 和 Howe 所显示的数据在这项研究中获得了使用一个相似如提议的试验过程 ; 然而,末端部分关于联络台板背的角度在他们的测试中未被固定,在测量期间,并且参与者允许采取舒适的姿势。 Pawluk 和 Howe 的测试 #1-#4 10 根据同一个试验过程使用四个不同主题得到了数据。对比鉴于趋势显示了好的协议,虽然大小不同,尤其是高力。 5.讨论与总结 手和手臂的震动综合病症 (HAVS) 在手指广泛接触振动与本地神经和血管的系统的退化相关 16-18。这些假设在手指或指尖上被实施的 HAVS 的很多诊断测试中 19, 20 被支持。若干调查 21,22表明,振动能量吸收( VEA)可能是导致振动受伤的一个重要因素。这些假说获得流行病学调查 23 的支持这表明 HAVS 可能与 VEA 相关。一些研究已经进行为了表现 VEA 对手和手臂系统的影响 24,25。有关这些以前的方法的根本缺陷是他们不可以确定能量耗

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