Electro-mechanical contact interactions between human finger and touchscreen under electroadhesion
Elektroadhezyon altında insan parmağı ile dokunmatik ekran arasındaki elektro-mekanik kontak etkilişimleri
- Tez No: 850842
- Danışmanlar: PROF. DR. ÇAĞATAY BAŞDOĞAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering, Mechanical Engineering, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Hesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 152
Özet
Elektroadezyon, robotik, otomasyon, uzay görevleri, tekstil, dokunsal ekranlar gibi çok yönlü ve etkili yapışmanın önemli olduğu alanlarda potansiyel uygulamaları olan umut verici bir teknolojidir. Bununla birlikte, teorik modellerin sınırlı gelişimi ve bunları doğrulamak için yetersiz deneysel veri üretilmesi nedeniyle, arkasındaki fizik hala tam olarak anlaşılamamıştır. Bu tez çalışmasında, elektroadezyon altında parmak ile dokunmatik bir ekran arasındaki elektrostatik kuvvetlerin büyüklüğünü tahmin etmek için elektro-mekanik bir model geliştirdik. Elektrostatik kuvvetlerin büyüklüğünü deneysel olarak anlamak için parmak ile dokunmatik ekran arasındaki sürtünme kuvvetlerini de ölçüyoruz. Geliştirdiğimiz model, deneysel verilerle iyi bir uyum içindedir ve elektrostatik kuvvetin büyüklüğündeki değişimin temel olarak parmağın Stratum Corneum katmanından 250 Hz'den düşük frekanslarda dokunmatik ekrana yük sızıntısından ve dokunmatik ekranın elektriksel özelliklerinden kaynaklandığını göstermektedir. Ayrıca, parmak ile dokunmatik ekran arasındaki elektrostatik kuvvetleri elektriksel empedans ölçümlerine dayanan bir yöntem ile tahmin etmek amacıyla, toplam empedansdan parmağın ve ekranın empedanslarının çıkarıldığı ve dolayısıyla kalan empedansın hesaplandığı yeni bir yaklaşım öneriyoruz. Bu yaklaşım, parmak ile iletken katmanına voltaj uygulanan kapasitif dokunmatik ekran arasındaki ortalama hava boşluğu kalınlığının deneysel tahminini yapan ilk çalışmadır ki bu kalınlık elektrostatik kuvvetlerin kestirilmesi için önemlidir. Ayrıca elektrot polarizasyon empedansının elektroadezyon üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Empedans ölçümlerimiz, elektrot polarizasyon empedansının, özellikle düşük frekanslarda, hava aralığının empedansına paralel olarak var olduğunu ve yukarıda bahsi geçen yük sızıntısına (parmaktan ekran yüzeyine) yol açtığını göstermektedir. Ayrıca, bu tezde, değişen parmak nem seviyelerine sahip on katılımcıyı kullanarak dokunmatik ekrana uygulanan DC ve AC voltaj sinyalleri için dokunsal algıyı da araştırıyoruz. Çalışmamız, bir AC sinyali için voltaj algılama eşiğinin, karşılık gelen DC sinyalininkinden önemli ölçüde düşük olduğunu göstermektedir. Bu tez kapsamında geliştirdiğimiz elektrik modelimiz bu farklılığın, düşük frekanslardaki yük sızıntısından dolayı meydana geldiğini işaret etmektedir. Ayrıca parmakları nemli olan katılımcıların geri kalan katılımcılara göre önemli ölçüde daha yüksek eşik seviyelerine sahip olduklarını gözlemledik ve bu gözlem de elektriksel empedans ölçümlerimizle desteklenmektedir. Son olarak, dokunmatik ekranın üst kaplama katmanının elektroadezyonlu ve elektroadezyonsuz dokunma duyumuz üzerindeki etkisini araştırmayı amaçladık ve bu tezin zaman çerçevesi içerisinde ikincisine odaklandık. Bu nedenle, ilk önce farklı malzemelerle kaplanmış dokunmatik ekran yüzeylerinde insanın dokunsal ayrım yeteneğini ölçmek için önce psikofiziksel deneyler, ardından çoklu fiziksel ölçümler yaptık. Deneysel sonuçlar, kaplama malzemesinin dokunsal algımız üzerinde güçlü bir etkiye sahip olduğunu ve insan parmağının, muhtemelen moleküler etkileşimler nedeniyle yüzey kimyasındaki farklılıkları tespit edebildiğini göstermektedir. Sonuç olarak, bu tezin bulguları, elektroadezyon altında parmak-dokunmatik ekran etkileşimlerinin fiziğine yeni bakış açıları sağlamakta ve elektroadezyon kullanan robotik sistemlerin ve dokunsal arayüzlerin tasarımına yönelik çıkarımlarda bulunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Electroadhesion is a promising technology with potential applications in robotics, automation, space missions, textiles, tactile displays, and some other fields where efficient and versatile adhesion is required. However, a comprehensive understanding of the physics behind it is lacking due to the limited development of theoretical models and insufficient experimental data to validate them. In this thesis, we have developed an electro-mechanical model to estimate the magnitude of electrostatic forces between human finger and touchscreen under electroadhesion. We also measured the friction forces between the finger and touchscreen to infer the magnitude of electrostatic forces experimentally. The model is in good agreement with the experimental data and showed that the change in magnitude of the electrostatic force is mainly due to the leakage of charge from the Stratum Corneum layer of the skin to the touchscreen at frequencies lower than 250 Hz and electrical properties of the Stratum Corneum at frequencies higher than 250 Hz. In addition, we proposed a new and systematic approach based on electrical impedance measurements, where skin and touchscreen impedances are measured and subtracted from the total impedance to obtain the remaining impedance in order to estimate the electrostatic forces between the finger and the touchscreen. This approach also marks the first instance of experimental estimation of the average air gap thickness between human finger and voltage-induced capacitive touchscreen. Moreover, the effect of electrode polarization impedance on electroadhesion was investigated. Precise measurements of electrical impedances confirmed that electrode polarization impedance exists in parallel with the impedance of the air gap, particularly at low frequencies, giving rise to the commonly observed charge leakage phenomenon in electroadhesion. We also investigated tactile perception by electroadhesion for DC and AC voltage signals applied to the touchscreen using ten participants with varying finger moisture levels. Our study showed that the voltage detection threshold for an AC signal was significantly lower than that of the corresponding DC signal and we explained this discrepancy by charge leakage at lower frequencies again. We have also observed that the participants with a moist finger had significantly higher threshold levels than the rest of the participants, which is supported by our electrical impedance measurements. Finally, we aimed to investigate the effect of touchscreen's top coating layer on our tactile sensing with and without electroadhesion, and within the time frame of this thesis, we have focused on the latter only. Hence, we first performed psychophysical experiments to quantify human tactile discrimination ability of touchscreen surfaces coated with different materials, followed by multiple physical measurements. The results showed that coating material has a strong influence on our tactile perception and human finger is capable of detecting differences in surface chemistry due to, possibly, molecular interactions. In conclusion, the findings of this thesis provide new insights into the physics of finger-touchscreen interactions under electroadhesion and have implications for the design of robotic systems and haptic interfaces utilizing this technology.
Benzer Tezler
- Contact mechanics for electrovibration
Elektrotitreşim için kontak mekaniği
ÖMER ŞİRİN
Doktora
İngilizce
2019
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÇAĞATAY BAŞDOĞAN
- Bakır ve çinko içeren biyoaktif cam katkılı nanokompozit yapı iskelesi üretimi
Fabrication of nanocomposite scaffold with copper and zinc doped bioactive glasses
ZEYNEP ATASAYAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADRİYE OSKAY
- Nanocellulose-polypropylene composites
Nanoseluloz-polipropilen kompozitleri
ECE YAKKAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Mühendislik Bilimleriİzmir Katip Çelebi ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET ÖZGÜR SEYDİBEYOĞLU
- Biyomedikal uygulamalar için ASTM F75 kobalt-krom alaşımının yüzey modifikasyonu
Surface modification of ASTM F75 cobalt-chromium alloy for biomedical applications
DOĞUKAN ÇETİNER
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
DOÇ. DR. ERDEM ATAR
- Characteristics of cold sprayed titanium based coatings
Soğuk gaz dinamik püskürtme yöntemiyle üretilmiş titanyum esaslı kaplamaların karakteristiği
AHMET HİLMİ PAKSOY
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
DOÇ. DR. ERDEM ATAR