手指力学特性测量装置的设计.docVIP

1 绪论 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。 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。/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[2]。 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[3]。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μ的线性弹簧与粘性系数η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[4]。 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[5]。 Kelvin模型由弹簧(E)与粘性元件(η)并联而成, 其本构方程式为： σ=Eε+ηε (1.1) Maxwell模型由弹簧（E）与粘性元件(η) 串联而成，其本构方程式为： (1.2) Poynting-Thomson模型由弹簧（E2）与粘性元件(η) 串联后再与弹簧（E1）并联而成, 其本构方程式为： (1.3) 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： (1.4) (1.5) 1.2.手指力学研究现状 1．2．1 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[6]。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[7]。 1.2.2 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[8]。 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[9]