压电驱动液体柔性盲文点显装置设计与测试

田晓超， 王海刚， 王 虎， 徐安俊， 吴 越， 杨志刚

(1.长春大学 机械与车辆工程学院， 吉林 长春 130022； 2.吉林大学 机械与航空航天工程学院， 吉林 长春 130025)

引言

盲文点显器是一种为盲人设计的能以盲文进行输出的电子机械设备, 它是一种触觉呈现的方式。将计算机中的文字信息转换为盲文，让盲人通过触觉与计算机进行人机交互。目前盲文点显器驱动方式主要有电磁驱动式[1-4]、记忆合金式[5-6]、电刺激式[7-8]、电活性聚合物驱动式[9-12]以及其他方式[13-14]等。其中电磁驱动耗能高、体积大、产生热量高，结构复杂；形状记忆合金响应速度快但产生的应变较大，工作环境要求高，给实际工作带来困难；电刺激式直接接触皮肤，具有腐蚀性，引起刺痛感；电活性聚合物功率密度高、驱动力大，但存在效率低、响应速度不高、容易疲劳老化等问题。上述驱动方式的盲文点显器在应力应变、使用环境、响应速度、疲劳寿命等方面存在着不足。

压电驱动式盲文点显器主要体现为施加正反电压使压电陶瓷产生弯曲变形，固定在压电材料上的触杆向上或向下运动，从而形成触点凸起或回落循环切换，形成可刷新的盲文字符。美国的Telesensory Systems公司研发了一台具备可刷新盲文的系统,该系统采用压电陶瓷双晶片作为驱动器，采用“L”形悬臂梁式结构阶梯形式布置[15],驱动方式为施加正反向电压，触点向上或向下运动形成盲文字符。CHO H C等[16]采用压电马达研制了一种可以显示多行盲文的显示装置，但触点直径较小，测试后盲文识别率不高。XAVIER A等[17]设计了一种液压驱动点显装置，通过液压位移放大机构实现盲文触点大位移输出，实现盲文点显功能。

本研究提出一种实现盲文点显效果的装置，利用压电振子振动激励腔内液体发生系统共振，压缩液体驱动柔性薄膜形成盲文触点,实现点显功能。

1 结构设计

1.1 结构组成

压电驱动液体柔性盲文点显装置(以下简称柔性点显装置)结构如图1所示。该装置主要由激振系统、传振系统、点显系统组成。激振系统包括“十”字矩形压电振子、配重块；传振系统包括传振杆、弹性支撑片、T形连接杆、弹性片、卡箍；点显系统包括下壳体、密封圈、上壳体、柔性薄膜、触摸板。

点显系统结构图如图2所示，主体结构为触摸板、上壳体、下壳体。上壳体上端面以及下壳体内部均有凹槽，用以放置O形密封圈进行密封，并且侧面开有输液孔，实现注液和排气功能。柔性薄膜置于上壳体表面，用O形密封圈压至槽内，再将触摸板压盖在柔性膜上，在液力作用下柔性膜形变成盲文字符点。

图1 柔性点显装置结构示意图

图2 点显系统内部结构示意图

压电驱动器如图3所示，将矩形压电陶瓷片用环氧树脂胶粘接在“十”字形金属基板两侧，再将配重质量块粘接在金属基板的边缘处，整体形成激振系统用以提供动力。

图3 压电驱动器结构示意图

1.2 工作原理

在矩形压电振子上施加交变信号，压电振子产生往复弯曲变形，通过配重块的惯性作用将振动位移放大。激振力作用到弹性片上，进而压缩液体，忽略水的压缩性。当外界输入频率与系统固有频率相近或一致时，系统处于共振状态，此时激振装置振幅达到最大。液体介质在惯性作用下，柔性薄膜中心处的位移被进一步放大，凸显出的柔性薄膜就形成了触感柔和无尖锐感的盲文字符触点。

2 动力学分析

柔性点显装置的结构可看作一个二自由度系统，建立了系统弹簧质量物理模型，如图4所示。kz为压电振子的等效刚度，mz为压电振子的等效质量，ms为柔性薄膜与液体介质的等效质量，kn1和kn2为柔性薄膜和弹性片的等效刚度，c1为压电振子和流体介质的阻尼，c2为流体介质的阻尼，c3为柔性薄膜和液体介质的阻尼。

图4 系统物理模型

系统的运动微分方程为:

(1)

外部简谐激励力为:

Fj(t)=Fj0eiωt,j=1,2

(2)

式(1)的稳态解为:

xj(t)=Xjeiωt,j=1,2

(3)

将式(2)和式(3)带入式(1)可得:

(4)

定义机械阻Zrs(iω)如下

Zrs(iω)=-ω2mrs+iωcrs+krs,r,s=1,2

(5)

并把式(4)写成如下形式：

[Z(iω)]X=F0

(6)

式(6)的解可以写成如下形式：

X=[Z(iω)-1]F0

(7)

式中，阻抗矩阵的逆矩阵为：

(8)

由式(7)和式(8)可得如下形式的解：

(9)

把式(9)带入式(3)后即可得到解x1(t)和x2(t)的完整形式。

模型中F1(t)为正弦交流电压施加在压电振子上产生的激励力。x1(t)为某时刻t等效质量mz的质心位移，x2(t)为某时刻t等效质量ms的质心位移。列出系统的振动微分方程：

(10)

xj(t)=Xjeiωt，j=1,2

(11)

由式(5)可得：

由式(7)得:

c2)ω+2kz][-msω2+(c2+c3)ω+kz+

(14)

其中,X1(ω)和X2(ω)分别表示压电振子和柔性薄膜触点的振动幅值，以λ表示位移放大比，即:

(15)

其中，λ为柔性薄膜触点位移和压电振子质心位移的放大比例。

3 实验测试

3.1 实验装置

实验测试装置如图5所示，主要包括显示器、试验样机、变频控制器、高精度激光位移计、传感器支撑架、试验台、24 V电源等，此外，还要用到注射器、量杯等一些辅助工具。经过前期的仿真与实验组合选取4组数据进行测试，实验参数如表1所示。

图5 测试装置图

表1 结构实验参数表

3.2 输出能力测试

选取4组不同参数进行实验测试，注液孔向各腔室内注入相应体积的纯净水，使纯净水充满整个腔室，保证了柔性薄膜有相同的张紧程度，测试结果如表2所示。

表2 实验测试数据表

柔性薄膜中心点的幅频特性如图6所示，从图中可以看出，在共振点附近频率区间振幅较大，腔体直径为31 mm时，点显效果十分明显，输出振幅最大可达0.214 mm。

图6 凸显柔性薄膜中心点振幅图

实验中柔性薄膜的共振频率与最大振幅都呈现先增加后减小的趋势。这是因为不同直径的腔体在保证相同的初始条件时，不同充水量下的柔性薄膜张紧力不同，使系统刚度不同，共振频率出现上升趋势。随着腔体直径的增加，系统总质量也随之增加，导致系统固有频率减小。

4 结论

设计了一种基于压电驱动液体的柔性盲文点显装置，压电驱动液体共振形成盲文字符。对系统进行了动力分析，得出柔性薄膜触点输出位移与系统结构参数有关。流体腔直径为31 mm，高度为8 mm，配重块尺寸及质量为10 mm×6 mm×4 mm ，11.75 g，充水量为8.8 mL时，共振频率为365.4 Hz，柔性薄膜形成触点输出位移为0.214 mm，满足盲人触摸敏感标准的要求。验证了用此种方式构造盲文触点装置是可行的，有效的，对盲人识别盲文字符装置提供了借鉴和参考。