电磁振动式触觉执行器及其制备方法和应用与流程

本发明涉及人机交互，特别是涉及一种电磁振动式触觉执行器及其制备方法和应用。

背景技术：

1、良好的触觉反馈是继视觉与听觉之后增强交互沉浸感的决定性因素，对于人机交互、人人交互具有其它感知方式无可取代的特殊性与重要性。目前主流触觉执行器件主要通过电机旋转或流体充盈产生变化的压力或振动来刺激贴合皮肤部位的机械感受器，然而在灵活度和可操控性方面存在明显不足。

2、针对此问题，一个有效的解决思路是利用柔性电子皮肤，制备一套触觉反馈系统，将传统的电子原器件轻薄化、小型化、可拉伸化，制成像皮肤一样的超薄可穿戴器件。而基于电磁感应原理的器件在反应速度和精度控制上都具有无可比拟的优势，但是，普通电磁感应原理的触觉执行器使用的都是单臂悬摆结构，作为悬臂的聚酰亚胺膜限制了中心磁铁的振动幅度，且该触觉执行器的触觉反馈力度与频率和人体皮肤之间的匹配性较差，从而导致其振动反馈效率低下，同时单臂结构器件的耐久性也达不到商业化的使用要求。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述问题，提供一种电磁振动式触觉执行器及其制备方法和应用，所述电磁振动式触觉执行器能够提高振动反馈效率，且具有更长的使用寿命。

2、一种电磁振动式触觉执行器，包括铜线圈、支撑圆环、磁铁以及至少两个完全相同的波纹型聚酰亚胺膜，所述波纹型聚酰亚胺膜具有第一端部和第二端部，其中，所述支撑圆环固定于所述铜线圈的任意表面以形成容纳空间，所述波纹型聚酰亚胺膜的第一端部均与所述磁铁固定连接，第二端部均与所述支撑圆环固定连接，以使所述磁铁被固定于所述容纳空间的中心位置并能够在所述容纳空间内振动。

3、在其中一个实施例中，所述波纹型聚酰亚胺膜的厚度为30μm～50μm；

4、及/或，所述波纹型聚酰亚胺膜的相邻波峰之间的距离为0.5mm～1.5mm；

5、及/或，所述波纹型聚酰亚胺膜的峰高0.5mm～1mm。

6、在其中一个实施例中，所述波纹型聚酰亚胺膜的数量为四个。

7、在其中一个实施例中，当所述波纹型聚酰亚胺膜的数量为两个或三个时，所述波纹型聚酰亚胺膜的第一端部均固定连接于所述磁铁背离所述铜线圈的表面；

8、当所述波纹型聚酰亚胺膜的数量为四个以上时，所述磁铁的两个表面均固定连接有所述波纹型聚酰亚胺膜的第一端部。

9、在其中一个实施例中，所述波纹型聚酰亚胺膜的第一端部的面积小于或等于所述磁铁任意表面的面积。

10、在其中一个实施例中，所述支撑圆环与所述铜线圈外径相同且中轴线重合。

11、在其中一个实施例中，所述铜线圈内径为1mm～3mm，外径为4mm～6mm，厚度为0.1mm～0.4mm；

12、及/或，所述支撑圆环高度为1mm～2mm，内径为3mm～5mm，外径为4mm～6mm；

13、及/或，所述磁铁的直径为1mm～2mm，厚度为0.5mm～1mm。

14、在其中一个实施例中，所述电磁振动式触觉执行器的直径为5mm～6mm，厚度为1.3mm～1.6mm。

15、在其中一个实施例中，所述支撑圆环选自树脂支撑圆环；

16、所述铜线圈的材料选自硬铜线、软铜线、半硬铜线、镀锡铜线、平角铜线、无氧铜线、漆包线、铜箔丝、铜包钢中的至少一种；

17、所述磁铁的材料选自钐钴磁体、钕铁硼磁体、铁氧体磁体、铝镍钴磁体、铁铬钴磁体中的至少一种。

18、一种电磁振动式触觉执行器的制备方法，包括以下步骤：

19、将支撑圆环与铜线圈的任意表面固定连接以形成容纳空间；

20、提供至少两个完全相同的波纹型聚酰亚胺膜，所述波纹型聚酰亚胺膜具有第一端部和第二端部，将所述波纹型聚酰亚胺膜的第一端部与所述磁铁固定连接，第二端部与所述支撑圆环固定连接，以使所述磁铁被固定于所述容纳空间的中心位置并能够在所述容纳空间内振动，得到电磁振动式触觉执行器。

21、在其中一个实施例中，所述波纹型聚酰亚胺膜的制备步骤包括，将二酐与二胺聚合形成前驱体，将所述前驱体进行初步定型处理以及置于波纹型模具上进行压印和退火定型处理，切割后得到所述波纹型聚酰亚胺膜。

22、在其中一个实施例中，在所述初步定型处理的步骤中，温度为100℃～500℃，时间为0.5h～3h。

23、在其中一个实施例中，所述波纹型模具的相邻波峰之间的距离为0.5mm～1.5mm，峰高为0.5mm～1mm；

24、及/或，在所述压印和退火定型处理的步骤中，温度为250℃～400℃，时间为0.5h～3h。

25、一种所述的电磁振动式触觉执行器在制备人机交互器件中的应用。

26、本发明的电磁振动式触觉执行器，采用至少两个形状参数完全相同的波纹型聚酰亚胺膜将磁铁固定于触觉执行器的中心位置，从而能够提高触觉执行器磁铁的振动幅度，优化触觉反馈效果，使得触觉执行器的触觉反馈力度和频率与人体皮肤匹配性更好，并且，能够使振动效果更稳定，提高振动次数上限。因此，本发明的电磁振动式触觉执行器能够提高振动反馈效率，且具有更长的使用寿命。

技术特征：

1.一种电磁振动式触觉执行器，其特征在于，包括铜线圈、支撑圆环、磁铁以及至少两个完全相同的波纹型聚酰亚胺膜，所述波纹型聚酰亚胺膜具有第一端部和第二端部，其中，所述支撑圆环固定于所述铜线圈的任意表面以形成容纳空间，所述波纹型聚酰亚胺膜的第一端部均与所述磁铁固定连接，第二端部均与所述支撑圆环固定连接，以使所述磁铁被固定于所述容纳空间的中心位置并能够在所述容纳空间内振动。

2.根据权利要求1所述的电磁振动式触觉执行器，其特征在于，所述波纹型聚酰亚胺膜的厚度为30μm～50μm；

3.根据权利要求1所述的电磁振动式触觉执行器，其特征在于，所述波纹型聚酰亚胺膜的数量为四个。

4.根据权利要求1所述的电磁振动式触觉执行器，其特征在于，当所述波纹型聚酰亚胺膜的数量为两个或三个时，所述波纹型聚酰亚胺膜的第一端部均固定连接于所述磁铁背离所述铜线圈的表面；

5.根据权利要求4所述的电磁振动式触觉执行器，其特征在于，所述波纹型聚酰亚胺膜的第一端部的面积小于或等于所述磁铁任意表面的面积。

6.根据权利要求1～5任一项所述的电磁振动式触觉执行器，其特征在于，所述支撑圆环与所述铜线圈外径相同且中轴线重合。

7.根据权利要求1～5任一项所述的电磁振动式触觉执行器，其特征在于，所述铜线圈内径为1mm～3mm，外径为4mm～6mm，厚度为0.1mm～0.4mm；

8.根据权利要求7所述的电磁振动式触觉执行器，其特征在于，所述电磁振动式触觉执行器的直径为5mm～6mm，厚度为1.3mm～1.6mm。

9.根据权利要求1～5任一项所述的电磁振动式触觉执行器，其特征在于，所述支撑圆环选自树脂支撑圆环；

10.一种如权利要求1～9任一项所述的电磁振动式触觉执行器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

11.根据权利要求10所述的电磁振动式触觉执行器的制备方法，其特征在于，所述波纹型聚酰亚胺膜的制备步骤包括，将二酐与二胺聚合形成前驱体，将所述前驱体进行初步定型处理以及置于波纹型模具上进行压印和退火定型处理，切割后得到所述波纹型聚酰亚胺膜。

12.根据权利要求11所述的电磁振动式触觉执行器的制备方法，其特征在于，在所述初步定型处理的步骤中，温度为100℃～500℃，时间为0.5h～3h。

13.根据权利要求11所述的电磁振动式触觉执行器的制备方法，其特征在于，所述波纹型模具的相邻波峰之间的距离为0.5mm～1.5mm，峰高为0.5mm～1mm；

14.一种如权利要求1～9任一项所述的电磁振动式触觉执行器在制备人机交互器件中的应用。

技术总结
本发明涉及一种电磁振动式触觉执行器，包括铜线圈、支撑圆环、磁铁以及至少两个完全相同的波纹型聚酰亚胺膜，波纹型聚酰亚胺膜具有第一端部和第二端部，其中，支撑圆环固定于铜线圈的任意表面以形成容纳空间，波纹型聚酰亚胺膜的第一端部均与磁铁固定连接，第二端部均与支撑圆环固定连接，以使磁铁被固定于容纳空间的中心位置并能够在容纳空间内振动。本发明还提供电磁振动式触觉执行器的制备方法和应用。本发明的电磁振动式触觉执行器能够提高振动反馈效率，且具有更长的使用寿命。

技术研发人员：冯雪,范谱,王子君,范惠东,于欣格
受保护的技术使用者：浙江清华柔性电子技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15