一种用于压电触觉反馈装置的空气挤压膜内压强计算方法制造方法及图纸

本发明专利技术一种用于压电触觉反馈装置的空气挤压膜内压强计算方法，该方法包括以下步骤：获取挤压膜内流体微元，对流体微元在x轴和y轴两个方向进行受力分析，得到在x轴方向受力平衡方程和y轴方向的受力平衡方程，根据牛顿流体的性质，求得流体沿x轴和y轴方向的速度；求出手指皮肤表面和触摸表面间的间隙关于时间变量T和空间变量X的偏导数，对压强在时间T和空间X上进行差分处理，用差商代替偏导数，得到压强的差分方程；根据挤压膜内压强的边界条件，设定挤压膜内的迭代初始压强值P0和迭代误差后进行迭代，当前后两次迭代得到的压强差的绝对值小于迭代误差后，终止迭代，得到挤压膜内的压强，本方法对压电触觉反馈装置的设计具有指导意义。有指导意义。有指导意义。

【技术实现步骤摘要】
一种用于压电触觉反馈装置的空气挤压膜内压强计算方法


[0001]本专利技术属于压电触觉反馈装置领域，涉及一种用于压电触觉反馈装置的空气挤压膜内压强计算方法。

技术介绍

[0002]触觉正在成为一个重要的感官模拟对象，为了感受自然丰富的触感，触觉反馈设备应运而生，随着触觉反馈设备的出现，提高了人们对人机交互和自然触觉反馈的兴趣，通过用压电元件激励的触觉反馈装置具有响应速度快，驱动频带宽，振动强度大，振动体验感觉细腻真实，声学噪声小，功耗低等优点而受到广泛应用，并且在不改变物体表面实际形状的基础上实现触觉的多样性。通过压电元件激励触摸表面来实现触觉多样性的一个主要原理是空气挤压膜效应，由于手指和触摸表面在接触区域存在很多间隙，当压电元件激励触摸表面使触摸表面产生振动，在特定的频率和振幅下，手指皮肤和触摸表面之间会形成空气挤压膜，膜内压强平均值大于大气压，使得两表面之间的摩擦力减小，从而实现触感的不同。由于手指皮肤结构和性质的复杂性，目前对空气挤压膜内压强的求解是通过将手指皮肤和触摸表面的接触等效成带有初始间隙的两平滑表面来处理的(如图1所示)，通过假设挤压数为无穷大即振动频率为无穷大来求得膜内压强的解析解，这种等效模型存在以下不足，一是没有考虑触摸表面各点振幅的不一致，二是求得的膜内压强只适用于触摸表面振动频率很大的情况下，不适用于低频振动，三是不能体现出手指在触摸表面不同位置时压强的变化。这些不足导致了基于该理论制作的压电触觉反馈装置达不到最佳触觉效果。

技术实现思路

[0003]为了解决上述问题，本专利技术提供本专利技术采用的技术方案是：一种用于压电触觉反馈装置的空气挤压膜内压强计算方法，该方法包括以下步骤：
[0004]获取挤压膜内流体微元，对流体微元在x轴和y轴两个方向进行受力分析，得到在x轴方向受力平衡方程和y轴方向的受力平衡方程，根据牛顿流体的性质，求得流体沿x轴和y轴方向的速度；
[0005]根据流体连续性方程，分别得到x，y和z方向流体质量的变化量，结合流体沿x轴和y轴方向的速度再根据流体在边界处无滑动，利用莱布尼兹公式法则，得到挤压膜内压强与时间和空间的动力学方程；
[0006]建立手指皮肤表面和触摸表面的接触模型，根据压电元件激励下触摸表面的稳态响应和简化后的手指皮肤轮廓函数得到手指皮肤表面和触摸表面间的间隙；
[0007]求出手指皮肤表面和触摸表面间的间隙关于时间变量T和空间变量X的偏导数，对压强在时间T和空间X上进行差分处理，用差商代替偏导数，得到压强的差分方程；
[0008]根据挤压膜内压强的边界条件，设定挤压膜内的迭代初始压强值P0和迭代误差后进行迭代，当前后两次迭代得到的压强差的绝对值小于迭代误差后，终止迭代，得到挤压膜内的压强。
[0009]进一步地，所述在x轴方向受力平衡方程和y轴方向的受力平衡方程为分别为：
[0010][0011][0012]其中：公式(1)为挤压膜内流体微元在x方向受力的平衡方程；公式(2)为挤压膜内流体微元在y方向受力的平衡方程，p为挤压膜内压强，τ为流体微元受到的切应力。
[0013]进一步地，所述流体沿x和y方向的速度为：
[0014][0015][0016]其中：u为膜内流体沿x方向的速度，v为膜内流体沿y方向的速度，u0、v0分别为触摸表面沿x、y方向的速度，u1、v1分别为手指皮肤沿x、y方向的速度，h为挤压膜厚度，η为空气黏度。
[0017]进一步地，所述根据流体连续性方程，分别得到x，y和z方向流体质量的变化量，结合流体沿x轴和y轴方向的速度再根据流体在边界处无滑动，利用莱布尼兹公式法则，得到挤压膜内压强与时间和空间的动力学方程的过程如下：
[0018]根据流体连续性方程，分别得到x，y和z方向流体质量的变化量，再根据总的流体质量的变化量等于密度的变化量乘以体积得：
[0019][0020]m
x
为x方向流体质量的变化量，m
y
为y方向流体质量的变化量；m
z
为z方向流体质量的变化量，t为时间变量，ρ为流体密度；
[0021]利用微分和积分可以交换的莱布尼兹公式法则，根据流体在边界处无滑动得EQ1：
[0022][0023]由于手指皮肤和一维触摸表面在振动下的运动，且手指移动速度对膜内压强的影响可忽略不计，故上式可得挤压膜内压强与时间和空间的动力学方程EQ2，EQ2的表达式如下。
[0024][0025]进一步地：求出手指皮肤表面和触摸表面间的间隙关于时间变量T和空间变量X的偏导数，对压强在时间T和空间X上进行差分处理，用差商代替偏导数，得到压强的差分方程得过程如下：
[0026]建立手指皮肤表面与触摸表面的接触模型，为了增强触觉感受，压电元件的激励频率是触摸表面的共振频率，分别建立触摸表面稳态响应的坐标系和手指皮肤轮廓坐标系，根据两个坐标系之间的关系，得到两表面接触区域挤压膜厚度简化为EQ3：
[0027][0028]EQ2和EQ3的无量纲形式分别为EQ4和EQ5：
[0029][0030]H＝1+
ò
sin(T)sin(k1X1)+δcos(k2X2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0031]其中：T＝wt，T＝wt，P为压强的无量纲化形式，p
a
为大气压，p为挤压膜内压强，ω为触摸表面振动的频率，h为触摸表面和手指皮肤之间的间隙，h0为手指皮肤和触摸表面的初始平均间隙，h
v
为触摸表面的振幅，l0为触摸表面和手指皮肤之间的接触长度，λ为波长，L为手指皮肤表皮脊节距，l
c
为手指在触摸表面的位置；
[0032]EQ5对时间变量T和空间变量X的偏导数为：
[0033][0034]对EQ4作变换后展开为EQ6：
[0035][0036]S＝P2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)
[0037]其中：S表示无量纲化压强的平方；
[0038]对压强在时间T和空间X上进行差分处理，用差商代替偏导数得：
[0039][0040][0041][0042][0043][0044][0045]将差商代入EQ6得压强的差分方程EQ7，所述EQ7得表达式如下，
[0046][0047]其中：P
i,j
为第(i,j)节点处的压强值，S
i,j
为第(i,j)节点处的压强值的平方，H
i,j
为第(i,j)节点处的挤压膜厚度。
[0048]进一步地，所述挤压膜内压强的边界条件为：
[0049][0050]其中：当时间T＝0时，挤压膜内的压强为大气压，即P
i,j
(T＝0)＝1，S
i,j
(T＝0)＝1，在挤压膜边界处即X＝0和X＝1的压强为大气压，即P
i,j
(X＝0,X＝1)＝1，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于压电触觉反馈装置的空气挤压膜内压强计算方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：获取挤压膜内流体微元，对流体微元在x轴和y轴两个方向进行受力分析，得到在x轴方向受力平衡方程和y轴方向的受力平衡方程，根据牛顿流体的性质，求得流体沿x轴和y轴方向的速度；根据流体连续性方程，分别得到x，y和z方向流体质量的变化量，结合流体沿x轴和y轴方向的速度再根据流体在边界处无滑动，利用莱布尼兹公式法则，得到挤压膜内压强与时间和空间的动力学方程；建立手指皮肤表面和触摸表面的接触模型，根据压电元件激励下触摸表面的稳态响应和简化后的手指皮肤轮廓函数得到手指皮肤表面和触摸表面间的间隙；求出手指皮肤表面和触摸表面间的间隙关于时间变量T和空间变量X的偏导数，对压强在时间T和空间X上进行差分处理，用差商代替偏导数，得到压强的差分方程；根据挤压膜内压强的边界条件，设定挤压膜内的迭代初始压强值P0和迭代误差后进行迭代，当前后两次迭代得到的压强差的绝对值小于迭代误差后，终止迭代，得到挤压膜内的压强。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在x轴方向受力平衡方程和y轴方向的受力平衡方程为分别为：力平衡方程为分别为：其中：公式(1)为挤压膜内流体微元在x方向受力的平衡方程；公式(2)为挤压膜内流体微元在y方向受力的平衡方程，p为挤压膜内压强，τ为流体微元受到的切应力。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流体沿x和y方向的速度为：3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流体沿x和y方向的速度为：其中：u为膜内流体沿x方向的速度，v为膜内流体沿y方向的速度，u0、v0分别为触摸表面沿x、y方向的速度，u1、v1分别为手指皮肤沿x、y方向的速度，h为挤压膜厚度，η为空气黏度。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据流体连续性方程，分别得到x，y和z方向流体质量的变化量，结合流体沿x轴和y轴方向的速度再根据流体在边界处无滑动，利用莱布尼兹公式法则，得到挤压膜内压强与时间和空间的动力学方程的过程如下：根据流体连续性方程，分别得到x，y和z方向流体质量的变化量，再根据总的流体质量的变化量等于密度的变化量乘以体积得：
m
x
为x方向流体质量的变化量，m
y
为y方向流体质量的变化量；m
z
为z方向流体质量的变化量，t为时间变量，ρ为流体密度；利用微分和积分可以交换的莱布尼兹公式法则，根据流体在边界处无滑动得EQ1：由于手指皮肤和一维触摸表面在振动下的运动，且手指移动速度对膜内压强的影响可忽略不计，故上式可得挤压膜内压强与时间和空间的动力学方程EQ2，EQ2的表达式如下。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述求出手指皮肤表面和触摸表面间的间隙关于时间变量T和空间变量X的偏导数，对压强在时间T和空间X上进行差分处理，用差商代替偏导数，得到压强的差分方程得过程如下：建立手指皮肤表面与触摸表面的接触模型，为了增强触觉感受，压电元件的激励频率是触摸表面的共振频率，分别建立触摸表面稳态响应的坐标系和手指皮肤轮廓坐标系，根据两个坐标系之间的关系，得到两表面接触区域挤压膜厚度简化为EQ3：EQ2和EQ3的无量纲形式分别为EQ4和EQ5：H＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢继春，柏雷，纪鑫宇，杨匡，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：