【《静电力触觉增强仿真与实验分析》5200字】

静电力触觉增强仿真与实验分析目录TOC\o"1-3"\h\u30193静电力触觉增强仿真与实验分析 1300151.1“人体—触屏”复合电容的物理建模 1104811.2边界条件选取及仿真遵循的基本原理 3101681.3“人体—触屏”复合电容多物理场耦合仿真 445441.4静电力触觉增强实验 8176051.4.1触觉反馈实验 9112101.4.2电压阈值估计实验 111.1“人体—触屏”复合电容的物理建模 本章采用多物理场仿真软件COMSOL对第2章中“人体—触屏”复合电容进行了建模与仿真分析。为了得到静电力触觉增强的具体作用效果与哪些因素有关，并定量分析出它们之间的变化关系，首先必须依照仿生学原理并利用COMSOL三维内核建立“人体—触屏”复合电容的三维模型。 建模应当首先确定的是实体对象的尺寸参数与几何特征。对于人用手指触摸一个物体表面的情况，手指可以近似等效为一个均质弹性体，其表面具有指纹状分布的形貌特征，手指皮层最外层的角质层是直接受到触摸面挤压力与外电场静电力的作用对象。相对于手指外表面来说，被触摸面（屏幕外侧绝缘层）可被认为约等于一个均质刚体，且表面极其平滑。图1.1人体指腹与静电力触觉增强激发极板的三维实体建模 其次是尺寸，以青年食指为例，食指表面积大约为1.7×2.6cm2；对于静电力触觉增强效应触发装置，为实现可穿戴，同时保证人体受到静电感应的部分只局限在十根手指指腹处，应使触发装置与激发极板与手指指腹尺寸及形状一致。此外，通常屏幕最外层二氧化硅绝缘层厚度为200μm，建模时将极板与指腹模型之间的间距设置为210μm（考虑空气隙）。在COMSOL中对人体食指指腹与静电场激发极板的三维建模如图 其次，创建新的多物理场仿真环境，选择研究为稳态研究，选取静电场与固体力学两个物理场进行研究，添加机电力接口用于研究静电力对手指的作用效果，并将上述物理模型导入。 值得注意的是，实际触摸情景并非在一个真空环境中，因此需要设置接触实体所在的空间为空气域，仿真空气域通常可以采用球状或方盒状，这里采用后者。之后对所建物理实体进行材料添加，赋材料时几何实体层全部选择为域。将盒子材料赋为空气，指腹模型赋为COMSOL自带材料库中的skin，并将指腹的杨氏模量手动设为0.18Mpa，泊松比为0.3。将极板材料赋为纯铜。1.2边界条件选取及仿真遵循的基本原理 在静电场设置中，首先应进行边界条件的设定。第一，采用电荷守恒边界条件，坐标系选为全局坐标系。该条件满足的边界方程如下：(1.1)(1.2) 其次设立零电荷边界假设，即将所建实体（包含空气域）的所有边界都激活。该条件满足的边界方程如下： (1.3) 选取指腹与极板作为终端1与终端2，在指腹端设置电压V1=0V，在极板端设置电压在固体力学物理场中，设置指腹模型为线弹性材料，设置极板为刚性材料。设置二者位移场与速度场的初始值均为0。此外，以极板坐标系为绝对坐标系（假设极板绝对静止），设置极板为固定约束。 由于本仿真的研究目的是：1、仿真“人体—触屏”复合电容随外加电压幅值的变化规律2、揭示不同波形与不同幅值的交变电压产生的静电吸引力对指腹麦克斯韦张量应力的大小与引起指腹应变的大小的变化规律。因此需要在每一时刻仿真计算人体与触屏之间的静电力数值大小。在COMSOL多物理场模块下添加机电力接口，在机电力设置中耦合固体力学与静电两个接口。由于仿真需要根据麦克斯韦应力张量公式进行数值计算，下面对由麦克斯韦应力张量引发的单位体积力进行推导。麦克斯韦应力张量可表达为：(1.4)其中，Tij是麦克斯韦应力张量，E代表电场，B代表磁场，μ0对于空间中的一个电荷，它收到电场力和洛伦兹力两个作用，其合力称之为单位体积力。如果用高斯定律替换掉电荷密度，用麦克斯韦—安培定律替换点电流密度，则点电荷受到的单位体积力可表达为下式：(1.4) 式子（1.4）中，f为电荷所受单位体积力，t为时间。 我们知道单位时间内电磁场通过单位表面积向外传递的能量在电磁学领域中被定义为坡印廷矢量，符号记为S，也称其为能流密度，其公式表达式为：(1.5) 结合麦克斯韦应力张量Tij与坡印廷矢量S，电荷受到的单位体积力可f(1.6)1.3“人体—触屏”复合电容多物理场耦合仿真接下来对建模实体进行网格的剖分，在序列类型中选择物理场控制网格，单元大小常规即可，具体网格划分效果如下：airair图1.2“人体—触屏”复合电容物理模型的网格划分示意图 开始对电压、极板间距两个参量进行参数化扫描，分析静电力随外加电压变化的时域变化关系。设置Vs=(0,10,220)[V]，步长为10V；设置极板间距S=(0,1,6)[mm]，步长为图1.3“人体—触屏”复合电容间静电力随外加电压的变化关系仿真结果 从图1.3中的信息可以看出，人体手指指腹与触屏中间导电层（极板）之间的静电力大小与外加电压幅值为二次函数关系，该仿真得到的静电力-电压关系曲线很好地印证了第2章中2.3节内由功能原理推导出的“人体—触屏”多层复合电容间静电力公式（2.8），也证明对人体-触屏多层复合电容的漏电假设与分层理论具有合理的现实意义。该仿真除了可以通过有限元方法计算指腹与触屏间的静电力，“人体—触屏”复合电容随外加电压增大时，由于仿真中的指腹被设定为高分子弹性体，因此会存在局部由静电力与麦克斯韦应力张量而引发的局部应变，这种应变虽然很小，但相对于指腹与触屏间假设的间距，该种应变也会反过来影响“人体—触屏”复合电容的极板间距，从而影响复合电容值的大小。因此，为了研究复合电容是否被电压影响，通过仿真对人体复合电容的具体数值仿真结果如下图所示。图1.4“人体—触屏”复合电容值的大小随外加电压改变的变化趋势 如图1.4所示，根据COMSOL在不同外加电压幅值时对“人体—触屏”复合电容值的仿真结果可知，人体复合电容值的大小与外加电压并无明显的单调关系，其电容值在0-220V的电压条件下，在5.9494法拉的附近出现数次波动。在外加电压Vs=50V与100V时，“人体—触屏”复合电容值最小；在外加电压Vs=130V时，“人体—触屏”复合电容的值最大，这意味着此时“人体—触屏”复合电容的间距最小，指腹与触屏表面的挤压最剧烈，指腹受静电吸引力的变形程度最大，此时由外加电压激发的静电力触觉增强效应最明显，此时“人体—触屏”复合电容中指腹与触屏导电层间的电场分布如图1.5所示。图1.5最适外加电压幅值条件下的“人体—触屏”复合电容间电场强度分布图 此外，为了探究激发静电力触觉效应的最佳“人体—触屏”复合电容极板间距，通过对极板间距进行参数化扫描，我们对不同极板间距（触屏绝缘层厚度与空气隙厚度）时的“人体—触屏”复合电容间电场进行了仿真。图1.6展示了当指腹与触屏的间距变化时，“人体—触屏”复合电容间电场的细微差别。图1.6不同极板间距下的“人体—触屏”复合电容间电场仿真结果图 根据电容计算公式可知，当极板间距变大时，电容的触电能力呈反比例函数下降，即最大电荷储存能力与极板间距呈反比例函数减小。仿真结果如图1.7也印证了指腹与触屏端，当绝缘层厚度线性变厚时，二者的触电能力下降先急后缓的变化趋势。图1.7指腹角质层与触屏随绝缘层厚度变化所带电荷量的变化规律 同样地，在空气隙与触屏绝缘层厚度变化的情况下，人体复合电容储电量与指腹与触摸屏间激发的触觉增强静电力也会随之改变。二者随绝缘层厚度增加的变化规律及趋势如下图1.8所示。通过第2章的2.3节公式（8）分析可知，“人体—触屏”复合电容中静电力与等效绝缘层厚度h0图1.8“人体—触屏”复合电容值与指腹与触屏间静电吸引力随不同绝缘层厚度的变化规律 综上，为了强化人体手指指腹与触屏导电层间的静电力触觉增强效应，应在真实实验中使外加电压在130V左右的范围内，并保证手指紧贴静电力激发屏幕，通过调控外加交变电压的频率与波形来测量不同人的静电力触觉增强效应激发阈值。1.4静电力触觉增强实验 本实验采用的实验仪器主要有3M公司生产的Microtouch系列触摸板SCT3250，作为静电力触觉效应激发装置使用；以及NAPUI公司生产的程控变频电源PW350一台，用于提供静电力触觉激发电压信号；以及若干铜板、铁板、亚克力板、万用表、导电胶、眼镜布（用于擦净屏幕）、PE塑料薄膜（用于改变绝缘层厚度）、双相电缆及插头、电焊设备、绝缘胶布、绝缘手套与护目镜。具体选用仪器如下图1.9所示。图1.9实验选用仪器与材料为了验证“人体—触屏”耦合电容的物理模型的可靠性与准确性，同时对仿真结果进行检验，本节针对电压、频率所调控的静电力触觉增强效应对人体触觉反馈的影响进行了双盲实验，并对静电振动激发的个体触感差异进行了解释；此外，针对每个试验者的静电力触觉增强效应激发阈值，采用“最小觉差法”对每个个体的触觉激发阈值进行了估计。1.4.1触觉反馈实验 在触觉反馈实验中，主要目的是判断通过不同的激励频率与压差，人体对静电振动触发的触觉感受的规律与特点。 实验前，首先要求试验者用肥皂将手洗净，这样可以最大化地去油污并保证手指干燥。净手后，先用纸巾擦干，再用吹风机对实验用手二次烘干，确保角质层足够干燥。预实验中，在用眼镜布将触摸屏擦干擦净后，实验人员被要求在做实验前先感受屏幕表面由静电力激发的触觉增强效应，直至有明显感受。在此过程中，实验人员需要用五个手指反复触摸屏幕，选定一个自认为触感最强烈的手指，将次作为正式实验全程中的感觉用指。正式实验中，试验者需要用同一手指的同一部位在指定的范围内进行触摸，如图1.10，并对依次给定的四个信号进行触觉打分。为了探究人体触觉感受器对静电力触觉增强效应不同频率与电压的效应，本项实验的激励信号选为由电压峰-峰值60伏与峰-峰值110伏，和180Hz与400Hz的四种排列组合而成的正弦单向激励电压信号。图1.10屏幕上划定的触摸域打分项目包括“光滑—粗糙”与“黏性—振动”两项，单项分数可在1至5间选取。对于“光滑—粗糙”项目，试验者首先在触摸屏未通电时抚摸屏幕，并将此时的触感作为光滑（1分）的基准；之后再用同一手指的同一部位触摸磨砂纸，并将此时的触感作为粗糙（5分）的基准。对于“黏性—振动”实验，目的是考量人对静电力触觉增强效应在不同种类信号的情况下感觉上的差异，如果认为更像振动，则打分高于2.5，最高为5分；如果认为更像黏性，则打分低于2.5，最低为1分。为消除志愿者与实验人员的主观偏差，本实验采取双盲实验（即实验中试验者与实验人均不知道此时的激励信号参数）。该实验的志愿者全部为机械学院的大四学生，共计12名，年龄分布在20~22岁之间。具体实验结果如图1.111与1.12所示。图1.11“光滑—粗糙”静电力触觉反馈结果图1.12“黏性—振动”静电力触觉反馈结果由图1.11分析可知，不论对于低频180Hz或高频400Hz的激励信号，当电压幅值增大时，人体对静电力触觉效应导致的粗糙触感体验加强（粗糙度打分分别从1.05和2.71增加到了4.05与1.13），该结果对2.3节中建立的“人体—触觉”电容模型与公式（2.8），以及1.3节中的机电力仿真结果，都形成了很好的验证。当手指与触屏在同一压差下，频率越高，试验者认为触感变得更光滑，这意味着高频时人体对静电力调控的摩擦感觉更弱（粗糙度打分由1.05与4.05下降到了2.71与1.13）。1.4.2电压阈值估计实验 本实验的目的是测量人体的静电力触觉增强激发阈值，并对不同各体的激发阈值差异进行原因分析。 实验前的准备工作包括净手、干燥、擦拭屏幕。由上一项实验结果可知，人体对低频时的静电振动更为敏感，为了使测量阈值的频率更贴近手指组织的敏感频带，本项试验对人体在180Hz的电压激励信号下的阈值进行估计。 本次实验的原理模仿数学中逼近真值的二分法，具体实验步骤如下图1.13所示。在试验者触摸之前，首先对触摸屏通一个振幅峰-峰值较大的电压，本实验统一采用110伏，确保所有各体均有触觉响应。之后，以一固定步长（这里取20伏）进行降压，没降压一次，需要实验参与者回答“是否有电振摩擦触感”，若回答为“有”，则继续按原步长降压；若回答“没有”，则按原步长升压后再按原步长降压。若试验者仍回答“没有”，则按上一步长的一半升压。而后重复前述步骤，经过多次试验，最终试验者的感知电压会被缩小至一个较窄电压区间，此区间的中值被认为是该名试验者的静电力触觉增强电压激发阈值。图1.13人体静电力触觉增强电压激发阈值测量流程经过试验后发现，不同