CN112417735B - 一种指尖皮肤表面接触特性的有限元分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种指尖皮肤表面接触特性的有限元分析方法及系统，其包括：建立指尖和样本的二维模型；对指尖二维模型和样本二维模型进行网格划分；对于指尖几何模型和样本几何模型进行属性设置；设置装配体；设置相互作用；设置分析步及输出；设置样本在x、y方向位移为零，绕x轴、y轴转动为零，指骨在x方向位移为零，绕x轴、y轴转动为零，指骨在y方向的位移为‑2mm；建立运算，得到指尖横、纵截面接触样本横、纵截面的宽度和接触长度随分析步变化的数据；采用接触力与接触位移的关系进行模型的验证；分析指尖与确定性纹理表面的接触特性。本发明能有效避免接触纹理的随机性，简化研究问题。

Description

一种指尖皮肤表面接触特性的有限元分析方法及系统

技术领域

本发明涉及一种手指摩擦试验领域，特别是关于一种指尖皮肤表面接触特性的有限元分析方法及系统。

背景技术

当手指与外界物体接触并产生相对运动时，皮肤产生压缩、拉伸等机械变形，诱发位于皮肤深层的机械刺激感受器产生相应的动作电位，这种包含物体表面物理特性的脉冲信号通过神经系统传递到脑部的大脑皮层，从而产生触觉，来感知外界的软硬度、几何形状、表面纹理等物理几何特性。研究皮肤触觉的内部机理及其组织在机械刺激下的相应作用和组织材料特性对于认识触觉感知的产生和传递具有重要意义。由于无法直接测量皮肤内部组织应变受力情况以及相互作用等原因，建立手指模型仍是触觉研究的主要手段。

由于手指复杂的生理结构特性和力学特性，以及被接触对象表面的随机性，指尖具有几何非线性、材料非线性、涉及到大变形的复杂接触问题。当前关于指尖接触行为的有限元分析多是将非线性问题简化为线性问题，如指尖的材料属性和几何属性，以及接触对象，不能准确而详尽地描述人指尖的机械行为。

一些有限元分析方法(陈思,乔筱祺,李天博,王颢,杨佳楠,王冬青.基于SPH-FEM手指模型的皮肤摩擦行为分析[J].排灌机械工程学报,2019,37(12):1067-1071.)将人类手指多层非均匀的非线性材料属性简化为多层线性材料属性，且将手指的几何模型简化为六面体，仅可用于探究各层组织能量变化趋势，无法得出准确的应力、应变情况；一些学者(Wang,Zhongkui；Wang,Lijuan；Van Anh Ho.A 3-D Nonhomogeneous FE Model of HumanFingertip Based on MRI Measurements[J].IEEE Transactions on Instrumentationand Measurement.2012,Vol.61(No.12)：3147-3157.)建立了具有真实几何尺寸的手指的三维非均匀有限元模型，并通过成功重现人类指尖的力松弛行为，然而，并未将真皮层与皮下组织层分开建模，不能反映手指真实的变形情况，且由于三维模型的单元数目过多，导致模型运行时间过长，仿真造价昂贵；有些学者(Jiyong Hu；Ding Xin；RubinWang.Dependence of Tactile Sensation on Deformations within Soft Tissues ofFingertip[J].World Journal of Modelling and Simulation.2007,Vol.3(No.1))建立了指尖的横截面多层非均匀有限元模型，对手指按压平板的接触过程进行了静态模拟，但并未探究纹理表面对手指变形的影响。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种指尖皮肤表面接触特性的有限元分析方法及系统，其有效避免了接触纹理的随机性，简化了研究问题。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种指尖皮肤表面接触特性的有限元分析方法，其包括：步骤S1、建立指尖和样本的二维模型；步骤S2、对指尖二维模型和样本二维模型进行网格划分；步骤S3、对于指尖几何模型和样本几何模型进行属性设置；步骤S4、设置装配体；步骤S5、设置相互作用；步骤S6、设置分析步及输出；步骤S7、设置样本在x、y方向位移为零，绕x轴、y轴转动为零，指骨在x方向位移为零，绕x轴、y轴转动为零，指骨在y方向的位移为-2mm；步骤S8、建立运算，得到指尖横、纵截面接触样本横、纵截面的宽度和接触长度随分析步变化的数据；步骤S9、采用接触力与接触位移的关系进行模型的验证；步骤S10、分析指尖与确定性纹理表面的接触特性。

进一步，所述指尖二维模型包括指尖横截面模型和指尖纵截面模型；所述指尖纵截面模型采用扇形几何形状。

进一步，所述指尖纵截面模型为从指骨的下半部分到指尖的表皮层，从指腹与指尖的交界处开始到指尖的末端逐渐变薄，结合指尖的真实形状将其几何形状进行简化，将指骨上边界的弧线设置为圆弧，表皮层的下边界的弧线设置为椭圆弧，两条弧线的弧度一致。

进一步，所述指尖横截面模型切割方法为：按照组织层厚度采用不同尺寸的椭圆切割线对指尖横截面的整体模型进行切割，且保证指骨以上软组织层的厚度比指骨以下的小，指甲用两条直线切割线完成。

进一步，所述步骤S2中，对指尖横、纵截面模型以及样本的纵截面模型设置边上种子，选择设定边上的单元数目，划分网格过程中要保证指尖与样本的接触面的最小单元边长为预先设定值；并对样本纵截面模型设置全局种子，设置边上的单元大小为预先设定值。

进一步，所述步骤S4中，指尖横截面模型与样本横截面模型装配，指尖纵截面模型与样本纵截面模型装配，使指尖离样本表面最近的距离为0；纵截面模型中，指尖与样本呈30°夹角。

进一步，所述步骤S5中，首先设置相互作用属性，类型为接触，选择切向行为：假设硬质物体与指尖表面的接触交互作用满足库仑摩擦定律，假设静态摩擦系数为0.3。

进一步，所述步骤S6中，将触压过程处理成静态变形，忽略指尖质量在触压过程中的惯性效应，指尖和样本的横、纵截面模型均选择Static,General分析步类型，将Nlgeom的状态设置为on，场输出和历史输出选择所需变量。

进一步，所述步骤S10中，绘制接触宽度和长度随位移载荷变化的规律曲线；其中，接触宽度指的是指尖横截面与样本横截面的接触区域的长度，接触长度值是指尖纵截面与样本纵截面的接触区域的长度，经接触宽度和接触长度随分析步变化的数据，找到位移载荷对应的分析步节点，得到对应位移载荷处的接触宽度和接触长度，将位移载荷作为横坐标，接触宽度和接触长度分别作为纵坐标，绘制接触宽度和长度随位移载荷变化的规律曲线；由该规律曲线可知：指尖组织对力刺激的敏感度随力的增大逐渐降低，反应为变形程度的增长率会减缓。

一种指尖皮肤表面接触特性的有限元分析系统，其包括：模型建立模块、网格划分模块、属性设置模块、装配模块、相互作用模块、分析步模块、条件设置模块、运算模块、验证模块和最终分析模块；

所述模型建立模块用于建立指尖和样本的二维模型；

所述网格划分模块用于对指尖二维模型和样本二维模型进行网格划分；

所述属性设置模块对于指尖几何模型和样本几何模型进行属性设置；

所述装配模块用于设置装配体；

所述相互作用模块用于设置相互作用；

所述分析步模块设置分析步及输出；

所述条件设置模块用于设置样本在x、y方向位移为零，绕x轴、y轴转动为零，指骨在x方向位移为零，绕x轴、y轴转动为零，指骨在y方向的位移为-2mm；

所述运算模块用于建立运算，得到指尖横、纵截面接触样本横、纵截面的宽度和接触长度随分析步变化的数据；

所述验证模块采用接触力与接触位移的关系进行模型的验证；

所述最终分析模块用于分析指尖与确定性纹理表面的接触特性。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的指尖模型设置为多层复杂生理结构，每一层依据前人的电生理试验数据设置了材料属性，将超、粘弹属性也考虑其中，指尖的结构和材料更接近人类指尖的真实情况。2、本发明的样本纹理设置为表面均匀分布着横截面为矩形的脊，避免了接触纹理的随机性，通过改变脊的宽度、间距等对纹理进行定量的设计，有利于探究纹理尺寸对接触特性的影响。3、由于现有的研究大部分是对指尖皮肤按压平板的过程进行静态仿真，本发明将接触对象换成了确定性纹理表面，仿真计算的难度更大，为更复杂的接触问题提供了技术支持。4、本发明分别建立了指尖的横、纵截面两个二维模型，通过对两个模型结果的结合和比较，一方面是可以更全面地分析指尖与确定性纹理的接触特性，另一方面相较于建立指尖的三维模型，可以大量缩短仿真的计算时间。5、本发明结合前人的电生理实验数据和理论计算结果，对指尖模型进行了验证，保证结论的可靠性。

附图说明

图1是创建指尖和样本部件的示意图。

图2是指尖和样本网格划分示意图。

图3是指尖/样本系统装配体(含接触面设置)示意图。

图4是指尖/样本系统边界条件设置示意图。

图5a是指尖皮肤接触力随位移载荷(指骨下移量)的指尖/样本系统横截面模拟结果示意图。

图5b是指尖皮肤接触力随位移载荷(指骨下移量)的指尖/样本系统纵截面模拟结果示意图。

图6a是接触宽度随位移载荷(指骨下移量)的变化图。

图6b是接触长度随位移载荷(指骨下移量)的变化图。

图7a是指尖横截面的接触压力空间分布图。

图7b是指尖纵截面的接触压力空间分布图。

图8a是选取指尖横截面节点组Path H1示意图。

图8b是选取指尖纵截面节点组Path Z1示意图。

图9a是指尖横截面组PathH1真皮层的应力变化曲线图。

图9b是指尖纵截面组Path Z1真皮层的应力变化曲线图。

图9c是指尖横截面组Path H1真皮层的应变变化曲线图。

图9d是指尖纵截面组Path Z1真皮层的应变变化曲线图。

图10a是指尖横截面组Path H2真皮层的的应变能密度变化图。

图10b是指尖纵截面组Path Z2真皮层的的应变能密度变化图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提供一种指尖皮肤表面接触特性的有限元分析方法，该方法为求解指尖皮肤按压确定性纹理表面的静态响应，采用ABAQUS/Standard作为分析工具。本发明具体包括以下步骤：

步骤S1、建立指尖和样本的二维模型；

指尖二维模型包括指尖横截面模型和指尖纵截面模型；其中，指尖横截面模型采用已有模型即可，指尖纵截面模型采用扇形几何形状。

指尖纵截面模型为从指骨的下半部分到指尖的表皮层，由于指尖部分指骨到表皮层的之间的组织层厚度并非均匀的，从指腹与指尖的交界处开始到指尖的末端逐渐变薄，结合指尖的真实形状将其几何形状进行简化，将指骨上边界的弧线设置为圆弧，表皮层的下边界的弧线设置为椭圆弧，两条弧线的弧度一致，为节约仿真的运算成本，弧度的设置为在保证模型运算收敛且结果合理的情况下尽量小，各组织层厚度可参考现有文献。

如图1所示，分别绘制指尖和样本的几何形状，采用mm对应的量纲系统。所建立的指尖有限元模型以成年男性食指为原型，忽略了中间乳突和表皮突的形态结构，横截面的椭圆外围轮廓长轴和短轴的尺寸设置，以及内嵌指骨的长短轴的尺寸设置均来源于成年男子右手食指的解剖数据,指骨上下组织呈不对称分布，靠近指掌一侧较厚。为简化研究问题，在本实施例中只建立了部分指尖纵截面的二维模型。此外，样本也根据其横纵、截面分别建立了二维模型，只有在纵截面角度才能看到样本的脊状纹理。样本的确定性纹理体现在样本表面均匀分布着截面为矩形的脊，从样本纵截面的几何形状上可看出，脊的边角经过倒角处理，目的是尽量避免接触过程中发生样本的尖角穿透指尖的接触表面的问题，样本脊的尺寸设计符合前人的试验研究的经验取值范围。

如图1所示，指尖是由多层不同材料属性的生物体(包括表皮、真皮、皮下组织、指骨和指甲)组成的复合组织，对前述指尖的横、纵截面模型进行切割(例如采用PartitionFace:Sketch方法进行切割)，切割方法为：关于指尖横截面模型，按照组织层厚度采用不同尺寸的椭圆切割线对指尖横截面的整体模型进行切割，且保证指骨以上软组织层的厚度比指骨以下的小，指甲用两条直线切割线完成；切割后每一个区为不同材料的组织层，仿真过程中假设各层之间完全粘结，即任意两层界面上所有节点的自由度、运动规律和机械响应一样。

指尖横截面模型切割完成后实现了对指尖横截面不同组织层的分割，但还是无法满足使用结构化网格技术的要求，增加指尖横截面中Partition face-5和Partitionface-6切割线将指尖的指骨和软组织层分割成对称的两部分可以满足使用结构化网格技术的要求。指尖纵截面的切割方法与横截面相似，只是将模型按不同组织层分割的切割线为椭圆弧，且无需添加其他的分割就可达到使用结构化网格技术的要求。

此外，样本横截面的几何形状较简单，无需分区，而样本纵截面的几何形状较为复杂，样本的接触面(本发明中只有脊的上表面会与指尖接触)相较于其他部分的网格要更精细，所以将样本的脊以及与脊相连接的部分分割出来，又因为脊上倒角的设置，要用四边形划分网格还需将倒角所在部分分割出来，才能实现用结构化网格技术划分网格的要求。

步骤S2、对指尖二维模型和样本二维模型进行网格划分；

如图2所示，为绘制规格网格，需精准布置网格种子，在本实施例中，对指尖横、纵截面模型以及样本的纵截面模型设置边上种子(edge seed)，选择设定边上的单元数目(Edge by number),为保证具有足够的分辨率(人指尖两点辨别阈值为0.5mm)，划分网格过程中要保证指尖与样本的接触面的最小单元边长为预先设定值，优选约为0.05mm。此外，对样本纵截面模型设置全局种子(global seed)，设置边上的单元大小((Edge by size)为预先设定值，优选为0.5mm。

根据前人的经验，选择以四边形平面应变单元对指尖的横、纵截面模型划分网格，因为指尖二维模型涉及到几种不同的非线性材料，故要勾选杂交元(Hybridformulation)，具体单元类型为CPE4RH。此外，样本二维模型的单元类型为CPS4R。

指尖与样本二维模型的单元形状选择四边形(Quad)，网格划分技术选择结构化网格(Structured)，算法采用已有的Medial axis。

划分网格，并检验网格质量，保证网格无错误、尽量避免警告。由于样本模型的材料属性仅为线弹性且其弹性模量远大于指尖软组织，本实施例中主要侧重于探究指尖模型的变形分布特征，因为保证求解精度的同时还要考虑节省仿真计算成本，故设置指尖二维模型的网格密度较样本二维模型更为精密。

步骤S3、对于指尖几何模型和样本几何模型进行属性设置；

表皮层力学行为表现为超弹性变形，真皮层和皮下组织层均为线性粘弹性体，由于指尖软组织是几乎不可压缩的弹性体，可采用Ogden非线性弹性变形能密度公式来模拟其超弹性变形行为，材料类型选择各向同性，模量时间尺度(用于粘弹性)为瞬时，粘弹性设置中采用时域的prony指数形式模拟指尖软组织的应力松弛行为，按照表1设置指尖和样本模型的材料属性，其中指尖的材料参数来源于前人公开发表的电生理试验数据，样本选择光敏树脂材料。

表1样本和指尖的材料属性

步骤S4、设置装配体；

如图3所示，指尖横截面模型与样本横截面模型装配，指尖纵截面模型与样本纵截面模型装配，使指尖离样本表面最近的距离为0，其中纵截面模型中，指尖与样本呈30°夹角。

步骤S5、设置相互作用；

首先设置相互作用属性，类型为接触，选择切向行为：假设硬质物体与指尖表面的接触交互作用满足库仑摩擦定律，根据前人的文献，假设静态摩擦系数为0.3。

为使计算更容易收敛，相互作用类型选择Surface-surface contact(Standard)，由于样本的表面刚性远大于指尖表面，且其网格更粗糙，所以选择样本表面为主面，指尖表面为从面，如图3所示。此外，在整个触压过程的模拟中，接触界面之间允许发生有限滑移。

步骤S6、设置分析步及输出；

由于触压过程相对较慢，本实施例中将触压过程处理成静态变形，忽略指尖质量在触压过程中的惯性效应，指尖和样本的横、纵截面模型均选择Static,General分析步类型，因本发明中分析模型涉及大变形，属于几何非线性问题的范畴，故需将Nlgeom的状态设置为on，场输出和历史输出选择所需变量，指尖的位移、接触力、接触面积、应变能密度和应力应变等变量。

步骤S7、设置边界条件；

在整个仿真过程中，载荷施加在指骨上，本实施例中将指骨的下移量称作位移载荷。设置样本在x、y方向位移为零，绕x轴、y轴转动为零，指骨在x方向位移为零，绕x轴、y轴转动为零，指骨在y方向的位移为-2mm，其幅值曲线如图4所示，为尽量避免位移加载给接触带来的冲击，幅值曲线的类型选择为Smooth step，曲线的横纵坐标分别表示Step time(1.0)和y方向位移值(-2mm)的占比，即指骨在整个分析步时长的0.25、0.5、0.75和1.0分别下移0.5mm、1.0mm、1.5mm和2.0mm。

步骤S8、建立运算，得到指尖横、纵截面接触样本横、纵截面的宽度和接触长度随分析步变化的数据：

将指尖横截面触压样本横截面的过程以及指尖纵截面触压样本纵截面的过程分别建立相应运算，使对其接触过程中的应力应变等结果按上述步骤S6设置的分析步输出并保存，这个过程中如果上述设置出现错误，则运算自动停止，根据错误或警告提示对模型进行修改，如果运算过程中发生不收敛的现象，即迭代过程中步长小于其最小分析步长设置，运算也会自动停止，则需要修正模型设置，重新运算，直到模型收敛，运算完成。

步骤S9、验证模型：

根据现有指尖有限元模型的模拟结果与公开发表的实验数据相比较以验证模型的可靠性，本实施例中采用接触力与接触位移的关系进行模型的验证。图8a、图8b为指尖与样品表面接触过程中，接触力随位移载荷的变化图，这里的位移载荷指的是指骨下移的位移值，指尖与脊状特征表面接触过程中，接触力随法向载荷的增大逐渐增大，且增长的速率也逐渐增大，如图5a、图5b所示，当△Y1＝△Y2时，△X1>△X2，这是由于指尖的软组织在初始阶段对接触力的变化较为敏感，而随着接触力的增大，这种敏感度逐渐降低，指尖变形量的增长逐渐减缓。其中，Y1为对应指骨下移量为X1处指尖所受接触力，同理，Y2为对应指骨下移量为X2处指尖所受接触力。

上述模拟结果与已公开发表的实验数据和前人所做的手指模型的仿真结果在变化趋势上具有一致性，从生物力学方面证实了本发明建立的指尖有限元模型可用于探究和分析指尖接触脊状特征表面过程中的变形分布特征。

步骤S10、分析指尖与确定性纹理表面的接触特性；

如图6a、图6b所示，绘制接触宽度和长度随位移载荷变化的规律曲线。其中，接触宽度指的是指尖横截面与样本横截面的接触区域的长度，接触长度值是指尖纵截面与样本纵截面的接触区域的长度，经步骤8)中的运算完成后，可得到接触宽度和接触长度随分析步变化的数据，找到位移载荷对应的分析步节点，即可得到对应位移载荷处(指骨下移量)的接触宽度和接触长度，将位移载荷作为横坐标，接触宽度和接触长度分别作为纵坐标，绘制接触宽度和长度随位移载荷变化的规律曲线。由该规律曲线可知：指尖组织对力刺激的敏感度随力的增大逐渐降低，反应为变形程度的增长率会减缓。

指尖接触压力的空间分布如图7a、图7b所示，接触中心点的接触压力值最大，向边缘逐渐减小，且随位移载荷的增大而增大，这种分布有利于增强指尖内部机械感受器的激活程度，使人类的触觉感知更强烈。

如图8a、图8b所示，本实施例选取指尖横截面对称轴上的节点组PathH1和纵截面上节点组PathZ1进行应力应变的分析研究，如图9a～图9d所示，指尖的应力应变集中于软组织处，应力应变值随位移载荷的增大而增大，且在真皮层与其他组织层的交界处产生突变，突变的差值也会随位移载荷的增大而增大，机械感受器集中分布在指尖的真皮层，且密集地镶嵌在真皮层与其他组织层的交界处，应力应变的分布以及随法向载荷的变化规律有利于机械感受器迅速捕捉到微小的机械变形信息，提高触觉感知的灵敏度。

如图8a、图8b所示，本实施例选取指尖横截面对称轴上的节点组PathH2和纵截面上节点组PathZ2进行应变能密度的分析研究，节点组分布在真皮层，原因是指尖皮肤的机械刺激感受器均分布在真皮层，且密集的镶嵌在真皮层与其他组织层的交界处。如图10a、图10b所示，指尖真皮层的应变能密度随位移载荷的增大而增大，由于应变能密度与电生理试验得到的SAI感受体的诱发放电率具有高度的一致性，所以增大位移载荷会增大机械感受器的诱发放电率，提高触觉感知的准确度。

本发明还提供一种指尖皮肤表面接触特性的有限元分析系统，其包括：模型建立模块、网格划分模块、属性设置模块、装配模块、相互作用模块、分析步模块、条件设置模块、运算模块、验证模块和最终分析模块；

模型建立模块用于建立指尖和样本的二维模型；

网格划分模块用于对指尖二维模型和样本二维模型进行网格划分；

属性设置模块对于指尖几何模型和样本几何模型进行属性设置；

装配模块用于设置装配体；

相互作用模块用于设置相互作用；

分析步模块设置分析步及输出；

条件设置模块用于设置样本在x、y方向位移为零，绕x轴、y轴转动为零，指骨在x方向位移为零，绕x轴、y轴转动为零，指骨在y方向的位移为-2mm；

运算模块用于建立运算，得到指尖横、纵截面接触样本横、纵截面的宽度和接触长度随分析步变化的数据；

验证模块采用接触力与接触位移的关系进行模型的验证；

最终分析模块用于分析指尖与确定性纹理表面的接触特性。

综上，本发明基于人类手指的力学特性，应用专业分析高度非线性问题的ABAQUS软件分别建立了人类指尖的横截面和纵截面的多层非均匀有限元模型，其中横截面分为表皮层、真皮层、皮下组织、指骨、指甲五部分，在材料上更接近人类手指的真实情况；纵截面分为指骨、皮下组织、真皮层、表皮层四部分。从横、纵两个截面角度分析接触特性的目的是既可以全面分析手指的变形情况，相较于建立三维模型，又缩短了仿真的计算时间，通过分析接触过程中指尖皮肤力与位移的接触关系，结合前人的电生理试验结果验证模型的可靠性；接触对象表面确定性纹理指的是样本表面均匀分布的截面为矩形的脊，避免了接触纹理的随机性，简化研究问题，静态模拟了指尖接触确定性纹理的过程中皮肤的大变形情况，在此基础上探究不同位移载荷对指尖软组织中接触力、接触面积、接触压力的空间分布，应变能密度分布、应力和应变分布特征的影响，即指尖皮肤的接触特性。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (7)

1.一种指尖皮肤表面接触特性的有限元分析方法，其特征在于包括：

步骤S1、建立指尖和样本的二维模型；

步骤S2、对指尖二维模型和样本二维模型进行网格划分；

步骤S3、对于指尖几何模型和样本几何模型进行属性设置；

步骤S4、设置装配体；

步骤S5、设置相互作用；

步骤S6、设置分析步及输出；

步骤S7、设置样本在x、y方向位移为零，绕x轴、y轴转动为零，指骨在x方向位移为零，指骨在y方向的位移为-2mm；

步骤S8、建立运算，得到指尖横、纵截面接触样本横、纵截面的宽度和接触长度随分析步变化的数据；

步骤S9、采用接触力与接触位移的关系进行模型的验证；

步骤S10、分析指尖与确定性纹理表面的接触特性；

所述步骤S4中，指尖横截面模型与样本横截面模型装配，指尖纵截面模型与样本纵截面模型装配，使指尖离样本表面最近的距离为0；纵截面模型中，指尖与样本呈30°夹角；

所述步骤S5中，首先设置相互作用属性，类型为接触，选择切向行为：硬质物体与指尖表面的接触交互作用满足库仑摩擦定律，静态摩擦系数为0.3；

所述步骤S6中，将触压过程处理成静态变形，忽略指尖质量在触压过程中的惯性效应，指尖和样本的横、纵截面模型均选择Static,General分析步类型，将Nlgeom的状态设置为on，场输出和历史输出选择所需变量。

2.如权利要求1所述分析方法，其特征在于，所述指尖二维模型包括指尖横截面模型和指尖纵截面模型；所述指尖纵截面模型采用扇形几何形状。

3.如权利要求2所述分析方法，其特征在于，所述指尖纵截面模型为从指骨的下半部分到指尖的表皮层，从指腹与指尖的交界处开始到指尖的末端逐渐变薄，结合指尖的真实形状将其几何形状进行简化，将指骨上边界的弧线设置为圆弧，表皮层的下边界的弧线设置为椭圆弧，两条弧线的弧度一致。

4.如权利要求2所述分析方法，其特征在于，所述指尖横截面模型切割方法为：按照组织层厚度采用不同尺寸的椭圆切割线对指尖横截面的整体模型进行切割，且保证指骨以上软组织层的厚度比指骨以下的小，指甲用两条直线切割线完成。

5.如权利要求1所述分析方法，其特征在于，所述步骤S2中，对指尖横、纵截面模型以及样本的纵截面模型设置边上种子，选择设定边上的单元数目，划分网格过程中要保证指尖与样本的接触面的最小单元边长为预先设定值；并对样本纵截面模型设置全局种子，设置边上的单元大小为预先设定值。

6.如权利要求1所述分析方法，其特征在于，所述步骤S10中，绘制接触宽度和长度随位移载荷变化的规律曲线；其中，接触宽度指的是指尖横截面与样本横截面的接触区域的长度，接触长度值是指尖纵截面与样本纵截面的接触区域的长度，经接触宽度和接触长度随分析步变化的数据，找到位移载荷对应的分析步节点，得到对应位移载荷处的接触宽度和接触长度，将位移载荷作为横坐标，接触宽度和接触长度分别作为纵坐标，绘制接触宽度和长度随位移载荷变化的规律曲线；由该规律曲线可知：指尖组织对力刺激的敏感度随力的增大逐渐降低，反应为变形程度的增长率会减缓。

7.一种指尖皮肤表面接触特性的有限元分析系统，其特征在于包括：模型建立模块、网格划分模块、属性设置模块、装配模块、相互作用模块、分析步模块、条件设置模块、运算模块、验证模块和最终分析模块；

所述模型建立模块用于建立指尖和样本的二维模型；

所述网格划分模块用于对指尖二维模型和样本二维模型进行网格划分；

所述属性设置模块对于指尖几何模型和样本几何模型进行属性设置；

所述装配模块用于设置装配体；

所述相互作用模块用于设置相互作用；

所述分析步模块设置分析步及输出；

所述条件设置模块用于设置样本在x、y方向位移为零，绕x轴、y轴转动为零，指骨在x方向位移为零，指骨在y方向的位移为-2mm；

所述运算模块用于建立运算，得到指尖横、纵截面接触样本横、纵截面的宽度和接触长度随分析步变化的数据；

所述验证模块采用接触力与接触位移的关系进行模型的验证；

所述最终分析模块用于分析指尖与确定性纹理表面的接触特性；

所述装配模块中，指尖横截面模型与样本横截面模型装配，指尖纵截面模型与样本纵截面模型装配，使指尖离样本表面最近的距离为0；纵截面模型中，指尖与样本呈30°夹角；

所述相互作用模块中，首先设置相互作用属性，类型为接触，选择切向行为：硬质物体与指尖表面的接触交互作用满足库仑摩擦定律，静态摩擦系数为0.3；

所述分析步模块中，将触压过程处理成静态变形，忽略指尖质量在触压过程中的惯性效应，指尖和样本的横、纵截面模型均选择Static,General分析步类型，将Nlgeom的状态设置为on，场输出和历史输出选择所需变量。

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