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手指 力学 特性 测量 装置 设计

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南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：学 号：专 业：机械工程及自动化设计(论文)题目：手指力学特性测量装置的设计指 导 教 师: 2010年 3 月 19日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 74082005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述引言虚拟力、触觉再现是指操作者通过触觉设备进行触摸、感知和操纵虚拟物体等一系列相互作用来获得表征虚拟物体特性触觉感知信息的过程。虚拟力触觉再现在现代有许多的应用，如外科手术训练仿真系统、遥操作机器人、CAD/CAD技术以及互联网的协同设计等领域都有广泛的应用。在虚拟手交互过程中，用户若能感受到真实的作用力，有助于增强虚拟环境的沉浸感，提高用户虚拟操作的效率1，当虚拟手指在接触、挤压、触摸物体时，用户希望感知到虚拟物体表面的硬度、黏度和纹理等。虚拟手交互的接触力是指一个或多个虚拟手指与物体表面接触时手指感受的作用力，用来感知虚拟物体表面的粗糙度、硬度等物理属性2。力/触觉再现的主要研究内容分为虚拟物体的力/触觉建模研究、力/触觉再现的人机交互感知设备研究、人的力/触觉心理和生理特性研究。本课题主要是关于手指力学特性的研究以及其测量装置的设计。 1、手指力学建模手指力学建模是力/触觉再现技术中最为重要的环节，本质上是一种基于物理约束的物体受力的变形模型，其所计算的作用力或变形应当尽可能接近真实世界中物体之间相互作用所产生的作用力或受力变形3。一个物体突然发生应变，此后此应变保持常数，该物体内相应的应力随时间而减小。这一现象称为应力松弛或简称松弛。若一个物体突然受应力的作用，此后称此应力保持常数，而该物体将继续发生变形，这一现象称为蠕变。若一个物体承受循环载荷，加载时的应力应变关系通常与卸载过程的应力应变关系存在某些差异，这一现象称为滞后4。许多材料表现出滞后，松弛和蠕变的性质。三者统称为粘弹性特征。线性粘弹性模型中，以Kelvin模型、Maxwell模型和Poynting-Thomson模型最为基本或传统, 其它模型则均是在上述模型的基础上派生组合而成。这些模型都是由弹性常数的线性弹簧与粘性系数的阻尼器组合构成。因而, 通过这三种传统粘弹性模型, 可以得出粘弹性模型比较一般性的特点5。Maxwell模型表达的思想是：所有的流体在某种程度上都是弹性的。Kelvin曾指出，在各种承受循环载荷的材料中，计及能量耗散率时，Maxwell模型和Voigt模型都不完善。通常称Kelvin模型为标准线性模型，因为它包含了载荷，伸长和它们的一阶（通常叫做“线性”）导数的最一般关系式6。Kelvin模型由弹簧(E)与粘性元件()并联而成, 其本构方程式为：=E+Maxwell模型由弹簧（E）与粘性元件() 串联而成，其本构方程式为：Poynting-Thomson模型由弹簧（E2）与粘性元件() 串联后再与弹簧（E1）并联而成, 其本构方程式为7：非线性粘弹性模型, 就本构方程式的形式而言, 类型也较多, 这里将写出的是基于近年试验结果提出的可变量本构方程式，该本构方程式构成如下8：2、国内外研究现状粘弹性是材料的长期力学行为，同时也是高温等特殊条件下材料的一个重要性能指标9。对粘弹性的研究是建立在适当的模型基础之上，建立和改进模型需要依据实验结果，实际设计需要有关数据与设计参数，因此近年来粘弹性实验研究受到学者们的普遍关注。 近几年来无论从复合材料的细观结构还是宏观角度，国内外学者都对复合材料的粘弹性和相关性能进行了大量卓有成效的研究工作。从研究方式上讲大体可分为三类:一是理论研究，建立理论模型，如laws和Mclaughin运用自洽方法导出复合材料的蠕变柔量的表达式；S. Maghous. G J .Ger us在时间域中运用均匀化方法，得到了粘弹性多层材料的有效松弛模量的表达式；二是蠕变实验研究，如Hashin针对某些碳纤维复合材料界面情况，考虑界面材料剪切行为服从Maxwel模型，利用实验研究了这种粘弹性界面对纤维增强复合材料和颗粒增强复合材料有效性能的影响；三是结合试验数据建立有限元计算模型，进行计算机模拟，如Brock一enbrough等人应用有限元方法考察了纤维的排列方式对复合材料的总体粘弹性和塑性性能的影响103、目前主要存在的问题 生命运动是包括机械运动，电磁运动，化学运动等在内的多种运动形式的综合，而以位移为特征的机械运动规律的研究，是力学的本分。因此，对生命现象的认识，必然涉及很多力学问题，这就是生物力学的主题11。 因为生物组织具有粘弹性的特征，因此粘弹性模型在生物力学中特别有用。在实验室里确定松弛曲线和蠕变曲线十分容易12。若使用合适的实验机，也很容易确定出承受周期力作用的材料的复数模量。正确选择与实验数据相符合的模型是关键问题。流体力学和固体力学的数目繁浩的文献，大体上都是以理想方程为根据。而在生物界，材料的性能一般并不符合这些简单的关系式13。因此，通过材料实验以确定用简化的本构方程式表述生物材料的性能，准确到怎样的程度，就是十分重要的了。可能除过以下的三个方面外，生物材料的力学特性实验与工业材料的实验在原则上并无差别：（1）取得生物材料的大试样的可能性极少；（2）必须严格留意使试样保持活性，并使其尽量保持活体状态；（3）很多生物材料是不均匀的。由于有这些特点，常常需要特殊的实验方法和设备14。参考文献1 MASSIE T H , SAL ISBURY J K. The PHAN To Mhaptic interface : a device for probing virtual objectsCProceedings of the ASME Dynamic Systems and Control Division. Chicago :ASME ,1994 .2 杨文珍，高曙明等.基于人手指力学特性的虚拟手接触力生成J.浙江大学学报,2008，14（2）:2145-2343. 3 徐芝伦.弹性力学M.北京:高等教育出版社，1990.4 冯元祯.生物力学-活组织的力学特征M.长沙：湖南科技技术出版社,1986. 5 金丰年，浦奎英.关于粘弹性模型的讨论J.岩石力学与工程学报,1995,4 （3）: 355-361. 6 蔡美峰.岩石力学与工程M.北京:科学出版社，2002.7 沈观林.复合材料力学M.北京:清华大学出版社，1996.8 李军强,刘宏昭,王忠民.线性粘弹性本构方程及其动力学应用研究综述J.振动与冲击,2005,6（2）:116-121.9 刘文辉，张淳源.渐近均匀化方法在粘弹性复合材料的应用J.湘潭大学自然学报，2003,10（7）:91.10 BAGLEY R L ,TORVIK P J.A theoretical basis for the application of fractional calculus to viscoelasticityJ.J Theol,1983,5 (1) :201-210.11 陶祖莱.生物力学导论M.天津：天津科技翻译出版公司.2000.12 夏才初，孙钧.蠕变试验中流变模型辨识及参数确定J.同济大学学报,1996,7(1):498 -503.13 刘晶波，谷音，杜义欣.一致粘弹性人工边界及粘弹性边界单元J.岩土工程学报，2006，28（9）:1070-1075.14 杨挺青.粘弹性力学M.武汉:华中理工大学出版社,1990. 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：虚拟现实通过模拟人的视觉、听觉、力触觉等，使人处于一种与真实世界非常逼真的虚拟世界中，来感受、体验和评价虚拟世界中的场景和设备。力触觉在虚拟现实环境中有其突出优越性，力触觉使得虚拟现实环境变得真实，是唯一的既可接受周围环境输入又可以对周围环境输出的感知通道，可极大增强可视化表达的效果。力触觉再现技术通过提供给操作者作用力的感觉，极大地增强了虚拟现实系统的真实感，并且拓展了虚拟现实技术的应用领域。本课题主要是研究手指力学特性的测量装置的设计。要求所要设计的手指力学测量装置，通过一个步进电机带动螺旋丝杆转动，而工作平台连接在螺旋丝杆上，随着螺旋丝杆的转动而上下移动，与平放在下工作平台上的手指接触，通过传感器测得到一些手指的力学特性。设计方面首先是设计螺旋传动，因为测量特性故精度要求要高，而螺旋传动来回移动时有间隙，所以还要设计一个消除间隙的装置，以提高测量的精度