电触觉生物学模型及感知阈限研究.pdf

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1、学校代码：10286分类号：TH39密级：公开UDC：621学号：139324电触觉生物学模型及感知阈限研究研究生姓名：陈慧玲导师姓名：帅立国申请学位类别工学博士学位授予单位东南大学一级学科名称机械工程论文答辩日期2018年月日二级学科名称机械电子学位授予日期2018年月日答辩委员会主席评阅人2018年月日1博士学位论文电触觉生物学模型及感知阈限研究专业名称：机械电子工程研究生姓名：陈慧玲导师姓名:帅立国本论文获国家自然科学基金项目（61175069）资助。STUDYONBIOLOGICALMODELANDPERCEPTIONTHRESHOLDOFELECTROTACTILEST

2、IMULATIONADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctorofEngineeringBYHuilingChenSupervisedbyLiguoShuaiSchoolofMechanicalEngineeringSoutheastUniversityMay.2018东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学

3、或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司、万方数据电子出版社、北京万方数据股份有限公司有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括以电子信息形式刊登）论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布（包括以电子信息形式

4、刊登）授权东南大学研究生院办理。研究生签名：导师签名：日期：摘要摘要触觉显示借助外部刺激使人类通过肤觉感知类似视觉图文影像的信息，并可感知对象的色彩和纹理，是领域内的前沿和研究热点。电刺激是触觉显示中占据主导地位的技术方法和手段，与机械刺激、振动刺激、气动刺激、超声刺激和射流刺激等方式相比具有体积小、响应快、信息密度高且简单方便的优点，是感觉功能替代、康复治疗、智能假肢、远程操控、虚拟现实及游戏娱乐等领域最有前途的技术方法。电触觉生物学模型和适宜刺激实验研究是电刺激方法实现触觉显示功能的基础性问题，通过模型研究和实验分析等可以掌握触觉显示相关的生理特性和基础数据，从而为未来触觉

5、显示器的设计开发提供设计依据和基本准则，对未来触觉显示器的研制与开发具有重要价值。论文研究内容主要包括以下几个方面：1）电触觉感知机理及影响因素分析。外部刺激作用下的触觉感知过程包括“感”、“传”、“知”三个相对独立又紧密关联的阶段。电触觉的知觉形成过程非常复杂，电刺激不仅在“感”的阶段作用于触觉感受器诱发神经冲动，还会直接作用于“传”阶段的传输神经纤维，使得跨膜电位差产生变化，从而诱发冲动刺激，两者相互叠加，最终在大脑中央C区形成触觉感知。论文探讨了影响电触感觉的可能因素，分析认为电刺激最终的触觉知觉不仅受刺激电流、电极特性和接触方式的影响，而且还会受到皮肤特性和心理倾向等个体

6、因素的影响，另外，环境因素亦可能间接影响触感觉。论文研究了皮肤阻容效应，分析了稳态/非稳态接触条件下影响电触感觉的关键因素，为进一步的模型构建及实验研究提供了依据。2）非稳态条件下电触觉生物学模型研究。电触觉生物学模型包括皮肤模型、皮肤电极接触模型以及神经元传导模型。外部电流最终作用于触觉感受器及神经纤维的刺激响应关系与前两个模型的特性密切相关。非稳态接触条件下，外部输入的作用时间极短，模型机制极为复杂，输出呈现一定的不确定性。论文研究了非稳态接触方式下的皮肤电穿孔效应和电渗漏效应，发现电穿孔效应诱发的容性对超短时过程具有较大影响，在此基础上，构建了非稳态接触方式下的皮肤阻抗模型

7、，分析认为超短时过程的电压电流特性主要与真皮的电阻和表皮的电容有关。另外，有报告指出阳极刺激可能引发感觉漂移，论文采用神经元传导模型对该现象进行了研究，分析发现漂移位移与刺激深度的平方呈正相关，且与电极间距（分离电极）/绝缘层厚度（同心电极）呈负相关。3）电触觉应用开发研究。为开展实验研究，论文研制了一种阵列式电触觉刺激装置。研制过程中，提出了一种电极阵列动态扫描显示方法，即通过高速开关实现多触点准实时触觉刺激，另外，论文还提出了一种电触觉数据结构和文件格式，实现了触觉数据的文件