Multi-point tactile interfaces driven by piezoelectric actuators : design of a compliant 3D-printed mechanism

In the last ten years, the world witnessed a revolutionary change of everyone habits due to the success of a new class of devices based on touch technologies, i.e. the smartphones. This new type of devices came with the potentiality of expand many aspects of everyday life without limits, from the field of communication till the creation of new economic sectors. People interact with smartphones through their hands. However, the tactual interaction with these devices lacks realistic feedbacks. Three elements have been identified in order to make the touch-and-feel of a device interface realistic. The first is the way the interface stimulates the tactile sensory system in terms of type of physical phenomenon exploited to provide the stimulation and the parameters that defines its intensity. The second element is the possibility of providing different feedbacks at different touch points at the same time. The last one is the ability to give a local feedback without exciting the whole device frame. Most of the available devices on the market are not able to provide realistic tactile feedback and no one gives more than one feedback at the same time. In this work, I show an analysis of the technologies to make a multi-point tactile display. In the first part, an analysis of the characteristics of the human tactile sensory system is provided. In the second chapter, I identify an actuation system that can provide tactile feedbacks tuned on such characteristics. The chosen technology is an extensional stack actuator, made of piezoelectric material. In order to overcome the problem linked to the maximum stroke of piezoelectric actuators, a compliant mechanism is selected as the structure to amplify the provided actuation. A lattice structure has been selected to prevent that the actuation movement spreads all over the tactile display. The structure is a chiral pattern with resonant inclusions, that is able to stop waves in defined ranges of frequencies. Both the compliant mechanism and the chiral structure are meant to be 3D-printed in order to take advantage of the potentiality of the additive manufacturing technologies. A shape optimization process is then described for the design of the amplification compliant mechanism, customizable on the size of the actuator. The optimization is executed by exploiting the potentialities of \matlab along with the Nelder-Mead optimization algorithm and running a Python script through Abaqus. Eventually, the results of the optimization are presented.

Negli ultimi dieci anni, il mondo ha assistito ad un rivoluzionario cambiamento nelle abitudini della grande maggioranza delle persone come conseguenza del successo di una nuova classe di apparecchiature basate su tecnologia "touch", come ad esempio gli smartphones. Questa nuova tipologia di apparecchi è giunta accompagnata dalla potenzialità di espandere senza limiti molti aspetti della vita di ogni giorno, dal campo delle comunicazioni fino a creare nuovi settori economici. Le persone interagiscono con gli smartphones attraverso le loro mani. Ciò nonostante, l'interazione tattile con questi apparecchi manca di sensazioni realistiche. Tre elementi sono stati individuati per definire realistica l'esperienza sensoriale che si ha interagendo con uno di questi apparecchi. Prima di tutto, le modalità con cui tale interfaccia stimola il senso del tatto dal punto di vista del fenomeno fisico sfruttato per generare la stimolazione e dei parametri che ne definiscono l'intensità. In secondo luogo, la possibilità di fornire sensazioni di risposta specifiche in differenti punti di tocco dell'interfaccia allo stesso momento. Terzo, l'effetto tattile in output deve essere locale senza andare a caratterizzare l'intera struttura dell'apparecchio. La maggioranza degli apparecchi disponibili sul mercato non sono in grado di fornire risposte tattili realistiche e nessuna fornisce più di una risposta allo stesso tempo. In questo lavoro viene presentata un'analisi delle tecnologie atte alla realizzazione di un display tattile multipunto. Nella prima parte vengono analizzate le caratteristiche del sistema sensoriale umano dal punto di vista del tatto. Segue l'identificazione di un sistema di attuazione in grado di fornire risposte tattili elaborate su tali caratteristiche. La scelta individuata è un attuatore a pila in materiale piezoelettrico. Per superare il problema legato alla massima corsa fornita dagli attuatori piezoelettrici, è stata identificata una struttura di amplificazione di tale corsa. Per prevenire il fatto che l'attuazione generata si estenda all'intero display tattile è stata selezionata una struttura reticolare. Quest’ultima è costituita da uno schema chirale con inserti risonanti ed è in grado di fermare onde in determinate gamme di frequenza. Sia la struttura di amplificazione che quella chirale sono pensate per essere stampate in 3D al fine di sfruttare le potenzialità della tecnologia di additive manufacturing. Viene poi descritto un ciclo per l'ottimizzazione di forma del meccanismo di amplificazione, personalizzabile sulle dimensioni dell'attuatore. L'ottimizzazione è eseguita sfruttando le potenzialità offerte da \matlab abbinato all'algoritmo di ottimizzazione Nelder-Mead e governando Abaqus attraverso un codice scritto in linguaggio Python. Infine, sono presentati i risultati dell'ottimizzazione.