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系統識別號 U0002-3008200616284300
中文論文名稱 電腦輔助盲用電腦壓電式點字方模組動態模擬與最佳化設計
英文論文名稱 Computer Aided Dynamic Simulation and Optimal Design of Piezoelectric-Actuated Braille Display Cell in Braille Computer
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 94
學期 2
出版年 95
研究生中文姓名 黃泰鈞
研究生英文姓名 Tai-Chun Haung
學號 693341561
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2006-07-05
論文頁數 83頁
口試委員 指導教授-葉豐輝
委員-盧永華
委員-李正隆
委員-蔡慧駿
委員-李經綸
中文關鍵字 壓電致動器  點字顯示方  最佳化設計  動態模擬 
英文關鍵字 Piezoelectric actuator  Braille display cell  optimum design  dynamic simulation 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本文係運用電腦輔助軟體,探討新型壓電式點字顯示方模組最佳化設計並模擬其動態行為。首先使用有限元素法進行壓電致動器參數分析,初步決定壓電致動器自由端至夾持位置之距離和最小電壓,以符合點字桿作動需向上位移0.7公厘和至少承受15克重的手指壓力。其次依據0.7公厘的位移與15克重的輸出力量為限制條件,並以致動器總長度和自由端至夾持端的距離為設計條件,再配合電壓最小化的原則來進行最佳化設計,然後將所得到最佳結果設計出完整壓電式點字顯示方模組。最後將模組導入動態分析軟體進行動態模擬,分析結果顯示致動器僅需費0.002秒,即可快速將作動點字桿向上位移0.7公厘,接著在點字桿施力25克重時,觀察到作動點字桿下沈至0.613 公厘即可頂住,因此本文之最佳化設計結果應屬合理,可提供相關設計研究參考。
為了更完整呈現點字顯示器的八點點字顯示行為,將所完成的單方結果擴展成六方,進一步模擬「淡江大學」的點字行為作動,藉以觀察視障者操作點字顯示器的實際狀況。
再者,本研究針對點字顯示器進行人因工程問題探討。點字顯示器外型與按鍵設計主要參考標準鍵盤,探討標準鍵盤人因工程問題且提出解決對策,以手部為最佳之人因工程原則作為點字顯示器設計規範,藉此改善操作姿勢,減少手部尺偏、背屈角度,進而避免長期操作產生手部的累積性傷害。
英文摘要 In this researcher, the optimum design and dynamic analysis of a new type of piezoelectric actuated Braille display cell are studied by computer aided engineering software. At first, the design parameters of piezoelectric actuator are analyzed by finite element method to determine the position of fixed end and minimum voltage to actuate 0.7 mm displacement and 15 gw output force. Then, the optimum design is performed according to the electric displacement 0.7mm, output force 15 gw, actuator length, position of fixed end and minimum voltage. Finally, Braille display cell is analyzed by dynamic simulation software. It shows that actuators take 0.002 sec to upward achieve 0.7 mm displacement. The result of optimum design is reasonable in this researcher which can be the reference for related research.
In order to show the Braille behavior more completely. The result of one cell is expanded to six cells to simulate the Braille behavior of “淡江大學” further. The actual situation can be observed for visually impaired people when they operate Braille display.
Besides, this researcher focus on the design and solution of Ergonomic of Braille display. The design of figure and bottoms are mainly referred to standard keyboard. The problem of Ergonomic of standard keyboard is discussed, and the solution is announced. The Ergonomic of hands is based on design rules of Braille display. The new style Braille display is helpful to decrease the angle of ulnar deviation and dorsiflexion, and abstain operators CTD(cumulative trauma disorders).
論文目次 目 錄
中文摘要........................Ⅰ
英文摘要........................Ⅱ
目錄............................Ⅲ
圖目錄..........................Ⅵ
表目錄..........................Ⅸ
符號索引........................Ⅹ
第一章 緒論.....................01
1.1 前言....................01
1.2 文獻回顧................04
1.3 研究動機................09
1.4 論文架構................10
第二章 基本理論.................12
2.1 壓電理論................12
2.1.1 壓電效應............12
2.1.2 壓電本構方程式......12
2.2 有限元素法..............13
2.3 最佳化理論..............15
2.3.1 次問題近似法........15
2.3.2 最佳化問題架構......15
2.3.3 SUMT理論............16
2.4 ADAMS/Flex彈性體理論....17
第三章 點字顯示方模組設計原理...22
3.1 設計構想................23
3.2 塑膠基座之初始概念設計..24
3.3 點字顯示方模組設計提要..26
3.4 平均肉厚設計............28
3.5 容易組裝之設計..........29
3.6 機構組裝檢驗............29
3.7 電腦輔助設計流程........29
第四章 點字顯示方之最佳化設計...32
4.1 壓電致動器之參數分析....32
4.1.1 有限元素分析........32
4.1.2 材料參數與網格模型建立32
4.1.3 邊界條件設定........34
4.1.4 分析結果............36
4.2 最佳化設計..............38
4.3 點字顯示方模組相關零件設計40
4.3.1 點字顯示方模組......40
4.3.2 各零件設計圖........41
第五章 點字顯示方之動態模擬.....51
5.1 柔性體分析..............51
5.2 剛體分析................57
5.3 點字顯示器導入ADAMS.....57
5.4 點字行為模擬............58
第六章 結論與未來展望...........66
6.1 結論....................66
6.2 未來展望................67
參考文獻........................69
附錄A 最佳化設計完整結果........73
附錄B 點字顯示方概念設計模型....75
附錄C 點字顯示器外型與按鍵設計..77
C.1 點字顯示器之人因工程探討77
C.1.1 人因工程問題........77
C.1.2 手指姿勢與點字顯示器之關係78
C.1.3 手腕姿勢與點字顯示器之關係79
C.2 人因工程問題解決對策....79
C.2.1 自然鬆弛姿勢........79
C.2.2 最小變動量設計原則..80
C.2.3 動作經濟原則........80
C.2.4 肌電訊號原理........80
C.2.5 手指靈巧度..........81
C.3 點字顯示器按鍵與操作說明81
C.3.1 按鍵說明............81
C.3.2 操作說明............82
C.4 觸覺符號與按鍵設計......83
圖目錄
圖1-1 :六點與八點點字..........02
圖2-1 :壓電效應示意圖..........12
圖2-2 :彈性體示意圖............18
圖3-1 :二十四方並排插在主機板..23
圖3-2 :四十五方並排插在主機板..23
圖3-3 :塑膠基座設計解說圖......24
圖3-4 :懸桁迫緊式設計..........29
圖3-5 :電腦輔助設計流程........31
圖4-1 :初始壓電致動器之設計....33
圖4-2 :SOLID 5示意圖...........33
圖4-3 :壓電致動器網格模型......34
圖4-4 :邊界條件給予............35
圖4-5 :壓電致動器-未通電.......35
圖4-6 :壓電致動器-通電.........36
圖4-7 :壓電致動器-作動.........36
圖4-8:夾持位置不同時,在不同電壓下電位移37
圖4-9:夾持位置不同時,在不同電壓下輸出力量37
圖4-10:點字顯示方模組..........41
圖4-11:點字顯示方模組設計圖....41
圖4-12:點字顯示方模組零件說明圖43
圖4-13:八點顯示方模組..........44
圖4-14:八點顯示方模組設計圖....44
圖4-15:塑膠基座................45
圖4-16:塑膠基座設計圖..........45
圖4-17:塑膠基座中段夾持示意圖..46
圖4-18:最佳化壓電致動器........46
圖4-19:最佳化壓電致動器設計圖..46
圖4-20:電路板..................47
圖4-21:電路板設計圖............47
圖4-22:固定電路板的插銷........48
圖4-23:固定電路板的插銷設計圖..48
圖4-24:點字桿設計重點..........49
圖4-25:四組點字桿立體圖........49
圖4-26:點字桿設計圖............50
圖5-1:壓電致動器導入ADAMS......52
圖5-2:向下位移狀況-1...........53
圖5-3:向下位移狀況-2...........53
圖5-4:向下位移-時間圖..........54
圖5-5:向下速度-時間圖..........54
圖5-6:向上位移狀況-1...........55
圖5-7:向上位移狀況-2...........55
圖5-8:向上位移-時間圖..........56
圖5-9:向上速度-時間圖..........56
圖5-10:輸出力量-時間圖.........56
圖5-11:點字顯示方模型導入ADAMS-156
圖5-12:點字顯示方模型導入ADAMS-256
圖5-13:點字顯示方通電模擬-1....57
圖5-14:點字顯示方通電模擬-2....57
圖5-15:點字顯示方作動模擬-1....58
圖5-16:點字顯示方作動模擬-2....60
圖5-17:點字桿施加力量示意圖....60
圖5-18:點字桿施力10克重的位移-時間圖61
圖5-19:點字桿施力15克重的位移-時間圖61
圖5-20:點字桿施力20克重的位移-時間圖62
圖5-21:點字桿施力25克重的位移-時間圖62
圖5-22:淡江點字模擬............63
圖5-23:大學點字模擬............63
圖5-24:淡江大學點字模擬-觸讀面.64
圖B-1 :概念模型試作品-1........75
圖B-2 :概念模型試作品-2........75
圖B-3 :概念模型試作品-3........76
圖B-4 :概念模型試作品-4........76
圖C-1 :二十四方點字顯示器......82
圖C-2 :四十五方點字顯示器......83
表目錄
表2-1:慣性矩陣.................20
表4-1:初始設計及最佳化後所得可行設計39
表4-2:經由最佳化設計所得最佳結果40
表A-1:最佳化設計完整結果(SET 1-SET 14)73
表C-1:手指靈巧度表(秒/次)......81
參考文獻 參考文獻
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34廖偉志,ADAMS-高階機械系統分析軟體,虎門科技股份有限公司,2000。
論文使用權限
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