• ISSN 0258-2724
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确定性纹理表面特征高度对皮肤摩擦感知的影响

刘陶峰 李一员 李炜 周仲荣

刘陶峰, 李一员, 李炜, 周仲荣. 确定性纹理表面特征高度对皮肤摩擦感知的影响[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(2): 372-378. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180038
引用本文: 刘陶峰, 李一员, 李炜, 周仲荣. 确定性纹理表面特征高度对皮肤摩擦感知的影响[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(2): 372-378. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180038
LIU Taofeng, LI Yiyuan, LI Wei, ZHOU Zhongrong. Influence of Surface Feature Height of Deterministic Texture on Tactile Perception of Fingertip[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(2): 372-378. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180038
Citation: LIU Taofeng, LI Yiyuan, LI Wei, ZHOU Zhongrong. Influence of Surface Feature Height of Deterministic Texture on Tactile Perception of Fingertip[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(2): 372-378. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180038

确定性纹理表面特征高度对皮肤摩擦感知的影响

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180038
基金项目: 国家自然科学基金项目(51675447,51290291,51175440)
详细信息
    作者简介:

    刘陶峰(1992—),男,助理工程师,研究方向为机械设计及理论,E-mail:ltf926266@163.com

    通讯作者:

    李炜(1969—),女,研究员,研究方向为生物摩擦学、材料科学工程,E-mail:liweijiani@home.swjtu.edu.cn

  • 中图分类号: V221.3

Influence of Surface Feature Height of Deterministic Texture on Tactile Perception of Fingertip

  • 摘要: 为了揭示人体触觉感知的基本机理和规律,首先通过机械物理学中的摩擦磨损分析,研究了确定性纹理表面特征高度对指尖皮肤摩擦行为的影响;其次通过心理学测试手段,得到与摩擦行为相关的认知成分P300的潜伏期与波幅;最后综合两者的测试结果,研究了指尖皮肤摩擦行为与触觉感知之间的关系. 研究结果表明:手指皮肤与粗糙度较大的确定性纹理表面摩擦接触时,摩擦力主要由黏着摩擦力、滞后摩擦力和互锁作用力组成;手指皮肤的触觉感知与摩擦作用有较强的相关性;表面织构粗糙度从0.1增加到0.4时,指尖皮肤变形量从2.356增加至2.941,手指皮肤变形造成的滞后摩擦与互锁作用越明显;纹理特征高度大的样本诱发的P300潜伏期小, 峰值大,感知明显,纹理特征高度小的样本与之相反,说明皮肤摩擦感知主要取决于与皮肤变形直接相关的滞后摩擦和互锁作用.

     

  • 图 1  确定性纹理(脊状特征)表面

    Figure 1.  Deterministic texture (ridge feature) surface schematic

    图 2  摩擦试验受试者试验场景与及手指连接装置

    Figure 2.  Experiment scene of a volunteer and finger connection device of Friction test

    图 3  脑电试验试验场景及电极分布

    Figure 3.  EEG test scene and electrode distribution

    图 4  法向载荷与摩擦力典型变化曲线

    Figure 4.  Typical changes of normal load and friction with displacement

    图 5  摩擦力、摩擦系数均值随样品织构高度的变化

    Figure 5.  Changes of average friction force and coefficient of friction with the texture height

    图 6  手指与脊状特征接触时的接触系数

    Figure 6.  Parameters of ridges in contact

    图 7  手指滑动过程中受力变形

    Figure 7.  Deformation of fingertip during sliding

    图 8  Oddball范式两种样品的波形

    Figure 8.  ERPs waves of two samples in Oddball mode

    图 9  P300的峰值与潜伏期

    Figure 9.  Latency and the amplitude of P300

    表  1  表面脊状特征几何参数

    Table  1.   Geometrical parameters of surfaces μm

    样本间距
    1 0 0 0
    2 3 200 200 100
    3 3 200 200 200
    4 3 200 200 300
    5 3 200 200 400
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    表  2  手指接触应力与接触情况

    Table  2.   Contact stress and contact conditions of finger tip and contact surface

    高度/mmp1/MPap2/MPa接触情况
    0.1 0.012 3 完全
    0.2 0.036 8 0.024 5 完全
    0.3 0.036 8 完全
    0.4 0.049 1 不完全
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    表  3  手指在压缩力为2 N(± 0.05 N)作用下接触各样品时产生的变形位移

    Table  3.   Displacement of each sample at compression force of 2 N (± 0.05 N) mm

    表面织构高度0.00.10.20.30.4
    手指变形2.058 ± 0.0972.356 ± 0.025 12.554 ± 0.1342.654 ± 0.0572.941 ± 0.072
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  • 曹建国,周建辉,缪存孝,等. 电子皮肤触觉传感器研究进展与发展趋势[J]. 哈尔滨工业大学学报,2017,49(1): 1-13. doi: 10.11918/j.issn.0367-6234.2017.01.001

    CAO Jianguo, ZHOU Jianhui, MIAO Cunxiao, et al. Research progress and development strategy on tactile sensors for e-skin[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2017, 49(1): 1-13. doi: 10.11918/j.issn.0367-6234.2017.01.001
    王其才,于伟东,陈克敏,等. 织物刺激的人体触觉感知及其大脑认知研究[J]. 国际医学放射学杂志,2014(4): 323-327. doi: 10.3874/j.issn.1674-1897.2014.04.Z0403

    WANG Qicai, YU Weidong, CHEN Kemin, et al. Fabric tactile perception and its brain functional research[J]. International Journal of Medical Radiology, 2014(4): 323-327. doi: 10.3874/j.issn.1674-1897.2014.04.Z0403
    BARNES C J, CHILDS T H C, HENSON B, et al. Surface finish and touch—a case study in a new human factors tribology[J]. Wear, 2004, 257(7/8): 740-750.
    MESSAOUD W B, BUENO M A, LEMAIRE-SEMAIL B. Relation between human perceived friction and finger friction characteristics[J]. Tribology International, 2016, 98: 261-269. doi: 10.1016/j.triboint.2016.02.031
    张冰玉. 手指皮肤摩擦感知功能研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2014.
    陈思,葛世荣,时晓露,等. 摩擦诱发的事件相关电位认知成分特征研究[J]. 摩擦学学报,2015,35(5): 538-542.

    CHEN Si, GE Shirong, Shi Xiaolu, et al. Perception component of event related potentials evoked by friction[J]. Tribology, 2015, 35(5): 538-542.
    MORLEY J W, GOODWIN A W, DARIAN-SMITH I. Tactile discrimination of gratings[J]. Experimental Brain Research, 1983, 49(2): 291-9.
    FAGIANI R, BARBIERI M. A contact mechanics interpretation of the duplex theory of tactile texture perception[J]. Tribology International, 2016, 101: 49-58. doi: 10.1016/j.triboint.2016.03.031
    JERRAMS S J. Friction and adhesion in rigid surface indentation of nitrile rubber[J]. Materials & Design, 2005, 26(3): 251-258.
    ADAMS M J, BRISCOE B J, JOHNSON S A. Friction and lubrication of human skin[J]. Tribology Letters, 2007, 26(3): 239-253. doi: 10.1007/s11249-007-9206-0
    JOHNSON K L, GREENWOOD J A, HIGGINSON J G. The contact of elastic regular wavy surfaces[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 1985, 27(6): 383-396. doi: 10.1016/0020-7403(85)90029-3
    MENGA N, PUTIGNANO C, CARBONE G, et al. The sliding contact of a rigid wavy surface with a viscoelastic half-space[J]. Proceedings of the Royal Society a Mathematical Physical & Engineering Science, 2014, 470: 20140392-1-20140392-16.
    DONCHIN E, ISREAL J B. Event-related potentials and psychological theory[J]. Progress in Brain Research, 1980, 54: 697-715. doi: 10.1016/S0079-6123(08)61692-1
    MAENO T, KOBAYASHI K, YAMAZAKI N. Relationship between the structure of human finger tissue and the location of tactile receptors[J]. JSME International Journal, 2008, 41(2): 56-73.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-16
  • 修回日期:  2018-03-13
  • 网络出版日期:  2018-05-22
  • 刊出日期:  2020-04-01

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