基于流固耦合的指端射流触觉机理研究

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触觉显示系统是虚拟现实技术的研究重点,当在虚拟装配、虚拟手术、遥机器人、动漫触觉等应用中需要感知对物体的抓握状态和材质等信息时,触觉显示系统是必不可少的选择,而触觉信息的引入可以增强触觉显示系统的真实感,营造良好的沉浸效果。作为一种新型触觉显示技术,射流触觉能够重现接触物体时产生的粗糙度,纹理,表面轮廓等信息,且具有温和舒适,易于形成多维度融合刺激等特点,但在系统模型研究方面很不充分,在射流场及能量流方面的研究非常初步,对射流与皮肤之间的相互作用机理及模型等尚未展开深入研究,而建立正确的触觉研究模型和确定表征触觉显示的特征参数是触觉显示技术的基础,也是射流触觉显示系统的设计和纹理再现研究的依据。因此,本文通过建立手指和射流场有限元模型,以及射流触觉有效表征参数,从数值模拟和射流触觉实验两方面对射流触觉进行研究,从而为射流触觉显示系统的设计提供依据,并为纹理再现打下基础。  本文首先从几何结构和物理属性入手建立准二维非线性手指模型和射流喷嘴流体模型,并根据前人的指端在体力学实验对模型进行验证。根据实际的射流触觉显示系统工作原理,采用流固耦合方法,选择ANSYS Workbench中System Coupling作为耦合平台,对静态和动态射流载荷采取不同的耦合控制策略,并对射流与指端耦合结果进行分析,建立射流触觉表征参数。  然后从数值模拟方面进行射流触觉生物力学研究,主要对静态射流载荷、阶跃载荷和正弦变化射流载荷作用下指端的力学响应进行分析。在此研究基础上,建立多喷嘴阵列射流触觉模型,包括三维非线性手指模型和多阵列喷嘴流场模型,初步探讨阵列射流作用下手指内部生物力学响应,以及阵列射流触觉与线触觉再现和面触觉再现的关系。  最后通过在体射流触觉实验,对比数值模拟结果,验证了本文指端触觉生物力学有限元模型的合理性,以及本文所采用的射流触觉模型的正确性及方法的可行性;通过测量不同人频率变化阈值和手指变形,说明射流触觉在不同个体之间的差异性。
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