(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210639158.8 (22)申请日 2022.06.07 (71)申请人 燕山大学 地址 066004 河北省秦皇岛市海港区河北 大街西段438号 (72)发明人 邢继春　柏雷　纪鑫宇　杨匡　 (74)专利代理 机构 大连东方专利代理有限责任 公司 21212 专利代理师 姜威威　李洪福 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 17/18(2006.01) G06F 17/11(2006.01) G06F 3/01(2006.01) G06F 113/08(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种用于压电触觉反馈装置的空气挤压膜 内压强计算方法 (57)摘要 本发明一种用 于压电触觉反馈装置的空气 挤压膜内压强计算方法， 该方法包括以下步骤： 获取挤压膜内流体微元， 对流体微元在x轴和y轴 两个方向进行受力分析， 得到在x轴方向受力平 衡方程和y轴方向的受力平衡方程， 根据牛顿流 体的性质， 求得流体沿x轴和y轴方向的速度； 求 出手指皮肤表面和触摸表面间的间隙关于时间 变量T和空间变量X的偏导数， 对压强在时间T和 空间X上进行差分处理， 用差商代替偏导数， 得到 压强的差分方程； 根据挤压膜内压强的边界条 件， 设定挤压膜内的迭代初始压强值P0和迭代误 差后进行迭代， 当前后两次迭代得到的压强差的 绝对值小于迭代误差后， 终止迭代， 得到挤压膜 内的压强， 本方法对压电触觉 反馈装置的设计具 有指导意义。 权利要求书4页 说明书10页 附图3页 CN 115146497 A 2022.10.04 CN 115146497 A 1.一种用于压电触觉反馈装置的空气挤压膜内压强计算方法， 其特征在于： 该方法包 括以下步骤： 获取挤压膜内流体微元， 对流体微元在x轴和y轴两个方向进行受力分析， 得到在x轴方 向受力平衡方程和y轴方向的受力平衡方程， 根据牛顿流体的性质， 求得流体沿x轴和y轴方 向的速度； 根据流体连续性方程， 分别得到x， y和z方向流体质量的变化量， 结合流体沿x轴和y轴 方向的速度再根据流体在边界处无滑动， 利用莱布尼兹公式法则， 得到挤压膜内压强与时 间和空间的动力学 方程； 建立手指皮肤表面和触摸表面的接触模型， 根据压电元件激励下触摸表面的稳态响应 和简化后的手指皮肤轮廓函数 得到手指皮肤表面和触摸表面间的间隙； 求出手指皮肤表面和触摸表面间的间隙关于时间变量T和空间变量X的偏导数， 对压强 在时间T和空间X 上进行差分处 理， 用差商代替偏导数， 得到 压强的差分方程； 根据挤压膜 内压强的边界条件， 设定挤压膜内的迭代初始压强值P0和迭代误差后进行 迭代， 当前后两次迭代得到的压强差的绝对值小于迭代误差后， 终止迭代， 得到挤压膜内的 压强。 2.如权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述在x轴方向受力平衡方程和y轴方向的受 力平衡方程 为分别为： 其中： 公式(1)为挤压膜内流体微元在x方向受力的平衡方程； 公式(2)为挤压膜内流体 微元在y方向受力的平衡方程， p为 挤压膜内压强， τ 为 流体微元受到的切应力。 3.如权利要求1所述的方法， 其特 征在于， 所述 流体沿x和y方向的速度为： 其中： u为膜内流体沿x方向的速度， v为膜内流体沿y方向的速度， u0、 v0分别为触摸表面 沿x、 y方向的速度， u1、 v1分别为手指皮肤沿x、 y方向的速度， h为 挤压膜厚度， η为空气黏度。 4.如权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述根据流体连续性方程， 分别得到x， y和z 方向流体质量的变化量， 结合流体沿x轴和y轴 方向的速度再根据流体在边界处无滑动， 利 用莱布尼兹公式法则， 得到挤压膜内压强与时间和空间的动力学 方程的过程如下： 根据流体连续性方程， 分别得到x， y和z方向流体质量的变化量， 再根据总的流体质量 的变化量等于密度的变化 量乘以体积得：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115146497 A 2mx为x方向流体质量的变化量， my为y方向流体质量的变化量； mz为z方向流体质量的变 化量， t为时间变量， ρ 为 流体密度； 利用微分和积分可以交换的莱布尼兹公式法则， 根据流体在边界处无滑动得EQ1： 由于手指皮肤和一维触摸表面在振动下的运动， 且手指移动速度对膜内压强的影响可 忽略不计， 故上式可 得挤压膜内压强与时间和空间的动力学 方程EQ2， EQ2的表达式如下。 5.如权利要求1所述的方法， 其特征在于： 所述求出手指皮肤表面和触摸表面间的间 隙 关于时间变量T和空间变量X的偏导数， 对压强在时间T和空间X上进行差分处理， 用差商代 替偏导数， 得到 压强的差分方程得 过程如下： 建立手指皮肤表面与触摸表面的接触模型， 为了增强触觉感受， 压电元件的激励频率 是触摸表面的共振频率， 分别建立触摸表面稳态响应的坐标系和手指皮肤轮廓坐标系， 根 据两个坐标系之间的关系， 得到 两表面接触区域 挤压膜厚度简化 为EQ3： EQ2和EQ3的无量纲形式分别为EQ 4和EQ5： H＝1+òsin(T)sin(k1X1)+δcos(k2X2)                  (20) 其中： T＝wt， P为压强的无量纲化形式， pa为大气压， p为挤压 膜内压强， ω为触摸表面振动的频率， h为触摸表面和手指皮肤之间的间隙， h0为手指皮肤 和触摸表面的初始平均间隙， hv为触摸表面的振幅， l0为触摸表面和手指皮肤之间的接触长 度， λ为波长， L 为手指皮肤表皮脊节 距， lc为手指在触摸表面的位置； EQ5对时间变量T和空间变量X的偏导数为：权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115146497 A 3