Effect of finger orientation on contact stiffness and area during sliding on a smooth surface

Abstract

Earlier experimental studies showed that the apparent contact area of human fingerpad shrinks and eventually reaches a steady-state value as it slides on a smooth surface, although the root causes of this reduction have not been fully understood yet. We hypothesize that finger rotation about its axial axis and the movement direction play critical roles in the area change. To test this hypothesis, we conducted an experimental study to investigate the evolution of apparent contact area between human fingerpad and a smooth flat surface under normal loading (stationary finger) and combined loading (sliding finger) conditions for 4 different internal rotations of the index finger (away from the second finger) about its axial (longitudinal) axis and 2 different sliding directions. Our results show a reduction in the contact area for radial sliding as expected, but a surprising increase in the ulnar direction for the higher finger rotations. We argue that this asymmetric behavior in contact area evolution stems from the changes in the equivalent radius of curvature and stiffening of the finger as the rotation angle increases, which manifests itself as the asymmetric stress distribution at the leading and trailing edges of the fingerpad in our finite element simulations.

Daha önceki deneysel çalışmalar, insan parmak yüzeyinin görünür temas alanının pürüzsüz bir yüzey üzerinde kayarken küçüldüğünü ve sonunda sabit bir değere ulaştığını göstermişti; ancak bu azalmanın temel nedenleri henüz tam olarak anlaşılamamıştır. Parmağın eksenel ekseni etrafında dönmesinin ve hareket yönünün alan değişikliğinde kritik rol oynadığını varsayıyoruz. Bu hipotezi test etmek için, işaret parmağının 4 farklı iç rotasyonu için normal yükleme (sabit parmak) ve birleşik yükleme (kayma parmak) koşulları altında insan parmak izi ile pürüzsüz düz bir yüzey arasındaki görünür temas alanının gelişimini araştırmak için deneysel bir çalışma gerçekleştirdik (ikinci parmaktan uzakta) eksenel (boyuna) ekseni etrafında ve 2 farklı kayma yönünde. Sonuçlarımız, beklendiği gibi radyal kayma için temas alanında bir azalma yönde, ancak daha yüksek parmak rotasyonları için ulnar yönde şaşırtıcı bir artış olduğunu göstermektedir. Temas alanı evrimindeki bu asimetrik davranışın, dönme açısı arttıkça parmağın eşdeğer eğrilik yarıçapındaki değişikliklerden ve parmağın sertleşmesinden kaynaklandığını, bunun da parmak pedinin ön ve arka kenarlarındaki asimetrik gerilim dağılımı olarak kendini gösterdiğini savunuyoruz bizim sonlu eleman simülasyonları.