不同沟槽表面下手指摩擦学行为对触觉感知的影响

发布时间：2020-07-18 03:24

【摘要】：手指作为人体的主要触觉器官之一,在人类生活中发挥着重要的作用。人类通过手指滑动触摸来感知外部环境。在触摸过程中,会产生摩擦信号、振动信号、皮肤变形等变量,来帮助人体识别物体的详细信息。从摩擦学角度研究手指滑动触摸中这些变量的产生及其对触觉感知的影响,有利于进一步了解触觉感知的机理,完善人类对自身触觉系统的认知。本文在7种不同沟槽表面下进行了摩擦学感知试验。在触摸感知过程中,许多试验参数(如沟槽表面的几何尺寸、触摸部位、触摸方式、触摸速度及法向力等等)会影响志愿者的感知结果。通过分析上述试验参数对手指触觉感知的影响,解释了不同沟槽表面下的触觉感知差异。本研究的结果为感知表面纹理细节信息时,手指触觉感知的差异提供了一些可能的解释。这些发现也为揭示手指触觉感知机制提供了试验依据。主要结论如下:1.随着沟槽宽度的增加,摩擦力值的波动程度和手指皮肤的变形程度也随之增加。因此,手指触觉感知的准确性也随之得到提高。但摩擦力值的波动程度和手指皮肤的变形程度并未随着脊背宽度的增加而明显增加,故触觉感知的准确性在变脊背宽度组中未得到明显增强。并且,随着沟槽宽度和脊背宽度的增加,摩擦力值的单个波动周期时间也会随之增加,这可能会为提高手指触觉感知能力提供一定帮助。此外,振动振荡可能也是增强手指触觉感知的因素之一。2.指尖接触的触觉感知能力优于指腹接触的触觉感知能力。这主要是因为在指尖接触的情况下,出现了摩擦力值的剧烈波动与振动振荡。此外,在指尖接触试验样品时,手指皮肤在不同沟槽内的几个变形信号之间存在着显著差异。而在指腹接触下手指皮肤在不同沟槽内的几个变形信号都较为相似。因此,可以认为存在较大差异的皮肤变形信号可能会进一步提高触觉感知的准确性。3.与纵向触摸方式相比,横向触摸方式下摩擦力值的波动程度更为剧烈。这也为横向触摸方式的触觉感知能力优于纵向触摸方式的触觉感知能力提供了一种解释。由于手指皮肤侧向部位的高杨氏模量值,横向触摸方式会提高人体的振动觉,从而提高其触觉感知的准确性。此外,手指侧向部位更容易产生强烈的应力变化,增强手指皮肤的机械刺激强度,从而进一步提高手指触觉感知能力。4.提高触摸速度会减少感知时间,从而降低触觉感知的准确性。随着法向力的增加,摩擦力和振动加速度均会随之增加,从而提高触觉感知的准确性。但当法向力增至1.5 N之后,摩擦力值的波动程度基本无差异。因此,在法向力增至1.5 N后,其触觉感知的准确性增加不明显。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R339.11
【图文】：

末节,生理,触觉

西南交通大学硕士研究生学位论文第1页第1章绪论1.1手指触觉感知介绍人类通过触觉感受器官和感受器，来接收各种刺激的感受，再将其传入神经中枢（大脑皮层），从而产生不同的触觉感受[1-3]。触觉是指皮肤触觉感受器接收机械刺激之后所产生的感觉。皮肤作为人体的触觉器官，有着非常重要的地位。在触觉感知研究中，皮肤的摩擦学行为也得到了广泛的关注[4-6]。皮肤表面散布着大小不一的触点，且触点的分布也呈现出了不规则性。触点主要分布在手指、头部、背部和小腿等部位，其中手指分布触点最多，触觉也最灵敏[7]。日常生活中，手指触觉感知有着许多例子，如触摸织物并对其进行质感评价，触摸电子产品外壳对其进行舒适度评价并帮助其优化设计，盲文的阅读准确性优化及人性化设计等方面。因而手指触觉感知的研究具有重要的现实意义。1.1.1手指结构及生理特征手指具有十分复杂的生理结构，其指末节的生理解剖图参见图1-1[8]。手指末节从里到外主要由以下5种力学性能各异的组织结构所构成，分别为：指骨、皮下组织、真皮层、表皮层、指甲。图1-1指末节生理解剖图[8]指骨类属小型长骨，主要构成为：骨髓、骨膜以及骨质。其主要起到支撑作用，并为肌肉组织等提供依附。指骨具有较高的刚性，力学性能主要表现为线弹性。皮下

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西南交通大学硕士研究生学位论文第3页高度，表示动态粘滞度。此外，手指滑动接触粗糙表面所产生的变形力,defF，可由公式（1-3）得出：,def316aFF（1-3）式中，为粘弹性损失率，通过静态或动态压痕试验得出，其具体值大致为0.24~0.27。如图1-2所示，表示物体表面压入皮肤的深度，a表示手指与物体实际接触面积的半径。当物体表面足够光滑时，变形力即可忽略不计。图1-2手指在物体表面滑动接触示意图[11]1.1.3手指触觉感知机制人类使用手指触摸感知物体信息时，主要采取触摸滑动的方式。如图1-3所示，当手指在被感知物体上触摸滑动时，手指皮肤会受到拉扯或挤压，继而刺激皮肤深处的机械刺激感受器产生相应的动作电位，再通过神经系统将其传递到大脑，人类就会接受到物体表面的信息（粗糙度、纹理、温度及湿度等），并对其进行初步判断[12-16]。当需要进一步准确感知物体表面的具体信息时，人类又会去调整法向力，触摸速度及触摸部位等，以达到获取更多或更准确的物体信息的目的。在整个触摸感知过程中，机械刺激感受器起到了相对重要的作用。研究表明，人类一共具有4种形态不一的机械刺激感受器，它们分别是：帕西尼氏小体（Paciniancorpuscle）、鲁菲尼氏终末（Ruffiniending）、梅克尔氏小盘（Merkel’sdisk）、梅斯纳氏小体（Meissner’scorpuscle）[17,18]，机械刺激感受器位于皮肤的表皮层及真皮层等处。各个感受器的具体位置及其具体感知频率范围参见图1-3所示。

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西南交通大学硕士研究生学位论文第4页图1-3触觉感知过程示意图[12]帕西尼氏小体，又称环层小体，呈椭圆形，类属快速适应性感受体（RapidlyAdaptingtypeⅡ），其感知不断变化的温度和压力时相对敏锐。类属慢速适应性感受体（SlowlyAdaptingtypeⅡ）的鲁菲尼氏终末，可感知关节处的皮肤变化状态，其主要对于横向拉伸较敏感，而对于纵向压缩基本无反应，其外观形态为长梭状。梅克尔氏小盘，由细胞和神经末梢构成，类属慢速适应性感受体（SlowlyAdaptingtypeⅠ），其对感知空间属性（如物体表面纹理）和材料属性（如丝滑度）较为敏感。梅斯纳氏小体的外观形态为桑椹状，总长度约90~120um，类属快速适应性感受体（RapidlyAdaptingtypeⅠ），最能感知到变速运动和压缩变形等刺激反应[19-22]。1.2手指触觉感知研究现状介绍手指滑动触摸是手指的主要触觉感知方式。人类如何通过手指滑动触摸来感知物体信息，这一研究课题引起了研究人员的兴趣[23-25]。迄今为止，为探索手指触觉感知的机制，国内外研究人员[8,26,27]对手指接触摩擦进行了深入的研究，为后续的研究奠定了一定的理论基矗随着研究的深入，研究人员开始探索手指触觉感知的机制[12,25]。此外，研究手指触觉感知对于一些实际应用也有一定帮助，例如仿生手指的研究[28-31]。

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