基于压电超材料的纹理触觉再现研究

论文总字数：26530字

摘 要

高达98%的皮肤覆盖率使触觉成为了人类不可或缺的感官形式，它能够分辨出物体的种种属性，从硬度、大小到纹理、形状，都能够被触觉还原。然而，触觉的再现却由于其实现的困难性，到现在仍处在一个比较基础的阶段。

本文在传统的纹理触觉再现基础之上，利用压电超材料在弹性波导以及特定频率衰减方面所具有的特性，实现触觉再现功能的仿真。我们利用了压电超材料所具有的带隙性质和有效谐振腔性质，结合纹理特征以及压电超材料的概念，仿真分析并实现验证了基于压电超材料的触觉再现技术。同时，在固有频率2894Hz下，通过对四种基础模型即1-1、1-0、0-1、0-0情况的仿真再现，以及对拓展情况即1-0-1-0的研究仿真，最终实现了有限长悬臂梁的振动模态定制。并实现了基于一种超材料的纹理触觉再现。

关键词：力触觉再现、压电超材料、电感电路、带隙、振动模态

Abstract

Up to 98% skin coverage makes touch an indispensable sensory form for human beings. It can distinguish various attributes of objects, from hardness and size to texture and shape, all of which can be restored by touch.However, due to the difficulty of its implementation, tactile representation is still in a relatively basic stage.

Based on the traditional tactile representation of texture, this paper makes use of the characteristics of piezoelectric metamaterials in elastic waveguide and specific frequency attenuation to realize the simulation of tactile representation.By taking advantage of the bandgap and effective resonator properties of piezoelectric metamaterials, combining with the texture characteristics and the concept of piezoelectric metamaterials, the tactile reproduction technology based on piezoelectric metamaterials is simulated and verified.At the same time, at the natural frequency of 2894Hz, the vibration mode customization of finite length cantilever beam is finally realized through the simulation and reproduction of four basic models, namely 1-1, 1-0, 0-1 and 0-0, and the research and simulation of the extended case, namely 1-0-1-0.The tactile representation of texture based on a metamaterial is realized.

Keywords: force-tactile representation, piezoelectric metamaterials, inductive circuits, bandgap, vibration modes

目 录

摘要 ……………………………………………………………………………………………Ⅰ

ABSTARCT ……………………………………………………………………………………… Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1选题背景与意义 1

1.2 触觉再现技术发展现状 2

1.3本文的论文结构与章节安排 2

第二章 压电超材料 3

2.1压电陶瓷概述 3

2.1.1压电效应 3

2.1.2压电陶瓷及其性质 4

2.1.3压电陶瓷的主要性能参数 4

2.2触觉再现概述 4

2.2.1触觉的概念 4

2.2.2触觉感知机理 5

2.2.3纹理触觉表达系统 5

2.2.4多模态力触觉交互技术 5

2.2.5触觉再现技术的未来 6

2.3超材料与声学超材料 6

2.3.1超材料介绍 6

2.3.2声学超材料及其特征 6

2.3.3声学超材料的模型 7

2.3.4声子晶体的应用 8

2.3.5声子晶体的带隙机理 8

2.3.6声学超材料的未来 9

第三章 建模与分析 10

3.1压电超材料振动模式的定制介绍 10

3.2概念说明和物理机制假说 10

3.3集成系统的动态建模与分析 11

第四章 振动模式塑造的结果与讨论 14

4.1共振区域分配 14

4.1.1 0-0情况 14

4.1.2 0-1情况 15

4.1.3 1-0情况 16

4.1.4 1-1情况 17

4.1.5 扩展到1-0-1-0情况 18

4.2 强迫响应分析和有限元验证 19

4.3 频率响应和响应分布 19

第五章 总结与展望 22

参考文献 23

致 谢 25

第一章 绪论

1.1选题背景与意义

虚拟现实技术是时下的热点话题，然而这项技术目前的发展主要集中在了诸如视觉、听觉等感官的交互、模拟之上，围绕着触觉交互技术展开的研究则少之又少。触觉，指的是一种或多种接触感觉，集人体反馈、主动接触触觉、被动感知触觉于一体^[1]，这是人体最为原始且基础的感觉模式。触觉对于人体有着重要的意义，在其他感觉功能出现之前，无论是人类还是其他的生物，往往都通过触觉来感知外部世界，生物体可以缺少其他感觉，但绝少有生物体可以摒弃触觉——这是与外界进行信息交互的最简单方式。另外，触觉还能够感知到人体其他感官无法获知的其他环境信息，由于其多样的获取信息模式（触摸、按压、拿捏等），物体的材质特性经由触觉这一感官通道被触摸者感知，包括硬度、材料、粗糙度等等许多性质。这是由多个神经通道参与的，受到个体生理状况、外界环境、交互方式等多方面影响的感知手段。人体神经组织将交互过程中的外界信息刺激电传入大脑完成识别和分析，并进行相应的行为响应。

时至今日，触觉再现技术已经发展了近一百年。自1924年^[2]，Gault尝试将语音信号转化为振动触觉刺激实验开始，触觉再现相关研究第一次登上了历史舞台。随着神经科学、信息科学等相关学科的不断深入与探索，再加上近来双向遥操作与虚拟现实技术的进一步应用，触觉再现技术正在迈入一个新的发展轨迹，然而与其他几种感觉的再现技术相比，触觉再现技术的发展相对滞后，这是由于触觉再现不仅仅受到客观因素，如被感知物体材料、温度、湿度等等的影响，还受到主观因素如皮肤表面温度、心理状态的影响。此外，这项技术还受到机理复杂^[3]、数据难得^[4]等问题的制约。由此，可以看出触觉再现技术是一项困难重重但具有远大发展前景的技术。

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