李志瑤，孫禹澤，田曉超，徐安俊，張代治

(長春大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，吉林 長春 130022)

0 引 言

盲文點(diǎn)字顯示器，簡稱盲文點(diǎn)顯器，也常稱作盲文顯示機(jī)、盲文終端，是一種專為盲人設(shè)計(jì)的能以盲文進(jìn)行輸出的電子機(jī)械設(shè)備,將計(jì)算機(jī)中的文字信息轉(zhuǎn)換為盲文，讓盲人通過觸覺與計(jì)算機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互。

目前點(diǎn)顯器驅(qū)動(dòng)方式主要有記憶合金式[1]、電磁驅(qū)動(dòng)式[2-4]、電活性聚合物驅(qū)動(dòng)式[5-7]，電刺激式[8]、以及其他方式[9]構(gòu)造的盲文點(diǎn)顯裝置。其中形狀記憶合金響應(yīng)速度快且產(chǎn)生的應(yīng)變較大，工作環(huán)境要求高，給實(shí)際工作帶來困難；電磁驅(qū)動(dòng)耗能高、體積大、產(chǎn)生熱量高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；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(dòng)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(dòng)方式的盲文點(diǎn)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(dòng)式盲文點(diǎn)顯器主要體現(xiàn)為施加正反電壓壓電陶瓷伸長和收縮的特性，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(yùn)動(dòng)，從而形成觸點(diǎn)凸起或回落循環(huán)切換，形成可刷新的盲文字符[10-11]。

筆者提出一種實(shí)現(xiàn)盲文點(diǎn)顯效果的裝置，利用壓電振子振動(dòng)激勵(lì)腔內(nèi)液體發(fā)生系統(tǒng)共振，壓縮液體驅(qū)動(dòng)柔性薄膜形成盲文觸點(diǎn),實(shí)現(xiàn)點(diǎn)顯功能。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

壓電驅(qū)動(dòng)柔性盲文點(diǎn)顯裝置結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。該裝置主要由激振系統(tǒng)、傳振系統(tǒng)、點(diǎn)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(diǎn)顯系統(tǒng)包括下殼體、密封圈、上殼體、柔性薄膜、觸摸板。

圖1 柔性點(diǎn)顯裝置結(jié)構(gòu)示意圖

流體腔結(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型密封圈進(jìn)行密封，并且側(cè)面開有輸液孔，具有注液和排氣功能。柔性薄膜置于上殼體表面，用O型密封圈壓至槽內(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(diǎn)。

圖2 流體腔結(jié)構(gòu)示意圖

壓電驅(qū)動(dòng)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(dòng)力。傳振桿是兩端攻有螺紋的階梯軸，上端中心處有孔并且開槽，T形連接桿在卡箍的作用下緊固在槽孔中，形成一個(gè)整體。傳振桿上軸肩處安放十字彈性支撐板，并用螺母進(jìn)行緊固，用來保證傳振桿能夠垂直在結(jié)構(gòu)中部，而壓電振子只需用螺母安裝在傳振桿底部即可。

圖3 壓電驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

在壓電振子上施加交變信號(hào)，壓電振子產(chǎn)生往復(fù)彎曲變形，通過配重塊將振動(dòng)位移放大。傳振桿將來自激振系統(tǒng)的振動(dòng)作用到彈性片上，由于水的壓縮性非常小，可忽略不計(jì)。當(dāng)外界輸入頻率與系統(tǒng)固有頻率相近或一致時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生諧振，此時(shí)激振裝置振幅達(dá)到最大。流體介質(zhì)在慣性作用下，柔性薄膜中心處的位移被進(jìn)一步放大，凸顯出的柔性膜就形成了觸感柔和無尖銳感的盲文字符觸點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)測試

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)測試裝置主要有顯示器、試驗(yàn)樣機(jī)、變頻控制器、高精度激光位移計(jì)、試驗(yàn)臺(tái)、24 V電源等，此外，還要用到注射器、量杯等一些輔助工具。

試驗(yàn)臺(tái)的搭建如圖4所示，高精度激光位移計(jì)支撐架保持水平狀態(tài)，并將其安裝在上下可調(diào)的平臺(tái)上，將點(diǎn)顯裝置置于傳感器的正下方，傳感器的激光光斑與觸點(diǎn)孔的中心位置重合進(jìn)行校準(zhǔn)。傳感器將所測數(shù)值轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后將測量數(shù)值實(shí)時(shí)顯示。測試系統(tǒng)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對柔性薄膜凸點(diǎn)顯示的影響。

圖4 實(shí)驗(yàn)測試裝置

2.2 流體腔直徑對系統(tǒng)輸出能力的影響

選擇直徑為27 mm、29 mm、31 mm、33 mm四種規(guī)格的流體腔直徑進(jìn)行測試，實(shí)物圖如圖5所示。腔室高度選為9.7 mm，柔性薄膜的初始狀態(tài)和表面張緊程度相同。將腔體內(nèi)部注入一定量的水，體積分別為15 mL、18 mL、20 mL、22 mL，腔體結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所列。

圖5 不同直徑的流體腔

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

不同腔體直徑柔性薄膜中心點(diǎn)的幅值特性如圖6所示。從圖中可以看出，在共振點(diǎn)及其附近頻率區(qū)間振幅較大，柔性薄膜總體上是隨著腔體直徑的增加先增加后減小，共振頻率也逐漸增加。柔性薄膜振幅隨腔體直徑的增加先增加后減小，系統(tǒng)共振頻率為375.4 Hz，腔體直徑為31 mm時(shí)，點(diǎn)顯效果明顯，輸出振幅可達(dá)0.203 mm。

圖6 柔性薄膜中心點(diǎn)振幅曲線圖

共振頻率與最大振幅都呈現(xiàn)先增加后加小的趨勢，主要是因?yàn)椴煌睆降那惑w在保證相同的初始條件時(shí)，不同充水量下的柔性薄膜張緊力不同，使系統(tǒng)剛度逐漸增加，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。

2.3 流體腔高度對系統(tǒng)輸出能力的影響

保證腔體直徑、柔性薄膜張緊程度相同狀態(tài)下，分析腔體高度對系統(tǒng)性能的影響。不同流體腔高度的實(shí)物圖如圖7所示。實(shí)驗(yàn)選用了7 mm、8 mm、9 mm、10 mm共4種腔高，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所列。

圖7 不同腔高腔體

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

柔性薄膜中心點(diǎn)的幅頻特性如圖 8所示。從圖中可看出，不同腔體高度下柔性薄膜曲線基本重合，柔性薄膜共振頻率在300～350 Hz之間。結(jié)果表明：在保證腔體直徑和初始條件相同的前提下，腔體高度對點(diǎn)顯效果的影響很小，輸出的振幅都能達(dá)到0.15 mm以上，點(diǎn)顯效果較為明顯。

圖8 柔性薄膜中心點(diǎn)振幅曲線圖

2.4 配重塊系統(tǒng)輸出能力的影響

質(zhì)量塊的大小是影響整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)諧振頻率的主要因素，在實(shí)驗(yàn)過程中，選擇了長寬高分別為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)四種不同質(zhì)量的配重塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

采用高精度激光位移計(jì)測試柔性薄膜的振幅，柔性薄膜的幅頻特性如圖9所示。

圖9 柔性薄膜的振幅圖

從圖中可以看出，柔性薄膜的輸出位移隨著配重質(zhì)量的增加呈減小的趨勢，柔性薄膜振幅與配重質(zhì)量成反比，配重質(zhì)量越大，柔性薄膜的振幅越小。配重質(zhì)量為11.75 g，共振頻率為350 Hz，柔性薄膜最大振幅為0.214 mm。

2.5 懸臂長度對系統(tǒng)性能的影響

在其它性能參數(shù)不變的情況下,將矩形壓電振子懸臂長度作為變量,分別取49 mm,79 mm,89 mm,三種懸臂長度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出，柔性薄膜的振幅隨著懸臂長度的增加呈先增加后減小的趨勢，主要因?yàn)閼冶坶L度過長，剛度變小，在端部質(zhì)量塊的影響下，產(chǎn)生彎曲撓度將受到影響。

圖10 柔性薄膜的振幅圖

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種基于壓電驅(qū)動(dòng)流體的柔性盲文點(diǎn)顯裝置，壓電驅(qū)動(dòng)流體共振形成盲文字符。對系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，探討了流體腔直徑、流體腔高度、配重質(zhì)量、懸臂長度等因素對系統(tǒng)顯示效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 隨著流體腔直徑的增加，柔性薄膜的共振頻率逐漸增大，腔體直徑在31 mm時(shí)，凸顯柔性薄膜的振幅達(dá)到最優(yōu)值0.203 mm。

(2) 不同腔體高度下，柔性薄膜的共振頻率、振幅在共振點(diǎn)處表現(xiàn)出近似的變化特征，結(jié)果表明腔體高度對放大效果的影響較小。

(3) 在不同配重質(zhì)量塊下，柔性薄膜的振幅隨質(zhì)量的增加而減小，受到了配重質(zhì)量塊的限制。

(4) 流體腔直徑為31 mm，高度為8 mm，配重質(zhì)量塊11.75 g，懸臂長度為79 mm，共振頻率為350 Hz，柔性薄膜形成觸點(diǎn)輸出位移為0.214 mm。在振動(dòng)動(dòng)態(tài)刺激的作用下，手指能夠明顯感受到有字符凸點(diǎn)。滿足盲人觸摸敏感標(biāo)準(zhǔn)的要求。