田曉超， 王海剛， 王 虎， 徐安俊， 吳 越， 楊志剛

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

引言

盲文點顯器是一種為盲人設(shè)計的能以盲文進行輸出的電子機械設(shè)備, 它是一種觸覺呈現(xiàn)的方式。將計算機中的文字信息轉(zhuǎn)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(qū)動方式主要有電磁驅(qū)動式[1-4]、記憶合金式[5-6]、電刺激式[7-8]、電活性聚合物驅(qū)動式[9-12]以及其他方式[13-14]等。其中電磁驅(qū)動耗能高、體積大、產(chǎn)生熱量高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；形狀記憶合金響應(yīng)速度快但產(chǎn)生的應(yīng)變較大，工作環(huán)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(qū)動力大，但存在效率低、響應(yīng)速度不高、容易疲勞老化等問題。上述驅(qū)動方式的盲文點顯器在應(yīng)力應(yīng)變、使用環(huán)境、響應(yīng)速度、疲勞壽命等方面存在著不足。

壓電驅(qū)動式盲文點顯器主要體現(xiàn)為施加正反電壓使壓電陶瓷產(chǎn)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(huán)切換，形成可刷新的盲文字符。美國的Telesensory Systems公司研發(fā)了一臺具備可刷新盲文的系統(tǒng),該系統(tǒng)采用壓電陶瓷雙晶片作為驅(qū)動器，采用“L”形懸臂梁式結(jié)構(gòu)階梯形式布置[15],驅(qū)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(shè)計了一種液壓驅(qū)動點顯裝置，通過液壓位移放大機構(gòu)實現(xiàn)盲文觸點大位移輸出，實現(xiàn)盲文點顯功能。

本研究提出一種實現(xiàn)盲文點顯效果的裝置，利用壓電振子振動激勵腔內(nèi)液體發(fā)生系統(tǒng)共振，壓縮液體驅(qū)動柔性薄膜形成盲文觸點,實現(xiàn)點顯功能。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)組成

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

點顯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主體結(jié)構(gòu)為觸摸板、上殼體、下殼體。上殼體上端面以及下殼體內(nèi)部均有凹槽，用以放置O形密封圈進行密封，并且側(cè)面開有輸液孔，實現(xiàn)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(nèi)，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(jié)構(gòu)示意圖

圖2 點顯系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

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

圖3 壓電驅(qū)動器結(jié)構(gòu)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(chǎn)生往復(fù)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(tǒng)固有頻率相近或一致時，系統(tǒng)處于共振狀態(tài)，此時激振裝置振幅達到最大。液體介質(zhì)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(xué)分析

柔性點顯裝置的結(jié)構(gòu)可看作一個二自由度系統(tǒng)，建立了系統(tǒng)彈簧質(zhì)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(zhì)量，ms為柔性薄膜與液體介質(zhì)的等效質(zhì)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(zhì)的阻尼，c2為流體介質(zhì)的阻尼，c3為柔性薄膜和液體介質(zhì)的阻尼。

圖4 系統(tǒng)物理模型

系統(tǒng)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(wěn)態(tài)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(chǎn)生的激勵力。x1(t)為某時刻t等效質(zhì)量mz的質(zhì)心位移，x2(t)為某時刻t等效質(zhì)量ms的質(zhì)心位移。列出系統(tǒng)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(zhì)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(jīng)過前期的仿真與實驗組合選取4組數(shù)據(jù)進行測試，實驗參數(shù)如表1所示。

圖5 測試裝置圖

表1 結(jié)構(gòu)實驗參數(shù)表

3.2 輸出能力測試

選取4組不同參數(shù)進行實驗測試，注液孔向各腔室內(nèi)注入相應(yīng)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(jié)果如表2所示。

表2 實驗測試數(shù)據(jù)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(qū)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(xiàn)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(tǒng)剛度不同，共振頻率出現(xiàn)上升趨勢。隨著腔體直徑的增加，系統(tǒng)總質(zhì)量也隨之增加，導(dǎo)致系統(tǒng)固有頻率減小。

4 結(jié)論

設(shè)計了一種基于壓電驅(qū)動液體的柔性盲文點顯裝置，壓電驅(qū)動液體共振形成盲文字符。對系統(tǒng)進行了動力分析，得出柔性薄膜觸點輸出位移與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。流體腔直徑為31 mm，高度為8 mm，配重塊尺寸及質(zhì)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(gòu)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。