基于生物力学的气动多触感动态再现技术基础研究

针对触觉接口设备再现物体表面属性时触感再现功能单一的问题，提出基于生物力学的气动多触感动态再现新技术。人的触觉感知属于动态感知范畴，因此应研究触觉的动态特性。与以往采用静态载荷不同，新技术以实际触觉接口的动态作用力为载荷，分析手指内部软组织的动态响应与触觉感知的关系，研究触觉感知的机理，这样得到的结果就可以直接应用于接口设备的设计。目前，气动触觉接口设备大多只能再现物体的表面形状，而新技术利用气动喷嘴依靠动态变化的压力再现物体的纹理、材质和滑动等触感，探索多种触觉感知的复合再现方法。通过分析外部机械刺激、力学响应和触觉感知三者之间的内在联系，研究压力动态变化的幅值和频率等参数与各种触觉的关系模型，分析影响手指动态感知的因素，建立评价和表征触觉动态再现逼真度的标准。根据上述研究建立一套真实、逼真的多触感动态再现系统，结合气动触觉接口设备的优点，期望推动其在虚拟装配、遥操作等领域的广泛应用。

目前，触觉再现的形式各种各样，但触感再现功能单一，只是选择性地再现物体表面某一种属性信息。人的触觉感知属于动态感知范畴，因此应研究触觉的动态特性。本项目针对气动喷嘴式触觉接口，在通过气动喷嘴阵列再现物体的表面形状研究基础上，以气动喷嘴接口的动态作用力为载荷，分析手指内部的动态响应，研究触觉感知的机理。考虑手指的几何结构以及皮肤组织的非线性材料属性，建立手指三维非线性模型和喷嘴的有限元模型，采用流固耦合方法，以应变能密度、手指变形作为表征参数，分析了手指在静态和动态载荷下的手指力学响应。针对单点和多点动态载荷，分析压力频率、振幅、载波、相位差、喷嘴直径和喷嘴间距等因素对手指动态响应的影响。建立了非接触式手指变形测量装置，并对手指在不同载荷下的手指变形进行了测量，从手指变形角度验证有限元分析结果的正确性。并在上述基础上，对线触觉和滑动觉的再现进行了实验研究，结果也表明通过合理的调节喷嘴结构参数和压力参数能很好的再现线触觉和滑动觉感受。通过本项目的研究可以推动气动触觉接口设备在虚拟装配、遥操作等领域的广泛应用。. 本项目按照研究计划完成了预定的目标，在研究期间发表录用6篇论文，授权1项发明专利，培养两名研究生。