壓電驅動液體柔性盲文點顯裝置設計與測試

田曉超， 王海剛， 王 虎， 徐安俊， 吳 越， 楊志剛

(1.長春大學 機械與車輛工程學院， 吉林 長春 130022； 2.吉林大學 機械與航空航天工程學院， 吉林 長春 130025)

引言

盲文點顯器是一種為盲人設計的能以盲文進行輸出的電子機械設備, 它是一種觸覺呈現的方式。將計算機中的文字信息轉換為盲文，讓盲人通過觸覺與計算機進行人機交互。目前盲文點顯器驅動方式主要有電磁驅動式[1-4]、記憶合金式[5-6]、電刺激式[7-8]、電活性聚合物驅動式[9-12]以及其他方式[13-14]等。其中電磁驅動耗能高、體積大、產生熱量高，結構復雜；形狀記憶合金響應速度快但產生的應變較大，工作環境要求高，給實際工作帶來困難；電刺激式直接接觸皮膚，具有腐蝕性，引起刺痛感；電活性聚合物功率密度高、驅動力大，但存在效率低、響應速度不高、容易疲勞老化等問題。上述驅動方式的盲文點顯器在應力應變、使用環境、響應速度、疲勞壽命等方面存在著不足。

壓電驅動式盲文點顯器主要體現為施加正反電壓使壓電陶瓷產生彎曲變形，固定在壓電材料上的觸桿向上或向下運動，從而形成觸點凸起或回落循環切換，形成可刷新的盲文字符。美國的Telesensory Systems公司研發了一臺具備可刷新盲文的系統,該系統采用壓電陶瓷雙晶片作為驅動器，采用“L”形懸臂梁式結構階梯形式布置[15],驅動方式為施加正反向電壓，觸點向上或向下運動形成盲文字符。CHO H C等[16]采用壓電馬達研制了一種可以顯示多行盲文的顯示裝置，但觸點直徑較小，測試后盲文識別率不高。XAVIER A等[17]設計了一種液壓驅動點顯裝置，通過液壓位移放大機構實現盲文觸點大位移輸出，實現盲文點顯功能。

本研究提出一種實現盲文點顯效果的裝置，利用壓電振子振動激勵腔內液體發生系統共振，壓縮液體驅動柔性薄膜形成盲文觸點,實現點顯功能。

1 結構設計

1.1 結構組成

壓電驅動液體柔性盲文點顯裝置(以下簡稱柔性點顯裝置)結構如圖1所示。該裝置主要由激振系統、傳振系統、點顯系統組成。激振系統包括“十”字矩形壓電振子、配重塊；傳振系統包括傳振桿、彈性支撐片、T形連接桿、彈性片、卡箍；點顯系統包括下殼體、密封圈、上殼體、柔性薄膜、觸摸板。

點顯系統結構圖如圖2所示，主體結構為觸摸板、上殼體、下殼體。上殼體上端面以及下殼體內部均有凹槽，用以放置O形密封圈進行密封，并且側面開有輸液孔，實現注液和排氣功能。柔性薄膜置于上殼體表面，用O形密封圈壓至槽內，再將觸摸板壓蓋在柔性膜上，在液力作用下柔性膜形變成盲文字符點。

圖1 柔性點顯裝置結構示意圖

圖2 點顯系統內部結構示意圖

壓電驅動器如圖3所示，將矩形壓電陶瓷片用環氧樹脂膠粘接在“十”字形金屬基板兩側，再將配重質量塊粘接在金屬基板的邊緣處，整體形成激振系統用以提供動力。

圖3 壓電驅動器結構示意圖

1.2 工作原理

在矩形壓電振子上施加交變信號，壓電振子產生往復彎曲變形，通過配重塊的慣性作用將振動位移放大。激振力作用到彈性片上，進而壓縮液體，忽略水的壓縮性。當外界輸入頻率與系統固有頻率相近或一致時，系統處于共振狀態，此時激振裝置振幅達到最大。液體介質在慣性作用下，柔性薄膜中心處的位移被進一步放大，凸顯出的柔性薄膜就形成了觸感柔和無尖銳感的盲文字符觸點。

2 動力學分析

柔性點顯裝置的結構可看作一個二自由度系統，建立了系統彈簧質量物理模型，如圖4所示。kz為壓電振子的等效剛度，mz為壓電振子的等效質量，ms為柔性薄膜與液體介質的等效質量，kn1和kn2為柔性薄膜和彈性片的等效剛度，c1為壓電振子和流體介質的阻尼，c2為流體介質的阻尼，c3為柔性薄膜和液體介質的阻尼。

圖4 系統物理模型

系統的運動微分方程為:

(1)

外部簡諧激勵力為:

Fj(t)=Fj0eiωt,j=1,2

(2)

式(1)的穩態解為:

xj(t)=Xjeiωt,j=1,2

(3)

將式(2)和式(3)帶入式(1)可得:

(4)

定義機械阻Zrs(iω)如下

Zrs(iω)=-ω2mrs+iωcrs+krs,r,s=1,2

(5)

并把式(4)寫成如下形式：

[Z(iω)]X=F0

(6)

式(6)的解可以寫成如下形式：

X=[Z(iω)-1]F0

(7)

式中，阻抗矩陣的逆矩陣為：

(8)

由式(7)和式(8)可得如下形式的解：

(9)

把式(9)帶入式(3)后即可得到解x1(t)和x2(t)的完整形式。

模型中F1(t)為正弦交流電壓施加在壓電振子上產生的激勵力。x1(t)為某時刻t等效質量mz的質心位移，x2(t)為某時刻t等效質量ms的質心位移。列出系統的振動微分方程：

(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)分別表示壓電振子和柔性薄膜觸點的振動幅值，以λ表示位移放大比，即:

(15)

其中，λ為柔性薄膜觸點位移和壓電振子質心位移的放大比例。

3 實驗測試

3.1 實驗裝置

實驗測試裝置如圖5所示，主要包括顯示器、試驗樣機、變頻控制器、高精度激光位移計、傳感器支撐架、試驗臺、24 V電源等，此外，還要用到注射器、量杯等一些輔助工具。經過前期的仿真與實驗組合選取4組數據進行測試，實驗參數如表1所示。

圖5 測試裝置圖

表1 結構實驗參數表

3.2 輸出能力測試

選取4組不同參數進行實驗測試，注液孔向各腔室內注入相應體積的純凈水，使純凈水充滿整個腔室，保證了柔性薄膜有相同的張緊程度，測試結果如表2所示。

表2 實驗測試數據表

柔性薄膜中心點的幅頻特性如圖6所示，從圖中可以看出，在共振點附近頻率區間振幅較大，腔體直徑為31 mm時，點顯效果十分明顯，輸出振幅最大可達0.214 mm。

圖6 凸顯柔性薄膜中心點振幅圖

實驗中柔性薄膜的共振頻率與最大振幅都呈現先增加后減小的趨勢。這是因為不同直徑的腔體在保證相同的初始條件時，不同充水量下的柔性薄膜張緊力不同，使系統剛度不同，共振頻率出現上升趨勢。隨著腔體直徑的增加，系統總質量也隨之增加，導致系統固有頻率減小。

4 結論

設計了一種基于壓電驅動液體的柔性盲文點顯裝置，壓電驅動液體共振形成盲文字符。對系統進行了動力分析，得出柔性薄膜觸點輸出位移與系統結構參數有關。流體腔直徑為31 mm，高度為8 mm，配重塊尺寸及質量為10 mm×6 mm×4 mm ，11.75 g，充水量為8.8 mL時，共振頻率為365.4 Hz，柔性薄膜形成觸點輸出位移為0.214 mm，滿足盲人觸摸敏感標準的要求。驗證了用此種方式構造盲文觸點裝置是可行的，有效的，對盲人識別盲文字符裝置提供了借鑒和參考。