基于流固耦合手指触觉生物力学的研究

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1、硕士论文基于流固耦合的手指触觉生物力学研究摘要自上世纪九十年代，虚拟现实技术得到蓬勃发展，当前已经成为一个热门的研究领域。在虚拟现实系统中，触觉的模拟和再现是增强系统真实感，营造沉浸效果的重要手段。但是目前虚拟现实系统中触觉信息的引入尚存在不足，这使得系统的沉浸程度和交互程度大打折扣。触觉的研究主要集中在两方面：触觉生物力学的研究和触觉接口设备的研究。前者主要是触觉机理的研究，后者主要是触觉再现的研究。触觉生物力学的研究可以增强对触觉感知机理的理解，分析触觉感知的影响因素，有助于触觉再现接口设备的设计。本文主要是从数值模拟和实验来对触觉生

2、物力学进行研究，主要包括研究单喷嘴下以静态载荷及动态载荷方式作用时手指的力学响应，从而为触觉接口的设计提供依据以及为纹理再现打下基础。首先，在当前触觉生物力学研究的基础上，从手指的几何结构以及材料属性出发建立手指三维线性和非线性有限元模型，以及建立喷嘴的流体有限元模型。并根据实际的气动触觉接口工作情况，采用流固耦合研究算法，对所建的模型进行流固耦合计算，并建立触觉表征参数。其次，从数值模拟角度进行触觉生物力学研究，分析在不同形式载荷下手指的力学响应。静态载荷下，采用触觉表征参数分析喷嘴入口压力、喷嘴直径以及接触高度对手指内部力学响应的影响

3、，从而指导触觉接口的设计；动态载荷则分析了在阶跃载荷下手指蠕变特性和应力松弛特性，以及J下弦变化载荷下频率和振幅对手指力学响应的影响，为纹理再现打下基础。最后，从实验角度进行触觉生物力学研究，包括建立试验系统并与数值模拟结果进行对比。主要从手指受到的力以及手指的变形两个方面进行对比，手指的变形又包括变形轮廓、最大变形以及手指变形的时程响应。实验结果证明在触觉生物力学研究中非线性模型更为合理，以及流固耦合数值模拟的正确性。关键字：虚拟现实，触觉生物力学，触觉接VI，触觉再现，流固耦合硕士论文基于流周耦合的手指触觉生物力学研究Abstract

4、Virtualrealitytechnologyhasflourishedsince1990s，anditisaresearchhotspotatpresent．Invirtualrealitysystem，tactilesensesimulationanddisplayisallimportanttooltostrengthentherealisticsensationandconstructtheimmersion．Buttheintroductionoftactileinformationinvirtualsystemisnoten

5、oughnow，whichgreatlydecreasingtheimmersionandinteraction．Thetactileresearchfocusesontwoaspects：tactilebiomechanicsresearchandtactileinterfaceresearch．nleformermainlyresearchestactilemechanism，andthelattermainlyresearchestactiledisplay．nleresearchoftactilebiomechanicsishel

6、pfulforenhancingtheunderstandingoftactilemechanismandanalyzingthefactorshowtoinfluencetactilesense，whichisgreatlyusefultothedesignoftactileinterface．1fllispaperresearchestactilebiomechanicsbynumericalsimulationsandexperiments，mainlyincludingtheresponseoffingertipunderstat

7、icstimulusanddynamicstimulusbysinglenozzle，whichaimedtosupplybasisforthedesignoftactileinterfaceandlayfoundationsfordisplayingsurfacetexture．Firstly,basedoncurrentresearchstatusoftactilebiomechanics，three—dimensionallinearandnonlinearfiniteelementmodelsoffingertiparebuilt

8、fromgeometryandmaterialproperties，andfluidfiniteelementmodelofnozzleisbuilt．Meanwhile，basedonthe