Pvdf tipi saydam piezoelektrik eyleyiciler ile dokunsal geribildirimli ekran tasarımı
Design of a haptic display with transparent pvdf piezoelectric actuators
Yazar: ENES SELMAN EGE
Danışman: PROF. DR. ABDULKADİR BALIKÇI
Gebze Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, poliviniliden florür (PVDF) tipi saydam piezoelektrik eyleyicilerin ekranlarda bölgeselleştirilmiş dokunsal geribildirim üretmek için kullanılabileceği gösterilmiştir. Bunun için bir dokunmalı ekran arayüzü tasarlanmış ve hazırlanmıştır. Dokunum, birçok araştırma konusunun buluştuğu disiplinler arası bir alan olduğundan öncelikle bu konular hakkında genel bilgi verilmiştir. İnsan derisinin ve özellikle parmak ucunun dokunsal işaretleri nasıl algıladığından ve algılanan işaretlerin beyin tarafından nasıl yorumlandığını inceleyen psikofizik biliminden bahsedilmiştir. Tasarlanan arayüz karakterize edilirken duyusal mutlak eşik değeri belirlenmiş ve bunun için amaca uygun bir deney prosedürüne başvurulmuştur. Prosedür hakkında ön bilgi verilmiştir. Ayrıca PVDF eyleyicilerin sonlu elemanlar analiz programında nasıl modelleneceği anlatılmıştır. Son olarak konu ile ilgili günümüze kadar yapılmış bilimsel çalışmalar özetlenmiştir.
Yöntem bölümünde, dokunsal arayüz ve kontrol devresi anlatılmıştır. Bu kapsamda farklı eyleyici konfigürasyonuna sahip iki arayüz hazırlanmıştır. Eyleyicileri tasarlanan deney prosedürüne göre kontrollü olarak aktive etmek için bir mikrokontrolör, yükseltici ve çok kanallı anahtarlama modülünden oluşan bir düzenek kurulmuştur. Ayrıca iki arayüzün sonlu elemanlar programında yapılan serbest ve zorlanmış titreşim analizinin çıktıları verilmiştir. Elden edilen sonuçlar insan deneylerinde kullanılacak parametrelerin değerlerinin belirlenmesi için önemlidir. Kısaca, bu bölümde dokunsal arayüzlerin teknik özellikleri ve çalıştırılma şartları sonlu elemanlar analiziyle tespit edilmiştir.
Tasarlanan arayüzlerin, insanların kullanımına uygun olup olmadığının anlaşılabilmesi için psikofizik açıdan doğrulanması gerekmektedir. Bu amaçla iki farklı arayüzdeki deneylerde sabit uyartılı zorunlu seçim yöntemi uygulanmıştır. Birinci konfigürasyonda, PVDF eyleyicilerin insan algısı için en uygun olacak şekilde nasıl uyarılacaklarını tespit edilmiştir. İkinci konfigürasyonda ise hedef, yine aynı özellikteki PVDF eyleyicilerle dokunsal geribildirimlerin bölgeselleştirilebileceğini göstermektir.
Sonraki bölümde, elde edilen deney sonuçları 2-yönlü ANOVA yöntemi kullanılarak yorumlanmıştır. Birinci arayüzde yapılan deneylerde eyleyicilerin uygun çalışma parametreleri şu ana kadar yapılan çalışmalarla uyumlu olacak şekilde belirlenmiştir. İkinci konfigürasyondaki deney sonuçları da ortaya koymuştur ki, tasarlanan arayüz ile bölgeselleştirilmiş dokunsal geribildirimler çok yüksek bir doğruluk oranıyla kullanıcıya verilebilir.
Sonuç bölümünde ise genel bir değerlendirme yapılmış ve PVDF eyleyicilerin gelecekteki potansiyel kullanım alanları öngörülmeye çalışılmıştır.

Abstract:
In this study, it has been demonstrated that transparent polyvinylidene fluoride (PVDF) actuators can be utilized to generate localized haptic feedback on screens. For this purpose, a touchscreen interface has been designed and prepared. Since haptics is an interdisciplinary field that encompasses various research topics, general information about these subjects has been provided, first. Psychophysical science, which examines how the human skin, especially the fingertip, perceives tactile signals and how the perceived signals are interpreted by the brain, has been discussed. While characterizing the designed interface, the absolute detection thresholds value has been determined, and an appropriate experimental procedure has been applied for this purpose. Preliminary information about the procedure has been provided. Additionally, it has been explained how PVDF actuators can be modeled in finite element analysis software. Finally, scientific studies conducted on the subject until today have been summarized.
In the Method section, the haptic interface and control circuit have been described. In this context, two interfaces with different actuator configurations have been prepared. A set-up consisting of a microcontroller, an amplifier, and a multi-channel switching module has been established to activate and control the actuators according to the designed experimental procedure. Furthermore, the outputs of the free and forced vibration analyses conducted in the finite element software have been provided. The results obtained are important for determining the values of parameters to be used in human experiments. In short, in this section, the technical specifications and operating conditions of the designed haptic interfaces have been determined through finite element analysis.
To understand whether the designed interfaces are suitable for human use, they need to be validated psychophysically. For this purpose, forced-choice experiments with fixed stimuli have been conducted on two different interfaces. In the first configuration, it has been determined how the actuators should be stimulated to be most suitable for human perception. In the second configuration, the aim is to demonstrate that haptic cues can be localized with the PVDF actuators.
In the subsequent section, the obtained experimental results have been interpreted using 2-way ANOVA. In the experiments conducted on the first interface, appropriate operating parameters for the actuators have been determined to be compatible with previous studies. In addition, the results of the experiments in the second configuration have shown that with the designed interface, localized haptic cues can be provided to the user with very high accuracy.
Finally, a general evaluation has been made, and potential future applications of PVDF actuators have been predicted.