压电驱动柔性盲文点显装置实验研究*

李志瑶，孙禹泽，田晓超，徐安俊，张代治

(长春大学 机械与车辆工程学院，吉林 长春 130022)

0 引 言

盲文点字显示器，简称盲文点显器，也常称作盲文显示机、盲文终端，是一种专为盲人设计的能以盲文进行输出的电子机械设备,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。

目前点显器驱动方式主要有记忆合金式[1]、电磁驱动式[2-4]、电活性聚合物驱动式[5-7]，电刺激式[8]、以及其他方式[9]构造的盲文点显装置。其中形状记忆合金响应速度快且产生的应变较大，工作环境要求高，给实际工作带来困难；电磁驱动耗能高、体积大、产生热量高，结构复杂；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压电陶瓷伸长和收缩的特性，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[10-11]。

笔者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 结构设计与工作原理

压电驱动柔性盲文点显装置结构示意如图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。

图1 柔性点显装置结构示意图

流体腔结构图如图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型密封圈进行密封，并且侧面开有输液孔，具有注液和排气功能。柔性薄膜置于上壳体表面，用O型密封圈压至槽内，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2 流体腔结构示意图

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。传振杆是两端攻有螺纹的阶梯轴，上端中心处有孔并且开槽，T形连接杆在卡箍的作用下紧固在槽孔中，形成一个整体。传振杆上轴肩处安放十字弹性支撑板，并用螺母进行紧固，用来保证传振杆能够垂直在结构中部，而压电振子只需用螺母安装在传振杆底部即可。

图3 压电驱动器结构示意图

在压电振子上施加交变信号，压电振子产生往复弯曲变形，通过配重块将振动位移放大。传振杆将来自激振系统的振动作用到弹性片上，由于水的压缩性非常小，可忽略不计。当外界输入频率与系统固有频率相近或一致时，系统发生谐振，此时激振装置振幅达到最大。流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，凸显出的柔性膜就形成了触感柔和无尖锐感的盲文字符触点。

2 实验测试

2.1 实验装置

实验测试装置主要有显示器、试验样机、变频控制器、高精度激光位移计、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。

试验台的搭建如图4所示，高精度激光位移计支撑架保持水平状态，并将其安装在上下可调的平台上，将点显装置置于传感器的正下方，传感器的激光光斑与触点孔的中心位置重合进行校准。传感器将所测数值转换为模拟信号，经数模转换后将测量数值实时显示。测试系统不同结构参数对柔性薄膜凸点显示的影响。

图4 实验测试装置

2.2 流体腔直径对系统输出能力的影响

选择直径为27 mm、29 mm、31 mm、33 mm四种规格的流体腔直径进行测试，实物图如图5所示。腔室高度选为9.7 mm，柔性薄膜的初始状态和表面张紧程度相同。将腔体内部注入一定量的水，体积分别为15 mL、18 mL、20 mL、22 mL，腔体结构的实验参数如表1所列。

图5 不同直径的流体腔

表1 实验参数

不同腔体直径柔性薄膜中心点的幅值特性如图6所示。从图中可以看出，在共振点及其附近频率区间振幅较大，柔性薄膜总体上是随着腔体直径的增加先增加后减小，共振频率也逐渐增加。柔性薄膜振幅随腔体直径的增加先增加后减小，系统共振频率为375.4 Hz，腔体直径为31 mm时，点显效果明显，输出振幅可达0.203 mm。

图6 柔性薄膜中心点振幅曲线图

共振频率与最大振幅都呈现先增加后加小的趋势，主要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，使系统刚度逐渐增加，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。

2.3 流体腔高度对系统输出能力的影响

保证腔体直径、柔性薄膜张紧程度相同状态下，分析腔体高度对系统性能的影响。不同流体腔高度的实物图如图7所示。实验选用了7 mm、8 mm、9 mm、10 mm共4种腔高，具体实验参数如表2所列。

图7 不同腔高腔体

表2 实验参数表

柔性薄膜中心点的幅频特性如图 8所示。从图中可看出，不同腔体高度下柔性薄膜曲线基本重合，柔性薄膜共振频率在300～350 Hz之间。结果表明：在保证腔体直径和初始条件相同的前提下，腔体高度对点显效果的影响很小，输出的振幅都能达到0.15 mm以上，点显效果较为明显。

图8 柔性薄膜中心点振幅曲线图

2.4 配重块系统输出能力的影响

质量块的大小是影响整个机械系统谐振频率的主要因素，在实验过程中，选择了长宽高分别为10 mm×6 mm×2 mm(6.33 g)、10 mm×6 mm×3 mm (10.06 g)、10 mm×6 mm×4 mm (11.75 g)和10 mm×6 mm×5 mm (13.28 g)四种不同质量的配重块进行实验。

采用高精度激光位移计测试柔性薄膜的振幅，柔性薄膜的幅频特性如图9所示。

图9 柔性薄膜的振幅图

从图中可以看出，柔性薄膜的输出位移随着配重质量的增加呈减小的趋势，柔性薄膜振幅与配重质量成反比，配重质量越大，柔性薄膜的振幅越小。配重质量为11.75 g，共振频率为350 Hz，柔性薄膜最大振幅为0.214 mm。

2.5 悬臂长度对系统性能的影响

在其它性能参数不变的情况下,将矩形压电振子悬臂长度作为变量,分别取49 mm,79 mm,89 mm,三种悬臂长度进行实验。实验结果如图10所示。从图中可以看出，柔性薄膜的振幅随着悬臂长度的增加呈先增加后减小的趋势，主要因为悬臂长度过长，刚度变小，在端部质量块的影响下，产生弯曲挠度将受到影响。

图10 柔性薄膜的振幅图

3 结 论

设计了一种基于压电驱动流体的柔性盲文点显装置，压电驱动流体共振形成盲文字符。对系统进行了实验研究，探讨了流体腔直径、流体腔高度、配重质量、悬臂长度等因素对系统显示效果的影响。实验结果表明：

(1) 随着流体腔直径的增加，柔性薄膜的共振频率逐渐增大，腔体直径在31 mm时，凸显柔性薄膜的振幅达到最优值0.203 mm。

(2) 不同腔体高度下，柔性薄膜的共振频率、振幅在共振点处表现出近似的变化特征，结果表明腔体高度对放大效果的影响较小。

(3) 在不同配重质量块下，柔性薄膜的振幅随质量的增加而减小，受到了配重质量块的限制。

(4) 流体腔直径为31 mm，高度为8 mm，配重质量块11.75 g，悬臂长度为79 mm，共振频率为350 Hz，柔性薄膜形成触点输出位移为0.214 mm。在振动动态刺激的作用下，手指能够明显感受到有字符凸点。满足盲人触摸敏感标准的要求。