高密度大面积自锁式触觉显示装置的研究

摘要

目前，全球视力受损的人士已有2.85亿，其中盲人约有3900万，且人数仍在持续增长。随着信息化时代的发展，盲人对信息阅读的需求大，而传统盲文纸质书籍厚重、容易损耗、内容少等弊端逐渐显著，市面上单行盲文点显器显示盲文字符有限，不如全页式的盲文书籍体验感强。为了解决盲人阅读困难的问题，本文创新地提出一种具有永磁自锁的电磁式触觉显示装置，可以显示盲文字符、图形轮廓、公式等内容，具有体积小、低功耗、响应速度快等特点，能够较好的满足盲人的使用需求。　　本文以点阵密度高、响应速度快、功耗低且便于携带为设计目标，通过电磁驱动、永磁自锁的方式设计了一种自锁式驱动器，以此实现了10×10触觉显示装置的研发。完成所有零件设计及建模、材料选型并进行零件的加工，结合实际安装中出现的问题对触觉显示装置提出进一步的结构改进。　　阐述本文设计的自锁式驱动器的工作原理及内部结构，以手指触摸的压力阈值为设计依据，通过对圆柱永磁体的磁场分析，确定其对磁性材料的吸合力大小及对应的气隙，然后计算出本文驱动器中线圈的相关参数。　　根据已经初步计算好的结构参数，通过Ansoft Maxwell对驱动器进行建模及静态仿真分析，计算出永磁体在线圈不同通电情况下受到的驱动力及吸合力，并对永磁体与线圈的相对位置、永磁体厚度及骨架壁厚进行优化。在动态仿真分析中，得到永磁体在上升和下降过程中的位移、磁力、速度曲线图，以及两种运动过程的动态响应时间。　　最后，对本文的触觉显示装置实物样机进行相关性能测试，包括触点响应所需通电时间测试、触点支撑力大小测试及触摸感知实验，其中触点支撑力约为48mN，触点响应所需通电时间为2ms，实验结果与仿真结论基本一致，并验证装置在触摸使用上的可行性。

目录

声明

摘要

1．1研究背景及意义

1．2国内外触觉显示装置的研究现状

1．2．1国内外触觉显示装置的研究现状

1．2．2驱动方式与自锁方式总结分析

1．3论文研究的主要内容

1．3．1论文研究的重难点

1．3．2论文研究的创新点

1．4论文组织结构安排

2．1引言

2．2自锁式触觉显示装置的方案设计要求

2．3自锁式触觉显示装置整体结构设计

2．3．1点阵显示层的设计

2．3．2电磁驱动层的设计

2．3．3驱动电路层的设计

2．4自锁式触觉显示装置的结构改进

2．4．1触针的结构改进

2．4．2线圈骨架的结构改进

2．4．3上铁芯与定位板的结构改进

2．4．4底壳的结构改进

2．5自锁式触觉显示装置的整体安装及调试

2．6本章小结

3．1引言

3．2自锁式驱动器的设计

3．3自锁式驱动器的永磁体磁场力分析

3．3．1圆柱永磁体磁场分布规律

3．3．2圆柱永磁体磁场力分析

3．4自锁式驱动器双稳态磁力计算

3．4．1永磁体上吸合力计算

3．4．2永磁体下吸合力计算

3．5电磁线圈的参数设计

3．6本章小结

4．1引言

4．2自锁式驱动器静态特性仿真分析

4．2．1驱动器模型的建立及参数设置

4．2．2驱动器静态仿真结果与分析

4．3自锁式驱动器结构参数的优化

4．3．1线圈与永磁体相对位置优化

4．3．2永磁体厚度优化

4．3．3线圈骨架壁厚优化

4．4自锁式驱动器动态特性仿真分析

4．4．1驱动器模型的建立及参数设置

4．4．2驱动器动态仿真结果与分析

4．5本章小结

5．1引言

5．2自锁式触觉显示装置的响应时间测试

5．3自锁式触觉显示装置的支撑力评测

5．4自锁式触觉显示装置的便携性与可拓展性

5．5本章小结

6．1论文总结

6．2工作展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间参加的科研项目和成果

致谢