（机械制造及其自动化专业论文）基于气动载荷的手指力学响应研究.pdf

硕士论文 基于气动载荷的手指力学响应研究 摘要 在虚拟现实技术中，触觉信息的引入可以增强系统真实感、营造良好的沉浸效果。 对于虚拟装配、遥操作、虚拟手术等应用中需要操作灵巧、多自由度、感知对物体的抓 握状态及材质等信息时，触觉反馈系统是必不可少的选择。但目前对触觉再现方面的研 究还处于起步阶段，存在很多不足。相关研究表明，人的触觉感知是一种动态感知行为。 本文通过建立手指和喷嘴有限元模型，分析手指在气动动态载荷下的力学响应和变形， 为气动式触觉再现接口设备的设计提供直接的参考依据。 论文完成的主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 为了分析影响手指触觉感受信息的因素，建立了手指指尖三维非线性有限元模 型和喷嘴有限元模型，并建立了评价触觉感受的表征参数。 ( 2 ) 对手指在不同载荷下的力学响应利用数值模拟的方法进行了研究：首先分析了 手指在单点动态载荷下的响应情况，并比较不同频率、振幅、载波和波形下手指响应的 变化情况，为研究多点动载荷下手指响应奠定了基础；然后分析了多点静态载荷下手指 的响应情况，主要从喷嘴直径、喷嘴间距和压力大小方面分析影响线触觉再现的因素， 给出了能较好实现线触觉再现的参数范围；最后分析了多点动态载荷下手指的响应情 况，从压力频率、振幅、载波、相位差、喷嘴直径和喷嘴间距方面比较各因素对手指力 学响应的影响。 ( 3 ) 搭建了手指变形测量实验台，并进行了相关测量与实验：第一、对不同人手指 能感受到的敏感频率进行了测定，对不同人在相同载荷下的变形进行了测量，比较不同 人手指响应的差异；第二、对手指皮肤的粘弹性属性进行了实验验证；第三、对单点动 载荷下，手指变形进行了测量，并从压力振幅、载波、波形三个方面与有限元分析结果 进行了对比；第四、对多点静态、动态载荷下手指变形进行了测量，并与有限元分析结 果进行了比较；最后，进行了线触觉再现和滑动觉再现实验，实验结果表明通过合理的 调节喷嘴结构参数和压力参数z 日, 匕l 一s k e t 好的再现线触觉和滑动觉感受。 关键词：手指非线性模型、气动动态载荷、手指力学响应、手指变形、触觉再现 硕士论文 基于气动载荷的手指力学响应研究 a b s t r a c t t a c t i l ei n f o r m a t i o nc a ne n h a n c et h er e a l i s t i cs e n s a t i o na n dc o n s t r u c tt h ei m m e r s i o ni n v i r t u a lr e a l i t ys y s t e m t h et a c t i l ef e e d b a c ks y s t e mi sa ne s s e n t i a lc h o i c e ，f o rw h i c hn e e d s s m a r to p e r a t i o n ，m u l t i d e g r e eo ff r e e d o ma n dp e r c e p t i o no fg r i ps t a t u sa n dm a t e r i a l i n f o r m a t i o no fo b j e c t si nt h ea p p l i c a t i o no fv i r t u a la s s e m b l y , r e m o t eo p e r a t i o na n dv i r t u a l s u r g e r y h o w e v e r , c u r r e n tr e s e a r c hi nh a p t i cd i s p l a yi sj u s ts t a r t i n ga n d h a sm a n yd e f i c i e n c i e s s i m u l t a n e o u s l y r e l a t e ds t u d i e ss h o wt h a tt h eh u m a n t a c t i l ep e r c e p t i o ni sad y n a m i cb e h a v i o r f i n g e ra n d n o z z l ef i n i t ee l e m e n tm o d e l sa r ee s t a b l i s h e di nt h ep a p e r m e c h a n i c a lr e s p o n s ea n d d e f o r m a t i o no ft h ef i n g e ru n d e rp n e u m a t i cd y n a m i cl o a da r ea n a l y z e d ，w h i c hp r o v i d ead i r e c t r e f e r e n c et ot h ed e s i g no fp n e u m a t i ch a p t i ci n t e r f a c ed e v i c e t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i no r d e r t oa n a l y z et h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ef i n g e rt a c t i l ei n f o r m a t i o n ，t h e t h r e e d i m e n s i o n a ln o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ef i n g e r t i pa n df i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h en o z z l ea r ee s t a b l i s h e d i na d d i t i o n ，c h a r a c t e r i z a t i o np a r a m e t e r se v a l u a t i n g t a c t i l e s e n s a t i o n sa r ea l s ob u i l t ( 2 ) m e c h a n i c a lr e s p o n s eo ff i n g e r t i pu n d e rd i f f e r e n tl o a d si sr e s e a r c h e db yn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d s f i r s t l y , f i n g e rm e c h a n i c a lr e s p o n s et ot h es i n g l ep o i n td y n a m i cl o a di s a n a l y z e d ，a n dt h ec h a n g e so ff i n g e rr e s p o n s eu n d e rd i f f e r e n tf r e q u e n c y , a m p l i t u d e ，c a r r i e ra n d w a v e f o r ma r ec o m p a r e d ，w h i c hb u i l d st h ef o u n d a t i o nf o rr e s e a r c hi nm u l t i p o i n td y n a m i c l o a d i n g t h e nt h ef i n g e rr e s p o n s eu n d e rm u l t i - p o i n ts t a t i c l o a di ss t u d i e d t h ee f f e c t so f n o z z l ed i a m e t e r , n o z z l ei n t e r v a la n dp r e s s u r eo nl i n eh a p t i c a r ea n a l y z e d t h er a n g eo f d i f f e r e n tp a r a m e t e r sw h i c hc a np r e f e r a b l yr e a l i z el i n eh a p t i ci sg i v e n f i n a l l yt h ef i n g e r r e s p o n s eu n d e rm u l t i p o i n td y n a m i cl o a d si sa n a l y z e d t h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c ef i n g e r m e c h a n i c a lr e s p o n s ea r ec o m p a r e dt h r o u g hp r e s s u r ef r e q u e n c y , a m p l i t u d e ，c a r r i e r , p h a s e d i f f e r e n c e ，n o z z l ed i a m e t e ra n dn o z z l ei n t e r v a l ( 3 ) t h ef i n g e rd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n te x p e r i m e n t a l t a b l ei sb u i l t ，a n dr e l a t e d m e a s u r e m e n ta n de x p e r i m e n ta r ec o m p l e t e d f i r s t l y , t h es e n s i t i v ef r e q u e n c y w h i c hf i n g e r sc a n f e e li sm e a s u r e d d i f f e r e n tp e o p l e sd e f o r m a t i o nu n d e rt h es a m el o a di sm e a s u r e d ，a n dt h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h er e s p o n s e so fd i v e r s eh u m a nf i n g e r i s a n a l y z e d s e c o n d l y , t h e v i s c o e l a s t i cp r o p e r t i e so ft h ef i n g e rs k i na r ev e r i f i e db ye x p e r i m e n t t h i r d l y , t h ef i n g e r d e f o r m a t i o nu n d e rs i n g l ep o i n td y n a m i cl o a di sm e a s u r e da n dc o m p a r e dw i t ht h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t sf r o md i f f e r e n tp r e s s u r ea m p l i t u d e ，c a r r i e ra n dw a v e f o r m f o u r t h l y , t n 硕士论文 基于气动载荷的手指力学响应研究 目录 摘要i a b s t r a c t - i i i 目勇乏“v 1 绪论“1 1 1 研究背景和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 触觉接口设备研究现状2 1 2 2 触觉生物力学研究现状5 1 3 本文主要研究内容8 2 有限元模型和触觉表征参数建立“9 2 1 触觉及指尖生理结构9 2 2 手指模型j 1 1 2 3 喷嘴模型1 2 2 3 1 物理模型及网格划分1 2 2 3 2 模型基本假设及求解设置1 3 2 3 3 控制方程一1 4 2 4 流固耦合计算方法15 2 5 流固耦合计算结果与分析一16 2 5 1 静态载荷下流场压力和手指变形分析1 6 2 5 2 动态载荷下流场压力和手指变形分析17 2 6 触觉表征参数1 9 2 6 1 应变能密度和剪应力剪应变1 9 2 6 2 手指变形一2 2 2 7 本章小结2 3 3 手指力学响应有限元分析2 4 3 1 单点动载荷2 4 3 1 1 振幅影响“2 4 3 1 2 载波影响一2 5 3 1 3 波形影响一2 6 3 2 多点静载荷2 6 3 2 1 静态载荷“2 6 v 目录硕士论文 3 3 多点动载荷2 9 3 3 1 三点同相位动态载荷2 9 3 3 2 三点不同相位动态载荷3 3 3 4 本章小结3 6 4 手指响应实验分析3 7 4 1 实验台设计3 7 4 1 1 实验台功能要求和原理3 7 4 1 2 实验台搭建3 8 4 2 频率阈值测定4 2 4 2 1 测量方法4 2 4 2 1 2 测量结果4 3 4 - 3 不同人手指变形比较4 4 4 3 1 测量方法4 4 4 3 _ 2 测量结果4 4 4 4 手指粘弹性特性验证4 5 4 5 单点动载荷下变形分析4 7 4 5 1 振幅影响4 7 4 5 2 载波影响4 7 4 5 3 波形影响4 8 4 6 多点载荷下变形分析4 8 4 6 1 多点静态压力下手指变形4 8 4 6 2 多点动态载荷下手指变形4 9 4 7 触觉再现实验51 4 7 1 线触觉再现51 4 7 2 滑动觉再现5 3 4 8 本章小结5 4 5 结论与展望5 5 5 1 结论5 5 5 。2 展望5 5 致谢。5 7 参考文献5 8 附蜀乏6 2 v i 硕士论文基于气动载荷的手指力学响应研究 1 绪论 1 1 研究背景和意义 虚拟现实技术是一种有效地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互 技术。它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景 和实体行为的系统仿真，借助相应的硬件手段的帮助，如数据手套、头盔显示仪、立体 眼镜等设备，可以提供视、听、触、嗅等感官刺激，使用户沉浸到该环境中，产生“身 临其境”的感觉【l - 2 j 。 虚拟现实技术的应用前景非常广阔，相关的研究也得到很多国家和政府的重视。美 国对此项技术的投入从上世纪8 0 年代的几千美元发展到本世纪初的1 4 亿美元【3 1 ，这也 说明它的重要性及应用越来越广。虚拟现实技术经过4 0 多年的发展，目前在视觉和听 觉方面功能已较完善；但在触觉和力觉方面，目前只是处于起步阶段。在虚拟现实系统 中，力觉和触觉的模拟和再现是增强系统真实感，营造良好沉浸效果的重要环节 4 1 。 近年来，与虚拟现实技术相结合的触觉接口设备被广泛应用于产品概念设计、虚拟 装配、遥操作、医疗、教育等领域。触觉接口设备是人机之间基于皮肤触觉进行交互的 接口设备。对于虚拟装配、遥操作、虚拟手术 5 】等应用中需要操作灵巧、多自由度、感 知对物体的抓握状态及材质等信息时( 不包括重量信息) ，触觉反馈系统是必不可少的选 择。在虚拟装配系统中，对于有些场合要求操作者对虚拟环境进行灵巧度要求很高的精 细操作时，由于视觉主要是用于对对象和环境进行宏观判断，单纯依靠视觉已难以胜任， 而触觉主要用于工作过程更细微的判断。依靠高性能的触觉再现，操作者可以获得操作 对象的各种运动信息和属性信息，包括质量、惯性、形状、硬度、材质等，这些丰富的 信息可以帮助操作者更好的完成工作，因此触觉的引入会大幅提高任务执行的效率 6 1 。 在遥操作机器人系统中，借助于触觉接口设备可将远端环境中末端执行器作用对象的触 觉信息完整的反馈给操作人员，并在操作者的指端再现物体的表面信息，使操作者产生 身临其境的触觉感知效果，从而可准确的对物体进行分类识别。在对医生进行外科手术 训练时，将触觉应用于虚拟手术可以更逼真的再现手术情形，大大缩短手术培训时间， 同时减少了对昂贵实验对象的需求。另外，在远程医疗、电子购物 7 】等领域也有广泛的 应用。 要对触觉接口进行研究首先要对触觉机理有较完整的认识。人的触觉感知是一种动 态感知行为，人总是通过主动地触摸物体表面来获得物体的触觉特征，其本质是手指皮 肤和皮肤下的触觉感受器对运动变化的接触较敏感而对静止不变的接触较迟钝。因此在 研究触觉机理时，要分析在动态载荷作用下，手指皮肤内部与触觉有关的机械感神经元 的动态响应过程以及与触觉感知的关系，才能更好的指导触觉接口的设计。 1 2 1 绪论硕士论文 1 2 国内外研究现状 目前对触觉的研究主要包括两个方面：( 1 ) 触觉接口设备研究；( 2 ) 触觉生物力学 研究。 触觉接口设备是人机之间基于皮肤触觉进行交互的接口设备。触觉接口按功能主要 分为两类：物体表面形状再现和材质再现。物体表面形状再现大多采用气动刺激方式， 此类装置通过气体压力作用到手指皮肤上，通过控制不同的压力形式来再现不同的物体 表面形状，主要有喷气式、气囊式、针式、吸气式等。材质再现大多采用机械振动式刺 激方式，如电磁驱动式、压电晶体式、转筒式等，这类接口设备主要依靠不同频率的振 动模拟表面纹理、滑动等效果。 触觉生物力学主要是从触觉产生机理出发，研究外部机械刺激形式、感知信号和触 觉感知之间的内在联系。在外部载荷作用下，手指发生变形，内部软组织产生应力和应 变，皮肤中的神经元细胞感知应力、应变信号后产生触觉。如果要模拟某种触觉感知， 需要在外部刺激作用下在手指内部产生相应的感知信号，由神经元细胞感知后产生相应 的触觉。外部机械刺激形式与具体的触觉再现接口设备有关，对触觉进行研究时应将触 觉生物力学和触觉再现接口设备紧密联系起来，通过触觉生物力学的研究为触觉再现提 供理论依据和指导。 1 2 1 触觉接口设备研究现状 触觉接口设备按照载荷作用方式可以分为振动式、电刺激式、气动式等形式。振动 式分为电磁驱动式【8 1 、压电晶体式【9 1 、转筒式、振动音圈式等；气动式分为喷气式、气 囊式、针式、吸气式等形式。 美国v i r t u a lt e c h n o l o g i e s 公司开发的“c y b e r t o u c h ”以及e x o s 公司开发的 “t o u c h m a s t e r ”触觉反馈系统采用了振动音圈【1 0 1 作为触觉反馈元件，但由于其采用的 振动音圈尺寸较大，因而难以制作成高密度阵列的形式，不易模拟精细的触觉信息。 东京都立科学技术大学的i k e i 1 1 1 等人采用振动作为刺激方式实现纹理触觉再现。该 系统采用压电激励方式驱动针跳动，通过调节激励信号的占空比，振幅可精确控制在5 微米到5 7 微米。通过调节振幅的大小，实现不同级别的振动，进而再现各种复杂的纹 理信息。但是这种再现方法受限于针直径大小和分布的影响，很难模拟精细的纹理，而 且其振幅动态范围小，模拟出来的纹理信息有限。 美国南加州大学的f i s h e l l l 2 】制作t , h 人类手指形状相似的纹理识别装置，如图1 1 所示，该装置能识别出1 1 7 种纹理，比人类能识别的纹理种类还多。该装置由指甲、弹 性皮肤、热敏电阻、不可压流体、阻抗传感电极、硬质核、压力传感器、集成电子等构 成。通过控制不同的法向力、运动速度来再现不同的纹理，法向力通过步进马达控制， 运动速度通过线性工作台控制。在识别纹理之前先通过智能算法让该装置学习每种纹理 硕士论文 基于气动载荷的手指力学响应研究 的特征信息为以后纹理识别做准备。实验证明该装置的识别正确率在9 以上，性能较 好。 ，一r n e n “ i 愁粼 二= ：艺t “ 图1 1 纹理识别装置 东南大学的陈旭根据人的触觉感知是一种动态感知行为的原理，提出了一种纹理 触觉再现方法及实现装置，如图1 2 所示，该装置能在使用者手指端部产生类似于纹理 感觉的触觉信息。它的主要组成部分是铝合金制成的圆筒，上面分布着大小不同的凹孔 和凸点，通过伺服电机带动它旋转。手指在匀速旋转的圆筒上来回滑动并触摸上面的凹 孔与凸点，能有明显的触觉感受，而且不同的旋转速度将会带来不同的触觉感受。但这 种装置不能排除电机、装置转轴本身振动对触觉感知的影响，使得再现纹理不太逼真， 而且人手指对圆筒的影响使得对圆筒转速实现稳定控制存在难度。 t 、 im ，二三 ： 。二， ! ；m 1 ，一 、! 歹。 r - 、“。，孑。 。 j 7 r 、 ”：、r， 蛩c ，_ ， t ? t ?i ，u。 、 f j 3 7 图1 2 圆筒式触觉再现装置 中科院自动化所的朱海兵 1 4 1 提出了一种基于音圈电机的振动式触觉反馈装置，如图 1 1 3 所示，该反馈装置直接安装在c a s - - g l o v e 数据手套上为用户提供诸如弹击、触摸、 机械振动等触觉信息。该装置具有较高带宽，可以提供更加精细的触觉信息，例如表面 粗糙度。 图1 3 振动式触觉反馈装置 南京理工大学的金世俊用电刺激方式做了触觉再现的实验研究，通过改变电流的 41 绪论硕士论文波形来产生不同的触觉刺激，并通过对现有的几种典型刺激波形的实验和分析比较，得出了刺激电流波形各参数与触觉感觉之间的内在规律，找出最优的一组电极及刺激波形，较为满意地实现了手指上的触觉再现，但易出现麻刺感。东京大学的y a m a m o t o 【1 6 等人采用静电作为刺激方式来实现纹理的触觉再现如图1 4 所示。该研究设计的实验装置由固定板和薄膜组成，用户通过把手指放在滑块薄膜上并随其一起在固定表面上运动得到触摸纹理的感觉。固定板上放有5 0 个电极，当给电极上电时，滑动薄膜和固定板之间会产生电磁力，产生的电磁力就会通过滑块薄膜传递给手指，进而产生触觉感受。当电压是周期循环时，产生的摩擦力也是周期变化的，就会在手指上产生机械振动，用户就会感觉到是在触摸纹理。这种方法产生的纹理感觉比较真实，但缺点是所加的控制电压不得低于1 0 0 v ，否则没有明显的纹理触觉感受，还有就是薄膜要足够柔软，否则会影响感知效果。图1 4 电刺激式纹理再现装置美国加利佛尼亚大学的m o y 1 7 1 等制作了一种气动阵列式的触觉再现装置，如图1 5所示，该装置包括接触界面和气动阀两部分，接触界面由硅树脂橡胶浇注而成，这就保证此装置始终与手指接触。硅树脂橡胶界面与硅树脂导管形成密封腔，使密封腔内无泄漏，该装置采用p w m 来调节控制腔中的压力。此装置能保证手指与橡胶面一直接触，并且便于携带；但它的带宽较低，只有5 h z ，空间分辨率也不高，并且不易控制。幽1 5 气动喷嘴阵列英国s a l f o r d 大学的c a l d w e l ll 1 8 】研制的4 x 4 触觉阵列。其结构如图1 6 所示。每个触觉单元都是由一个微型气缸构成，气缸顶针的项部为球面型，材料为不锈钢，间距为1 7 m m 。整个装置的重量很轻，只有2 0 克。它的控制系统由三部分组成，分别为力控制模块、材质控制模块和剪切滑动控制模块。此装置可刺激s a i 、r a i 机械感神经元，能够产生接触压力、表面形状、材质、侧向滑动和摩擦等触觉信息。力控制模块可再现物体的表面形状；材质控制模块通过控制压力的波动，进而控制顶针做小幅的上下振动，从而再现物体表面的材质；调节装置侧面4 个气动肌肉内的压力，使模块在x y 方向上幂 硕士论文 基于气动载荷的手指力学响应研究 产生运动，使手指受到剪切力作用，从而产生滑动感觉。 图1 6 气针式喷嘴阵列 韩国光州科学技术大学的k i m 1 9 1 等设计了一种5 5 阵列的气动喷嘴，喷嘴外径 2 4 m m ，内径1 5 m m 。此装置尺寸较小，只有1 2 x1 5 2 m m 。但由于气动控制阀的限制， 此装置不能精确地研究动态触觉再现效果，喷嘴阵列如图1 7 所示。 纛飘j 。m m c 园o 、_ ： 麴面 茹：雾 姐二劐- 妥。 图i 7 喷嘴阵列 综上所述，振动式触觉接口可以较好地模拟动态触觉感知，但大多为桌面固定式， 结构复杂、体积大，不便于携带；电刺激式触觉接口也可以较好地模拟纹理和滑动信息， 但易出现麻刺、灼烧等不适感，对使用者产生心理障碍。气动式结构简单、成本较低， 便于集成和实现小型化，气体压缩性强、对人体无危害。m o y , c a l d w e l l ，k i m 都采用气 动方式向手指施加动态载荷来模拟不同的触觉信息。因此，可以看出通过压力的动态变 化模拟不同的触觉感受是可行的。 1 2 2 触觉生物力学研究现状 目前对触觉生物力学的研究主要是通过建立手指的有限元模型，分析在不同外部刺 激信号下手指的力学响应与触觉之间的关系。手指模型从空间结构方面分为二维和三维 模型，从力学性能方面分为线性和非线性模型。 s r i n i v a s a n 2 0 建立了一种材料为齐次线弹性的手指二维模型，如图1 8 所示，这种模 型与机械感神经感受器s a i 在矩形光栅作用下的空间响应可以很好的吻合，但不能预 测手指在线载荷下的力学响应和变形。 图1 8 线性二维模型 6 1 绪论 硕士论文 s e r i n a 2 1 1 建立的手指模型分为皮肤层和皮下脂肪层两部分，皮肤层看作是膨胀的椭 圆形薄膜，皮下脂肪层看做可压缩的流体模型，如图1 9 所示。该模型讨论的是手指内 部应力平衡状态的情形，不能解释手指内部应力应变的非均匀性分布和机械感神经感受 器的诱发响应。 f r c e j l且瞻 v 伊4热! ，7f ，r ，77 ， 图1 9s e r i n a 手指模型 m a e n o 2 2 , 2 3 等建立了非齐次的二维指尖有限元模型，模型数据来自已测得的手指几 何参数和材料特性，他们发现当手指与刚性平面接触时，应力应变在不同触觉感受器周 围的分布是不同的，而且与手指指尖的生理结构有关。但该模型的参数只是取的单个尸 体组织的，不具有一般性。 p a w l u k 2 4 等建立分块的参数模型来研究手指在动态力载荷下的位移响应，但该模型 不能确定手指表面压力的空间分布和机械感神经感受器周围的应力、应变的空间分布。 w u 【2 5 j 拟合实验数据建立了非线性的二维手指模型，手指分为指甲、皮肤层、软体 组织层和指骨四层，如图1 1 0 所示，皮肤层和软体组织层力学特性表现为线性粘弹性和 超弹性，指甲和指骨为线性。通过对手指施加静态的、瞬态的位移约束研究手指的变形 情况及内部的应力、应变和应变能密度等参数的变化。二维模型可以很好的分析手指在 接触力作用下的变形、应力应变变化趋势，但不能分析手指在轴向线载荷作用下的变形 及内部力学响应情况，也不能分析手指相对接触物体滑动时的响应情况。 图1 1 0 二维手指模型 d a n d e k a r 2 6 等通过定制的视频显微系统获得了人和猴子的指尖外部几何模型，将手 指由外向内分为表皮、真皮、脂肪组织、纤维基质和指骨五层，如图1 1 1 所示，这种模 型虽然几何外形更与实际情况相符，但成本较高，花费较大。另外把各层视为各向同性 的线性材料，这种均质弹性体模型与实际不相符合，不能有效的预测线载荷作用下指尖 软坌目织的力学响应。 硕士论文 基于气动载荷的手指力学响应研究 图1 1 1 三维手指模型 w u 【2 7 1 利用平滑的数学表面拟合了指尖的三维数字模型，如图1 1 2 所示。分析了手 指模型在一个平板作用下位移变化及内部力学响应，研究了平板在不同振动频率下对手 指变形量的影响，及加载卸载时手指的瞬态响应。但所施加的载荷为理想的点、线、面 载荷，与实际的触觉接口设备并不相同。 图1 1 2w u 三维模型 孙中圣 2 8 为研究触觉接v i 设备，建立了手指皮肤的三维模型，如图1 1 3 所示，将 模型分为表皮、真皮和皮下组织三层，忽略了手指轮廓对力学响应的影响，将三层模型 近似为长方体，分析了手指模型在点、线、面等静态载荷下的力学响应，并制作出气动 喷嘴式触觉接口进行了点、线、面触觉再现实验，实验结果良好。 邱跃统【2 9 】在孙中圣模型的基础上，通过数据拟合的方式得到三层皮肤的非线性材料 属性参数，分析模型在气动单点静态载荷下的力学响应和手指变：形，并从手指变形角度 对有限元模型进行了实验验证。 图1 1 31 4 手指喷嘴模型 综上所述，现有触觉生物力学的研究中主要有两处不足：其一、模型建立的不够精 确，与实际手指相比差异较大，主要是几何外形和材料属性两个方面；其二、所施加的 载荷大多为理想的点、线、面等均布载荷，与实际触觉接v i 设备所施加的载荷并不完全 相同，不能直接指导触觉接口设备的设计。 1 绪论 硕士论文 本文在现有研究成果的基础上，从以下几个方面做进一步的研究：第一、建立更接 近手指真实几何结构和材料属性的有限元模型；第二、在进行有限元分析时，向手指施 加与实际气动喷嘴式触觉接口相同的载荷，分析出的结果可直接指导气动触觉接口的设 计；第三、通过调节气动喷嘴的尺寸和入1 ：3 压力大小，力求实现点、线、滑动等多种触 觉感受的集成再现。本课题将触觉生物力学与触觉接口设备研究联系起来，通过分析手 指在不同载荷下的响应情况，进而指导气动触觉再现接口的设计，必将促进触觉再现技 术在虚拟装配、遥操作、远程医疗等领域的广泛应用。 1 3 本文主要研究内容 本课题主要是通过建立手指非线性模型和喷嘴模型，研究手指在不同压力载荷作用 下的力学响应与变形，分析影响点触觉、线触觉、滑动感觉再现的因素，指导气动喷嘴 式触觉再现接口设备的设计。本文的研究内容有： ( 1 ) 从触觉产生的机理出发，分析手指的几何结构和材料属性，在此基础上建立 手指的三维非线性有限元模型和喷嘴有限元模型。 ( 2 ) 建立触觉表征参数，利用已建立的模型分析手指在单点动态载荷、多点静态 载荷、多点动态载荷下的力学响应；分析压力的频率、振幅、载波、波形、相位差和喷 嘴间距、喷嘴直径等参数对手指响应的影响；并对各参数进行优化，确定能实现点、线、 滑动感觉再现的合理参数。 ( 3 ) 搭建实验台，通过实验测量手指在不同动态载荷下的变形和力学响应，并与 有限元分析结果做比较。进行线触觉和滑动觉再现实验，验证此方法的实际效果。 硕士论文基于气动载荷的手指力学响应研究 2 有限元模型和触觉表征参数建立 2 1 触觉及指尖生理结构 触觉是指分布于全身皮肤上的神经细胞接受来自外界的温度、湿度、疼痛、压力、 振动等方面的感觉。多数动物的触觉感受器是遍布全身的，像人的皮肤位于人的体表， 依靠表皮的游离神经末梢能感受温度、痛觉、压力等多种感觉【3 0 j 。 触觉感受在个体间存在较大差异，性别、种族和环境都是影响因素。经试验证明： 男子的触觉灵敏度要小于女子；儿童时期的分辨能力要强于其它时期；身体不同部位对 触觉的分辨能力也各不相同，舌尖的分辨能力最强，可以分辨相距l m m 的距离，其次 是手指尖、唇、鼻尖、手掌、颊、手背、坐肌、肩膀、臂、腿、胸、颈、背脊。背脊的 分辨能力只有6 一7 m m 3 1 1 。由于人通常是通过手指主动的触摸物体来获得物体表面的触 觉特性，因此当前触觉生物力学的研究对象主要是手指指尖；触觉接口设备施加的刺激 信号也主要是作用于手指；又由于人触摸物体时习惯用食指，因此，本文以成年男性食 指为模型进行研究。 人感知物体的过程为：手指与物体接触导致皮肤发生变形，在手指与物体的接触区 域产生分布压力；表面压力使手指内部产生机械应力和应变，手指皮肤内的机械性刺激 感受器将应力和应变转换成为神经信号；神经信号传输到中枢神经系统经过大脑译码后 得到有关物体的信息，形成触觉感受。触觉感知可以分为肌肉运动触觉感知( k i n e s t h e t i c ) 和触摸觉( t a c t i l e ) ，前者主要感知作用在身体上的有关运动、姿态和作用力的信息；后 者利用皮肤中的机械感感受器来感知接触区域上随时间和空间变化的几何结构、硬度、 滑动和温度等感觉。 手指与物体表面的接触过程为：当手指遇到较凸处时皮肤会凹陷并感受到压力信 号，当遇到凹陷处时皮肤会在凹陷处周围的剪切力作用下凸出一部分，当手指在物体表 面运动时，两种情况交替出现手指就能感觉出表面纹理的变化及滑动感觉，如图2 1 所 示p 2 1 。触觉接口设计中若单独在a 处施加载荷则可以模拟点触觉；若在a 处作用动态载 荷则可模拟动态的点触觉；若a 、b 、c 处同时作用载荷，通过适当的调节d l 、d 2 则可 以模拟线触觉；若使a 、b 、c 处的手指变形随时间变化则可以模拟滑动感觉；如果改变 d 1 、d 2 的值可以得到空间分布不同的纹理表面，通过调节a 、b 、c 、d 处的振幅a 则能 感受到凹凸程度不同的纹理。本文通过微型气动喷嘴式接口向手指施加不同形式的载荷 来模拟不同的触觉感受，气动喷嘴式触觉接口如图2 2 所示。 手指指尖就是手指的末端指节，包括指甲、真皮表皮层、皮下组织并 j ，一i - - , 骨【25 l 。指甲 是由指端表皮角质化而成，主要作用是保护指尖，指甲刚度较大，力学性能表现为线弹 性。皮肤层包括表皮和真皮两层，表皮位于皮肤的最外层，表皮厚度约为4 4 - 1 1 6 微米， o 2 有限元模型和触觉表征参数建立硕士论文含有很多微小的神经末梢，可以感受到外界刺激。真皮由中胚层分化而来，属于致密的结缔组织排列致密而不规则，真皮层含有胶原蛋白、弹性纤维、网状纤维和基质等，因此有很好的韧性和弹性。真皮以基膜与表皮分开，分界处呈现高低不平的锯齿状，真皮厚度约为0 8 1 2 m m 。真皮与皮下组织没有明显的界限，而是由网状层逐渐过渡为皮下组织。皮下组织层以脂肪为主，能缓冲外来压力储存能量。指骨主要起支撑作用，刚度较大，力学特性表现为线弹性。口bcd图2 1 手指触摸物体机理图2 2 气动喷嘴式触觉接口示意图嘴。一一- 9 莲霪一图2 3 手指皮肤结构根据相关电生理实验证实，皮肤层中含有丰富的触觉神经元，主要包括迈斯纳小体( m e i s s n e rc o r p u s l e ) 、麦尔克氏细胞( m e r k e lc e l l ) 、罗芬尼末梢( r u f f i n ie n d i n g ) 和帕西尼氏小体( p a c i n i a nc o r p u s c l e ) 3 3 3 4 1 。每种触觉单元处于距皮肤表面一定距离的位置，麦尔克氏细胞距皮肤表面约为0 7 m m ，帕西尼小体距离皮肤表面的距离约为2 m m ，在皮肤层的分布如图2 3 所示，各种神经元的特性如表2 1 所示 3 5 , 3 6 。鬈|邀一 硕士论文 基于气动载荷的手指力学响应研究 表2 1 机械感神经元特性 麦尔克氏细胞和罗芬尼末梢的敏感频率都在7 h z 左右。因此，进行触觉再现实验时， 向手指施加的动态载荷的变化频率也应该在7 h z 左右比较合适，这样手3 七匕1 3 厶匕p 3 1 = , 更明显的感 受到动态变化的刺激信号。 2 2 手指模型 本文采用微型气动喷嘴向手指施加作用力来模拟各种触觉。喷嘴阵列如图2 4 所示， 阵列中的微型喷嘴的直径在0 7 1 0 m m 之间，喷嘴问距在2 - 3 m m 之间。每个喷嘴都由 一个独立的气动回路控制气流的流出，并通过比例阀对压力进行调节。通过控制喷嘴尺 寸和入口压力大小来模拟不同触觉信息。当模拟点触觉时，选择一个喷嘴通气；模拟线 触觉和滑动觉时，选择一列或者一行喷嘴通气；模拟面触觉、纹理等触觉时，选择全部 或部分喷嘴通气。本文主要研究在- yw 喷嘴作用下手指的力学响应和手指变形，所以喷 嘴有限元模型只选择单孔喷嘴和三孔喷嘴来建立。 图2 4 喷i 嘴阵列 手指和喷嘴整体模型，如图2 5 所示。绿色部分为喷嘴流场模型，其余部分为手指 模型。 z ( a ) 单孔喷嘴 ( b ) 三孔喷嘴 图2 5 手指喷嘴有限元模型 在触觉感觉形成的过程巾，主要是手指肚一侧各层软组织中的触觉神经元接收到刺 1 l 2 有限元模型和触觉表征参数建立硕士论文激信号，再经过神经系统传给大脑形成触觉。在此过程中手指背面即指甲与指骨之间对触觉的产生影响较小，因此建立模型时只考虑手指肚与指骨之间的部分。以典型成年男性食指末端指节为原型建立手指三维模型，指尖尺寸为长2 5 m m 、宽2 0 m m 、高1 0 m m ，如图2 6 ( a ) 所示，横向剖面图如图2 6 ( b ) 所示。手指皮肤分为三层，分别为表皮、真皮和皮下组织。表皮层厚度较小，并且机械感神经元细胞主要分布在真皮层和皮下组织层，将表皮和真皮看作一层，厚度取为1 3 m m 。真皮层和皮下组织层的材料属性为线性粘弹性，以p r o n y 指数形式表示，指骨材料属性为线弹性，各层材料属性具体参数如表2 2 所示b7 | 。表2 2 皮肤各层材料属性( a ) 轮廓( b ) y z 截面图2 6 手指几何模型由于模型形状不规则，因此采用四面体网格进行划分，对变形较大处的网格进行局部加密，如图2 7 所示，手指肚背面施加位移约束，固定手指模型。图2 7 手指有限元模型2 3 喷嘴模型2 3 1 物理模型及网格划分由于分析过程中流场模型与手指模型之问要进行力与位移数据的传递，而力与位移 硕士论文 基于气动载荷的手指力学响应研究 数据的传递要求两个模型在同一坐标系下才能完成，为此本文把流体模型与手指模型在 同一文件中建立以保证坐标相同。 为保证气流顺利流出，手指表面与喷嘴之间应保证一定的接触高度，气流作用到手 指的同时也向四周流出，为此建立喷嘴的几何模型如图2 8 所示，喷嘴入口高度为5 m m ， 与实际喷嘴一致，模型长度1 4 r a m ，宽度1 0 m m ，接触高度和喷嘴直径作为可调参数。 图2 8 流场模型 2 3 2 模型基本假设及求解设置 本文利用f l u e n t 软件模拟流体的运动规律。气流在喷嘴内部的流动属于三维可压缩 流动。喷嘴内的气流视为理想气体的等熵流动过程。由于气流作用到手指上