振动式片针组合表面粗糙度触觉再现研究

振动式片针组合触觉显示器是在切向和法向上分别对片阵和针阵施加非耦合的压电和电磁激振驱动,使振子振动的方位、振幅、频率都可以组合和控制,从而实现多种表面纹理触摸感的再现。笔者利用该触觉显示器开展了表面粗糙度的再现研究,引入不同阶灰度色彩的原理,横向振动采用片阵激发光滑触感,纵向振动采用针阵激发粗糙触感,并交织在一起同时刺激指尖皮肤,产生某种特定粗糙度触感。机械量测试和人心理实验结果都证实了这种片阵针阵组合振动激发对于不同粗糙度纹理再现是有效的。     

触觉显示器及其振动激发方式

触觉再现作为下一代虚拟现实技术已成为国际上的开发热点。触觉再现就是通过控制触觉显示器的某种物理效应提示,让手指在触摸时产生相应的触感,从而实现人机触觉信息的交互。该文介绍了触觉显示器的基本工作原理,综述了几种比较典型的触觉显示器激发方式,指出了触觉显示器的发展趋势。     

材料弹性对摩擦触觉感知的影响研究

材料弹性是影响触觉感知的物理属性之一，从皮肤的“感”和大脑的“知”系统研究材料弹性对触感的影响规律具有重要意义。通过对手指触摸不同弹性特征表面的摩擦、振动信号以及激发的触感脑电信号进行特征参数提取，建立了材料弹性模量E与触感特征参数的关系，实现了弹性表面触感的部分量化表征。结果显示：手指触摸橡胶材料的摩擦力以滞后摩擦分量为主；手指触摸陶瓷和塑料材料时滞后摩擦和黏着摩擦共同影响表面接触摩擦力。相关性分析显示材料E与手指触摸材料的摩擦因数μ、振动频谱最大幅值A_max、振动信号的递归参数角线长度均值L和垂直线段长度均值TT均呈负相关，表明材料E越小，振动系统的稳定性越差，复杂度越高。大脑触觉感知的加工时间为触摸开始后的200～400 ms之间，弹性触感激活的脑区主要是大脑中后部的顶叶区及枕叶区；相关性分析显示材料E和触感脑电P300峰值呈正相关，说明材料E越低，激发的大脑神经元兴奋度和注意力越低。手指触摸振动信号A_max与触感脑电信号的P300幅值负相关，表明触觉感受体的近端机械刺激与大脑的认知相关联。触摸过程的μ、A_max、...     

简易压电晶片式液压发电装置的设计及试验

为实现低频率,高强度的振动能量回收和利用,提出一种基于压电流体耦合作用的压电晶片式液压发电装置。通过理论分析设计结构,采用直径60mm,厚度1.6mm的压电晶片以及直径16mm,高度50mm的液压缸制作样机,用水作为工作介质,测试了装置在不同激励频率、激励电压、系统背压及加载质量等条件下的电压输出情况。试验结果表明:当激励频率(工作频率)在27Hz左右时,该压电晶片式液压发电装置的输出电压达到最大,且在一定的范围内,发电装置输出电压随着激励电压、系统背压及加载质量的增加而增加,验证了液压-压电发电的可行性。     

基于ANSYS的悬臂梁压电陶瓷单晶片发电特性仿真分析

以悬臂梁压电陶瓷单晶片为研究对象,对其在不同条件影响下的发电性能进行了研究。利用有限元分析软件ANSYS中的静力学耦合场分析功能,对压电模块中影响悬臂梁压电陶瓷发电装置的位移激励、结构尺寸、材料属性等相关因素进行模拟仿真,得出各因素对悬臂梁压电陶瓷发电装置发电性能的影响规律,为悬臂梁压电陶瓷发电装置的优化设计提供理论指导。     

等应力悬臂梁压电陶瓷单晶片的发电性能研究

为了提高悬臂梁压电陶瓷单晶片的发电性能,根据等强度梁理论,对悬臂梁压电陶瓷单晶片结构进行优化设计,得到等应力悬臂梁压电陶瓷单晶片。通过ANSYS仿真和实验研究,对比分析等应力悬臂梁压电陶瓷单晶片和非等应力悬臂梁压电陶瓷单晶片发电性能,结果表明:等应力悬臂梁压电陶瓷单晶片的发电性能更好,在相同的激励条件下,其单位面积输出的电压更高。     

光控压电混合驱动特性及影响因素分析

提出光控压电混合驱动,即利用铁电陶瓷镧改性锆钛酸铅(PbLa Zr Ti,PLZT)在紫外光照射下产生的光电压驱动压电作动器。这种新型光控方式的研究实现了PLZT作动器的非接触激励、抗电磁干扰的光激励特性与压电作动器响应速度快等优势互补。基于等效电学模型建立了在光-热-力-电等多能耦合作用下,压电作动器驱动电压及应变的本构模型;对作动器应变滞后性进行试验分析并与PLZT作动器进行了对比;对光控压电混合驱动的影响因素进行研究,探讨了光照强度、作动器电极表面面积、厚度等尺寸参数对作动器驱动电压的影响规律。     

Cymbal型压电发电装置等效压电常数分析

压电发电工作于低频时所收集的能量与其等效压电常数和等效电压常数的乘积成正比。为了研究Cymbal型压电发电装置的等效压电常数,建立了Cymbal型压电发电装置的三维有限元分析模型,并分析得出了等效压电常数计算公式;详细地分析了Cymbal型发电装置中金属帽的材料和厚度、金属腔底端直径和顶端直径、金属腔高度、压电陶瓷片厚度等因素对等效压电常数的影响,并给出了等效压电常数的优化准则。试验结果表明,经优化后可获得的等效压电常数大约相当于压电陶瓷本身的60倍。     

压电电机的设计与实验研究

基于对压电陶瓷材料的特性研究,利用压电陶瓷的逆压电效应,压电陶瓷双晶片通过组合设计得到压电驱动元件,分析了在电激励条件下,压电陶瓷双晶片悬臂端振动通过摩擦力和惯性力驱动转子转动并输出转距的原理,研制了一种基于摩擦式的压电电机.研究了压电电机输出转速、转矩特性与激励电压频率之间的关系,试验表明:压电电机具有良好的输出特性,响应快、发热很少、转动平稳且可实现双向回转,结构简单,容易实现闭环控制.此设计为进一步研究实用的小型化、低成本、高效率的压电电机提供了一种新的设计方法.     

电流变液与压电陶瓷复合的自适应阻尼器设计和...

设计制作了两种电流变液与压电陶瓷复合的自适应阻尼器,其特点是：压电陶瓷响应振动产生高电压,用这个高电压直接去激励固化阻尼器内的电流变液实现了阻尼的自动调节。随着振动频率,振幅的变化,电流变液的响应改变,形成对振动的自适应控制。     

Resonating tactile stimulators based on piezoelectric polymer films

We have designed, fabricated and tested piezoelectric polymer (Polyvinylidene fluoride, PVDF) film-based resonating actuators for tactile stimulation. The proposed resonating tactile stimulators are composed of 3×4 stimulating dot arrays with polyimide membranes. The air chambers placed on the PVDF films aid in indirect piezoelectric actuation and produce lower spring stiffnesses than are associated with conventional direct piezoelectric actuation. They can achieve large displacements with low input voltages. The performance of the proposed resonating tactile stimulators was characterized. The stimulators achieve an output displacement of 257.0 ± 1.5 nm, output pressure of 339.1 N/m2, and response time of 0.7 ms when an input voltage of 80 Vpk (52.5 kHz) is switched at 2 ms intervals (250 Hz). It has been experimentally demonstrated that the proposed flexible resonating actuators are capable of stimulating human skin to support tactile or braille displays integrated into tactile interface systems.     

基于PVDF的欠驱动多指手滑触觉硬件系统

为解决传统果蔬采摘欠驱动多指手抓取力控制精度不高的问题,提出了一种基于聚偏二氟乙烯(PVDF)压电薄膜技术的新型欠驱动多指手滑触觉系统,该系统由信号采集和信号处理两个模块组成;分别设计了滑触觉传感器,电荷放大、低通滤波、工频限波、电压放大等电路,并进行了捏取和抓取实验.实验结果表明,该系统能较好地控制多指手的抓取精度,实现无损伤抓取,且具有广阔的应用前景.     

Rosen-type Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 single crystal piezoelectric transformer

In this study, a Rosen-type Pb(Mg(1/3)Nb(2/3))O(3)-PbTiO(3) single crystal piezoelectric transformer is presented. First, we simulate the operation of this transformer using the finite element method and ANSYS. By adjusting the dimensions of the piezoelectric transformer, a maximum voltage step-up ratio of 138 can be obtained at a frequency of 33.8 kHz when the output part is open. Second, we fabricate a transformer with the size of 20 mm length, 4 mm width, and 1 mm thickness to examine the simulation results. It is found that this transformer exhibits a maximum voltage step-up ratio of 134 at 37 kHz, with the efficiency over 95% when driving a liquid crystal display backlight, which shows good consistency with the numerical simulation results. Besides, we investigate the electrical properties under different frequencies and load resistances. When the input voltage increases, a maximum output power of 1 W is obtained with the temperature rise less than 10 degrees C.     

触觉显示技术及其发展趋势

首先阐述了触觉显示技术相关的触觉生理和触觉现象,然后介绍了触觉显示所采用的振动刺激、电刺激、射流刺激、气动刺激和顶针刺激等技术手段的现状,以及触觉语言设计问题,最后总结了触觉研究领域的热点方向和发展趋势,并对融合触觉、彩色触觉、时空触觉、斜坡触觉和多模接口等做了简要介绍.     

The influence of preamplifiers on the piezoelectric sensor's dynamic property

A charge amplifier or a voltage amplifier can be used as a signal conditioning circuit between a piezoelectric element and a meter or a data acquisition board. The outputs of the piezoelectric sensor are in an open-circuit state and a short-circuit state if a voltage amplifier and a charge amplifier are used, respectively. When the electrodes are in different states, the piezoelectric element has rather different stiffness and thus different sensor resonant frequency. This phenomenon is theoretically analyzed in detail and validated by a carefully designed experiment. The results indicate that a much wider range of working frequency is achieved when a voltage amplifier is used.     

气体动载荷下压电振子能量转化特性实验研究

针对当前利用化学电池为传感器供能具有的使用时间短及污染环境等问题，提出了一种可应用于气动系统中气体动载荷环境的能量转化与收集装置。利用压电材料的正压电效应对压电振子发电机理进行分析，分析结果表明，在气体动载荷激励下输出电能与压力变化量呈正比。仿真分析了压电振子所在容腔的内部流场变化，并分析了腔内压力及压力变化量随时间的变化规律。结合理论研究与仿真分析设计并制作了一种压电振子能量转化实验样机，搭建了实验测试系统。以动态气体载荷为激励源对不同流量、周期及负载条件的改变进行了实验测试。实验结果表明随着距离的增加，压电振子的输出电压逐渐下降；随着流量的增加峰值电压增加，当周期为1.2 s、流量为200 L/min、压力为0.3 MPa时最大的输出电压为79.60 V。     

基于圆弧限位的压电发电装置

提出一种基于圆弧限位压电发电装置来提高发电能力及可靠性。介绍了该装置的结构及工作原理,建立了其机电能量转换模型。通过模拟仿真分析获得了压电振子厚度比（基板与总厚度比）对最小限位圆弧半径及能量、及压电振子厚度和限位圆弧半径对电压及能量的影响规律。结果表明,最小限位圆弧半径随厚度比的增加而线性减小,且存在共同的最佳厚度比（0.35）使不同厚度压电振子的输出电压和能量最大;在最佳厚度比时,输出电压和能量随压电振子厚度增加或限位圆弧半径降低而增加。制作了一组限位圆弧半径不等的发电装置,并进行了相关试验测试。结果表明,压电振子的最大输出电压（变形量）仅与限位圆弧半径有关,故采用最小限位圆弧半径可同时获得最大的发电能力和较高的可靠性。     

基于MEMS的压电微泵建模与优化

以压电驱动的无阀微泵为研究对象,根据扩张管/收缩管的压力损失系数和连续方程,建立了无阀微泵的理论模型。利用有限元分析软件,建立了无阀微泵有限元模型,进行了耦合场仿真分析。模拟并分析了不同边界条件下驱动电压、电压频率、泵膜厚度、压电薄膜厚度和压电材料对无阀微泵输出特性的影响。仿真结果显示,无阀微泵具有很好的整流特性,并且驱动电压越大,输出特性越好。在局部固定边界条件下,当压电薄膜上施加电场强度为500 V/mm的驱动电压时,存在最优的压电薄膜厚度,使得微泵的输出流量最大。研究结果为无阀微泵的优化设计提供了依据。     

纹理触觉再现技术的研究现状及发展

物体一个非常重要的触觉特征是它具有表面纹理信息,人们可以通过触摸物体获得这种感觉.在虚拟现实或遥操作领域,将虚拟的或远地的物体的纹理信息再现并作用于操作者手部,不仅可以增强系统的临场感,而且可以帮助操作者识别不同特性的虚拟物体.触觉再现技术近几年已成为虚拟现实和遥操作领域研究的前沿技术,文中介绍了当今世界上仅有的几种可以再现纹理触觉的方法,并比较他们各自的优缺点.最后,指出纹理触觉再现技术的发展思路.