基于压电超声触觉显示的可变摩擦研究.pdf
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1、第4 6卷 第2期压 电 与 声 光V o l.4 6 N o.22 0 2 4年4月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S T OO P T I C SA p r.2 0 2 4 收稿日期:2 0 2 3-1 0-0 7 基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 1 9 7 5 5 1 7,5 2 0 7 5 2 7 3,5 1 8 0 5 2 7 6);浙江省自然科学基金资助项目(N o.L G F 2 1 E 0 5 0 0 0 2)作者简介:韩凯(1 9 9 9-),男,安徽省亳州市人,硕士生。通信作者:李国平(1 9 6 7-),男,湖北省武穴市人,教
2、授。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 4)0 2-0 2 1 3-0 6D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 4.0 2.0 1 4基于压电超声触觉显示的可变摩擦研究韩 凯1,李国平1,项四通1,崔玉国1,魏燕定2,娄军强1,2(1.宁波大学 机械工程与力学学院 浙江省零件轧制成型技术重点实验室,浙江 宁波 3 1 5 2 1 1;2.浙江大学 机械工程学院浙江省先进制造技术重点研究实验室,浙江 杭州 3 1 5 4 7 4)摘 要:基于超声波润滑机理和挤压膜效应,该文提出了一种新型的压电超声触觉显示分析模型
3、,并进行了理论和实验分析。在高挤压数状态下,推导出挤压力的解析表达式,开展了超声触觉显示分析模型振动特性实验和定性、定量摩擦辨别实验,探究了振动频率和激励电压对摩擦减少的影响,验证了压电超声触觉显示分析模型显著的减摩擦效果,为构建触觉显示剪切力模式提供了理论基础。关键词:挤压膜效应;压电超声;触觉显示;减摩擦效果中图分类号:T N 2 7;T P 2 7 3 文献标识码:AV a r i a b l e-F r i c t i o n S t u d y B a s e d o n a P i e z o e l e c t r i c U l t r a s o n i c T a c t
4、i l e D i s p l a y H A N K a i1,L I G u o p i n g1,X I A N G S i t o n g1,C U I Y u g u o1,WE I Y a n d i n g2,L O U J u n q i a n g1,2(1.Z h e j i a n g P r o v i n c i a l K e y L a b.o f P a r t R o l l i n g T e c h n o l o g y,S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n d M e
5、 c h a n i c s,N i n g b o U n i v e r s i t y,N i n g b o 3 1 5 2 1 1,C h i n a;2.K e y L a b.o f A d v a n c e d M a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y o fZ h e j i a n g P r o v i n c e,C o l l e a g e o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,Z h e j i a n g U n i v e r s i t y,H a n
6、g z h o u 3 1 5 4 7 4,C h i n a)A b s t r a c t:U s i n g a n u l t r a s o n i c l u b r i c a t i o n m e c h a n i s m a n d e x t r u s i o n-f i l m e f f e c t,a n e w p i e z o e l e c t r i c u l t r a s o n i c t a c t i l e-d i s p l a y a n a l y s i s m o d e l i s p r o p o s e d a n d
7、t h e o r e t i c a l l y a n d e x p e r i m e n t a l l y a n a l y z e d.U s i n g a h i g h e x t r u s i o n n u m b e r,t h e a n a l y t i c a l e x p r e s s i o n o f e x t r u s i o n p r e s s u r e w a s d e r i v e d.A v i b r a t i o n-c h a r a c t e r i s t i c e x p e r i m e n t w
8、a s c o n-d u c t e d o n t h e u l t r a s o n i c t a c t i l e-d i s p l a y a n a l y s i s m o d e l a n d a q u a l i t a t i v e a n d q u a n t i t a t i v e f r i c t i o n-d i s c r i m i n a t i o n e x p e r-i m e n t w a s c a r r i e d o u t.T h e i n f l u e n c e o f t h e v i b r a
9、t i o n f r e q u e n c y a n d e x c i t a t i o n v o l t a g e o n f r i c t i o n r e d u c t i o n w a s e x-p l o r e d a n d t h e s i g n i f i c a n t f r i c t i o n-r e d u c t i o n e f f e c t o f t h e p i e z o e l e c t r i c u l t r a s o n i c t a c t i l e-d i s p l a y a n a l y
10、s i s m o d e l w a s v e r i f i e d.T h i s p r o v i d e s a t h e o r e t i c a l b a s i s f o r c o n s t r u c t i n g a t a c t i l e-d i s p l a y s h e a r-f o r c e m o d e l.K e y w o r d s:e x t r u s i o n f i l m e f f e c t;p i e z o e l e c t r i c u l t r a s o u n d;t a c t i l e
11、d i s p l a y;a n t i f r i c t i o n e f f e c t0 引言随着移动设备的迭代升级,触觉界面领域迎来新的发展机遇1。触觉作为感知外界环境的重要感觉通道,当受到外界温度、压力、振动等物理刺激时人脑会产生相应知觉2。触觉再现技术是通过机械、电子装置将感知目标的外形、纹理等几何信息,以及弹性、湿度、粘滞性等物理信息呈现给操作者,可实现虚拟物体感知及远程操作感知目标等目的。触觉感知系统分布在整个身体表面,形成其他感知系统无法实现的各种主动性探索,从而提供人类与环境之间的双向信息交汇2。目前已知的触觉感知系统构型设计,其驱动方式主要以智能材料驱动为主。F e
12、 n g等3提出了一款离子聚合物(I PMC)驱动的1 01 0动态触觉感知系统,通过I PMC悬臂梁驱动P DM S聚二甲基硅氧烷弹性触点上下凸起。文献4 提出了一款压电叠堆驱动的触觉感知模块,并通过杠杆机构将压电执行器驱动位移放大,驱动触点上下运动。茅于杭等提出了压电陶瓷 驱动及杠杆 放大 的 触 觉 感 知 装置5。S u n等6提出了一种时间可控的压电振动触觉感知系统,并用于触觉感知和测试。以上研究采用的压电材料为代表的智能材料致动器作为触觉反馈执行器,具有驱动精度高、输出力大且动态特性好的优点,但在接触力精度控制、装置集成度及小型化等方面存在不足,产生的位移量小,导致操压 电 与 声
13、 光2 0 2 4年作者能感受的触觉效果差。文献7-8 指出,摩擦力会产生碰撞和凹陷的触觉感觉,表明通过调节在表面探索期间作用在手指上的摩擦力,可让操作者感受触觉效果。根据挤压气膜产生机理及压电学理论选择,可产生弯曲振动的压电双晶片作为振动主体,将高频电振动转换为高频机械振动的同时,在手指和振动板间产生一层具有托浮能力的挤压膜。在挤压膜作用下,触觉显示分析模型可产生广泛的可控摩擦效果、较强烈的触感与连续细腻的触觉实现效果,从而实现不同的触觉感受,故适用于触觉特征的准确实现。1 超声触觉显示分析模型的基本结构本文开发了基于压电陶瓷超声振动的触觉显示分析模型。在设计超声触觉显示分析模型时,必须满足
14、以下标准:1)结构简单,方便携带。2)为使装置减摩擦效果明显,初始表面摩擦应较高。3)共振频率需达到超声级。4)通过确定激励电压和摩擦减小水平之间的关系,使摩擦可控。若要减小装置摩擦,最好从相对较高的摩擦表面开始。玻璃界面有更高的摩擦系数,允许创建更广泛的摩擦力范围,且较厚的玻璃覆层增加了谐振频率,在确保工作频率达到超声级的同时不牺牲振幅,因此选择玻璃覆层作为手指和振动板之间的媒介。超声触觉显示分析模型的结构简图和简化模型如图1所示。模型主要由压电背衬架、压电陶瓷片和玻璃覆层组成。采用环氧树脂(3 M-D P 4 6 0)将压电陶瓷片(P-5 1)与玻璃片粘接构成超声波振子,再把超声波振子的压
15、电片面边缘粘接到等外径背衬架上进行波节固定。超声触觉显示分析模型的尺寸参数如表1所示。图1 超声触觉显示分析模型结构简图及简化模型表1 超声触觉显示分析模型尺寸参数压电陶瓷片玻璃覆层压电背衬架支撑部半径/mm厚度/mm半径/mm厚度/mm内径/mm外径/mm高度/mm1 2.5 02.0 01 2.5 02.0 02 3.0 02 5.0 05.0 02 超声触觉显示分析模型减摩擦机制理论分析 在工作过程中对压电陶瓷片施加激励信号,在逆压电效应作用下陶瓷片发生形变。压电陶瓷d3 1工作模态具有良好的弯曲振动特性,在压电片径向伸缩位移受限时,转为上下起伏的弯曲受迫振动。当受迫振动达到一定幅值,且
16、拥有超声级的频率时,在振动表面和指尖形成一层具有托浮能力的空气挤压气膜,该挤压膜具备的托浮力将使指尖和振动板之间有效法向力减小,从而手指和振动板间的摩擦力和相对摩擦系数也相应减小9-1 1,相对摩擦系数为=1-FsFn(1)式中:Fs为由挤压膜悬浮产生的挤压力;Fn为由手指施加的法向力。为了探究挤压膜悬浮产生的挤压力与表面摩擦系数变化的关系,需要计算由挤压膜效应引起的过压。手指的尖端可以近似看作一个波动的表面,假设平面板在垂直方向上呈正弦振荡(见图2),此时应将指纹(或表皮脊)的几何性质考虑在内。由于表皮脊的高度(2he)和间距(L)分别约为1 0 0 m和3 5 0 m,故指纹的波动相对于振
17、动板的振动幅值(几微米)不可忽略。412第2期韩 凯等:基于压电超声触觉显示的可变摩擦研究图2 指尖和振动板模型由挤压膜效应产生的薄膜厚度h是手指的皮肤跟随振动板进行超声波振动时产生的间隙之和。因此,h=hv+hr+he,其中hv为超声波振动的振幅,hr为振动板表面粗糙度峰值,he为指纹波动的幅值。由于手指的脊可以近似看作余弦函数,则挤压薄膜厚度h为h(x,t)=hr+hv1+c o s(0t)+he1+c o s2 Lx (2)式中0为振动板的振动频率。h归一化后的气隙可用无维参数表示,即:H=1+c o sT+c o s(k X)(3)令h0=hv+hr,式(3)中无维参数分别表示为H=h
18、h0+he(4)X=xR0(5)T=0t(6)=hvh0+he(7)=heh0+he(8)k=2 R0L(9)式中R0为振动板与指尖接触的长度。为了进一步探究挤压薄膜厚度和气体压力的关系,假设:1)流体的运动行为由层流粘性流动控制。2)流体是一种可压缩的完美气体。3)流动的惯性影响可忽略。4)相对横向运动为0。由上述假设条件可得到一维纳维尔斯托克方程,将其与连续性和理想气体方程相结合,推导出无维形式的雷诺兹方程为(H3P1/n(P)=(P1/nH)T(1 0)式中n为多向性常数。结合式(2)、(3)、(1 0)可定义挤压数为=1 20R20p0h20(1 1)式中:、h0分别为空气的动态粘度和
19、不考虑指纹波动的挤压膜厚度;p0为外部环境气体压力。p=psp0(1 2)式中ps为挤压膜间隙中压力。表征挤压膜间隙中气体的可压缩性,气体可被压缩程度随挤压数的升高而增大,挤压数随振动频率和挤压膜厚度的变化规律如图3所示。图3 挤压数随振动频率和挤压膜厚度的变化规律在低挤压数(1 0)条件下,挤压膜中的气体因粘性被困在间隙中无法逃逸,气体被压缩程度极高,系统可模拟为一个非线性弹簧气膜,此时可将视为,该状态被称为高挤压系数状态。在高挤压系数状态(1 0)下,挤压膜间隙中的压力ps可以达到最大超压ps m,ps m。定义挤压膜间隙中的气体压强比为最大超压和外部环境压力的比值,即p=ps m/p0,
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