【《可穿戴静电力触觉渲染手套的设计分析》2400字】

可穿戴静电力触觉渲染手套的设计分析目录TOC\o"1-3"\h\u751可穿戴静电力触觉渲染手套的设计分析 163031.1可穿戴触觉渲染手套的设计与建模 1190441.2可穿戴触觉增强手套的谐响应分析 41.1可穿戴触觉渲染手套的设计与建模 目前，针对静电力触觉增强效应的搭载平台，主要是利用现有电容触摸屏来激发静电力。但是，作为一项在人机交互领域有着极大潜力的新型传感机理，对静电力触觉效应激发装置的小型化及可穿戴化应该被考虑。 对此，为了发展基于触觉感知的人机交互新方式，同时加快促进静电力触觉效应与虚拟现实（VR）与增强现实（AR）的有效融合，将静电力触觉效应激发装置集成在可穿戴设备的必要性是显而易见的。本章首先结合静电力触觉效应的激发原理，设计了一种可搭载静电力触觉增强效应指垫的可穿戴仿生触觉增强与渲染手套，手套的CATIA三维建模如下图1.1所示。图1.1可穿戴静电力触觉增强手套的CATIA三维建模 仿生触觉增强手套的整体结构如上图所示，主要包含手指活动结构、手背包裹单元、手臂固定单元、连接板与销、双连杆、腕固定带与臂固定带七部分组成。其中，手指活动结构又由指尖单元、指关节单元一、指关节单元二与连杆组成。静电力触觉增强激发指垫的外绝缘层需与人体手指的每个指腹紧密接触，因此采用插装的方式安装在可穿戴手套指尖单元处预留敞开的空间，并将包好绝缘皮的导线由每一指垫依次引出用胶带固着在手套背面，通过腕固定带压紧后与可调电源相连接，整体电缆连接示意图如图1.2所示。图1.2静电力触觉增强指垫在可穿戴手套的安装方案及其电路引线连接示意图此外，考虑到实验中的安全性，由于要通超过人体安全极限的电压（>36V），因此手套各部位必须保证绝对的绝缘；对于击穿效应，由于手套由3D打印制备，如图1.3所示，打印材料为ABS材料（ρ>10图1.3可穿戴触觉增强手套3D打印实物及其佩戴效果图1.2可穿戴触觉增强手套的谐响应分析谐响应即对一个线性结构施加一系列不同频率的正弦激励，并分析实体在周期信号下的稳态响应，不考虑其在振动初期的瞬态响应。该分析的目的是求出结构响应值，例如应变与应力，与各成分频率的关系。谐波响应求解器基于模式叠加技术，并执行以下步骤：如果施加了基本激励载荷，则计算并组装单元质量矩阵，否则计算并组装单元载荷和节点载荷矢量。使用的质量矩阵类型取决于固有频率分析中使用的类型。计算模态载荷和相关的相角。如果应用瑞利阻尼，则评估模态阻尼。使用振动模式向量计算模态单元应力和应变以及节点反应。计算模态位移幅度和相角。通过组合模态结果来计算结构的响应，例如节点位移，反作用力和单元应力。确定响应幅度和相位角。为了通过有限元手段分析求解出1.1节所设计的静电力触觉渲染手套在受迫振动时是否会出现局部应力应变过大而导致疲劳破坏或共振等有害效果，故在本节对所建触觉渲染手套进行基于有限元的谐响应分析，分析目的是得到手套指尖在往复力作用下的振动状态，包括位移及应力。首先，由于谐响应分析采用了模态叠加法，需要基于模态的各阶振型、位移、频率，通过叠加各阶模态的贡献得到系统响应的结果，因此先利用ANSYSWorkbench19.2对静电力触觉渲染手套进行了模态分析。在模态分析中，第一步进行模型预处理。手套整体及连接件全部选为ABS塑料，绑带等弹性体的材料选为橡胶。部分材料参数如下图1.4所示。图1.4有限元分析中ABS塑料的理化参数 第二步，将CATIA模型转化为stp格式，导入ANSYS的Spaceclaim空间，导入后的模型如下图1.5所示。图1.5导入Spaceclaim空间中的触觉渲染手套三维模型由于本模型具有比较复杂的曲面，Spaceclaim不能直接识别为实体，导入进来的模型显示有很多碎面，如图1.4中半透明的部分。需要用Repair模块进行模型修复处理，由于过程繁琐，故不详细复述，修复后的模型如图1.6所示。图1.6完成碎面修复后的三维手套模型 之后进行接触设置，由于本模型是装配体，需要对各部件进行接触设置。手套主体与手带部分用Bonded连接，手指关节处用Fixed连接，设置好后如图1.7所示。图1.7Bonded（左）与Fixed（右）接触设置 接下来进行网格划分，设定触觉渲染手套模型的主体网格尺寸为4mm，弹性橡胶绑带的网格尺寸为3mm，手指各关节套筒的网格大小为2mm，选用ANSYS中的四面体高阶单元划分。经过软件自动剖分，手套的网格模型如下图1.8所示，总共260963个节点，147911个单元。图1.8触觉渲染手套有限元网格划分示意图 进行边界条件选取及载荷选取。由于对手套的模态分析在于模拟手套的振动状态，因此将手套内表面用fixedsupport固定作为仿真的边界条件，如图1.9所示。图1.9触觉渲染手套模态分析的边界条件：内表面固定 由于实验中的激励频率为150Hz，因此此次模态分析仿真了0-200Hz内的触觉渲染手套的振型与响应，以保证足够的余量并找到与激励频率相近的激励频率。对触觉渲染手套的模态分析各阶响应频率如下：图1.10静电力触觉渲染手套模态分析结果中的前20阶固有频率图1.11静电力触觉渲染手套第14阶振型 根据模态响应的结果可知，触觉渲染手套的前20阶固有频率中，第14阶固有频率与实验所施加的激励信号频率相近，为148.14Hz。如图1.9所示，从触觉渲染手套第14阶模态的振型可以看出，最大振幅位于无名指指尖处。因此，在谐响应仿真中应将振动载荷施加到无名指指尖以探测风险。根据实验测得振动力最大幅值，在谐响应仿真中设置正弦振动载荷的幅值为0.1N，频率为150Hz，如图1.12所示。图1.12谐响应仿真在手套无名指端施加载荷示意图 经过ANSYS仿真运算求解，触觉渲染手套的应力云图与应变云图如下图所示。图1.13施加振动载荷后的手套应力（左）与应变云图（右）综上，根据谐响应仿真结果显示，在实际静电力触觉效应触发的正弦振动激励下，触觉渲染手套各结构件的最大等效应力为2.1Mpa，位置位于无名指指尖单元套筒与指关节单元连接处，其值远小于ABS塑料的屈服极限41Mpa，因此没有断裂风险；手套的