寇良朋，孫中圣，劉源峰，戴勁，李小寧

（1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094;2.黑龍江海格智能化設(shè)施安裝有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150001）

0 引言

觸覺接口設(shè)備是人機(jī)之間基于皮膚觸覺進(jìn)行交互的接口設(shè)備。對(duì)于虛擬裝配、遙操作、虛擬手術(shù)等應(yīng)用中需要操作靈巧、多自由度、能感知對(duì)物體的抓握狀態(tài)及材質(zhì)等信息時(shí)（不包括品質(zhì)信息），觸覺反饋系統(tǒng)是必不可少的選擇。觸覺接口設(shè)備通過向手指皮膚施加不同的載荷來刺激皮膚內(nèi)的觸覺神經(jīng)元從而產(chǎn)生不同的觸覺感受。目前，觸覺感知的研究主要集中在兩方面:觸覺接口設(shè)備和觸覺機(jī)理的研究。對(duì)觸覺接口設(shè)備的研究要以觸覺機(jī)理的研究成果為基礎(chǔ)，而對(duì)觸覺機(jī)理的研究要以人的皮膚特性研究為前提。由于人體較敏感的觸覺信息感受部位是手指指尖，而且觸覺機(jī)理研究大多以手指指尖皮膚為研究對(duì)象，通過向指尖皮膚施加動(dòng)態(tài)載荷，對(duì)手指皮膚的特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行研究。常見的載荷作用形式有電刺激式［1］、機(jī)械振動(dòng)式［2］、氣動(dòng)式，都是向手指施加不同的動(dòng)態(tài)載荷來刺激手指皮膚，產(chǎn)生觸覺感受，但電刺激式和機(jī)械振動(dòng)式都不易對(duì)手指的響應(yīng)進(jìn)行定量分析，只是通過人的實(shí)際感受作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)指標(biāo)存在不確定性。本文針對(duì)氣動(dòng)噴嘴接口設(shè)備，分析粘彈性材料在正弦動(dòng)態(tài)載荷作用下的力學(xué)特性，并建立手指變形的試驗(yàn)裝置，定量測量手指在正弦壓力動(dòng)態(tài)作用下手指變形，分析其變化規(guī)律，驗(yàn)證了手指的粘彈性特性。

1 手指皮膚特性分析

手指指尖包括指甲、表皮層、真皮層、皮下組織和指骨。指甲是由指端表皮角質(zhì)化而成，主要作用是保護(hù)指尖;指骨主要起支撐作用，剛度較大，指甲和指骨力學(xué)特性表現(xiàn)為線彈性。表皮位于皮膚的最外層，含有很多微小的神經(jīng)末梢，可以感受到外界刺激。真皮層含有膠原蛋白、彈性纖維、網(wǎng)狀纖維和基質(zhì)等，因此有很好的韌性和彈性。皮下組織層以脂肪為主，能緩沖外來壓力儲(chǔ)存能量，另外此層還有大量的血管，淋巴管、汗腺等。表皮層為線性材料屬性，真皮和皮下組織在力學(xué)性能上都表現(xiàn)為非線性。查閱現(xiàn)有國內(nèi)外文獻(xiàn)［3-4］大多認(rèn)為真皮和皮下組織為粘彈性。

粘彈性材料在隨時(shí)間而變化的變形過程中有以下特性［5-7］:1）蠕變，即在階躍載荷下變形會(huì)逐漸增加最后趨于穩(wěn)定;2）應(yīng)力松弛，即在恒定的應(yīng)變下應(yīng)力會(huì)逐漸減弱;3）遲滯現(xiàn)象，即在正弦載荷下變形也服從正弦規(guī)律，不過在相位上落后于載荷相位;4）隨著載荷頻率的增大，變形振幅會(huì)變小。前三個(gè)特性已在相關(guān)文獻(xiàn)［8］中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文重點(diǎn)針對(duì)第四個(gè)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。

表示粘彈性材料力學(xué)特性的三種模型分別為:Maxwell模型、Voigt模型和Kelvin模型（又叫標(biāo)準(zhǔn)線性固體模型），如圖1所示。這些模型都是由線性彈簧（彈性常數(shù)μ）和阻尼器（粘性系數(shù)η）組成。maxwell模型充分描述了應(yīng)力松弛但蠕變表征不夠;Voigt模型充分描述了蠕變而應(yīng)力松弛表征不夠;Kelvin模型集成了前兩種模型的優(yōu)勢，充分描述了應(yīng)力松弛和蠕變，能夠較好的表征手指皮膚的特性。本文采用Kelvin模型來表述手指材料的粘彈性特性。

圖1 三種粘彈性力學(xué)模型

Kelvin模型中位移u分為阻尼器位移u1和彈簧位移，μ0，μ1為彈性系數(shù)，η1為粘性系數(shù)。作用力:

式（3）即為Kelvin模型中力與位移的關(guān)系。

分析粘彈性材料特性的最簡單方法之一就是施加周期性載荷，令周期性載荷F=Acos（ωt+φ），其中A是振幅，φ是相位角，又有ei（ωt+φ）=cos（ωt+φ）+isin（ωt+φ），因此周期性載荷可以用Beiωt的實(shí)部來表示，也就是說周期性載荷F=Acos（ωt+φ）的復(fù)數(shù)表達(dá)形式為Beiωt，其中B為復(fù)數(shù)。若載荷F和響應(yīng)u是同頻率的諧波信號(hào)，則式（3）中的 和 可分別用復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)化為iωF和iωu，則式（3）轉(zhuǎn)化為:

文獻(xiàn)［9］中指出，手指皮膚中含有豐富的觸覺神經(jīng)元，主要包括邁斯納小體（Meissner’s corpusle），麥爾克氏細(xì)胞（Merkel’s cells），羅芬尼末梢（Ruffini ending）和帕西尼氏小體（Pacinian corpusle）。文獻(xiàn)［10］中指出，四種神經(jīng)元的主要感知形式及敏感頻率如表1所示，根據(jù)不同神經(jīng)元的敏感頻率和實(shí)驗(yàn)室條件，本文所研究的信號(hào)頻率范圍在1Hz～40Hz之間。

表1 四種觸覺神經(jīng)元特點(diǎn)

2 手指變形測量實(shí)驗(yàn)

測量原理如圖2所示，激光位移傳感器發(fā)出的光束穿過噴嘴照射到手指表面再反射回位移傳感器，噴嘴由無色透明有機(jī)玻璃制作不會(huì)遮擋激光束穿過。實(shí)驗(yàn)過程中手指表面與有機(jī)玻璃板上噴嘴的接觸高度為2mm保持不變。手指用雙面膠固定于固定臺(tái)，消除手指顫抖對(duì)測量結(jié)果的影響。

圖2 激光測量示意圖

試驗(yàn)臺(tái)控制利用MATLABSimulink中的Real-time模塊，通過研華板卡與傳感器，比例閥等進(jìn)行連接，壓力控制通過FESTO流量比例閥實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)過程中通過調(diào)節(jié)比例閥的控制電壓信號(hào)，保證壓力的載波和振幅不變，測量不同頻率載荷下的手指變形。試驗(yàn)臺(tái)如圖3所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3 試驗(yàn)臺(tái)

由表1可知，適應(yīng)速度較慢的兩種神經(jīng)元的敏感頻率都是7Hz，因此首先分析在7Hz左右的手指變形，如圖4所示，可以看出隨著頻率的增加，不但變形振幅減小，手指的總變形量也是逐漸減小的，但振幅差別較小，不太明顯。為進(jìn)一步證明此規(guī)律的正確性，本文分析了5Hz～40Hz范圍內(nèi)的手指變形。如圖5所示，頻率分別為5，10，15，20Hz載荷下手指變形的振幅分別為0.440mm，0.405mm，0.371mm，0.293mm;圖6為不同頻率下的壓力，可以看出壓力幅值差別較小，可以排除壓力大小對(duì)手指變形振幅的影響。5Hz～40Hz時(shí)變形振幅的變化如圖7所示;可以看出頻率每增加5Hz，手指變形量振幅降低 0.03～0.04mm。當(dāng)頻率相差 10Hz時(shí)，手指變形量振幅下降 0.06～0.1mm。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在壓力載波和振幅一定的情況下，手指變形振幅隨著壓力頻率的增加而降低;頻率相差越大，手指變形振幅也相差越大;手指總的變形量也隨著頻率的增加而減小。

圖4 不同頻率下變形比較

圖5 頻率差值為5 Hz時(shí)不同頻率下的變形

圖6 不同頻率下的壓力

圖7 不同頻率下變形振幅比較

4 結(jié)語

本文分析了Kelvin模型在正弦壓力載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在此基礎(chǔ)上通過實(shí)驗(yàn)測量了不同頻率的壓力載荷作用下手指變形量，得出手指變形振幅隨著壓力變化頻率的增加而減小這一變化規(guī)律，進(jìn)一步驗(yàn)證了手指皮膚的粘彈性特性;另外，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可看出手指皮膚總的變形量隨著頻率增加而減小，應(yīng)是粘彈性材料響應(yīng)的遲滯性所致。本文的研究成果加深了對(duì)觸覺感知機(jī)理的理解，對(duì)觸覺接口設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了參考指標(biāo)。

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