基于液體智能材料的力覺再現(xiàn)技術(shù)研究.pdf

1、力覺再現(xiàn)裝置能夠廣泛地應(yīng)用于遙操作機(jī)器人和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中。經(jīng)過多年的發(fā)展，力覺再現(xiàn)技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但還存在著一些問題。本文結(jié)合國(guó)家重大基礎(chǔ)研究973項(xiàng)目（No．2002CB312102）和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No．60675047），對(duì)基于液體智能材料的被動(dòng)力覺再現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行研究，主要介紹了基于磁流變液的被動(dòng)力覺驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)、原理和磁路設(shè)計(jì)方法，分析其動(dòng)力學(xué)模型和參數(shù)設(shè)計(jì)方法，討論了控制方法，提出了基于電流變液的被動(dòng)力覺驅(qū)動(dòng)器。在此

2、基礎(chǔ)上，提出了被動(dòng)力反饋數(shù)據(jù)手套設(shè)計(jì)方法，最后構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)所研制的被動(dòng)力覺驅(qū)動(dòng)器和被動(dòng)力反饋數(shù)據(jù)手套進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。 力覺再現(xiàn)設(shè)備為操作者提供力感覺，能夠增強(qiáng)虛擬操作中的沉浸感和提高遙操作中操作者控制遠(yuǎn)程機(jī)器人完成精細(xì)作業(yè)的能力。目前已有的力覺再現(xiàn)設(shè)備大多為采用氣動(dòng)、液壓、電機(jī)或磁場(chǎng)等驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)式力覺再現(xiàn)設(shè)備，所以在靈巧性、安全性能和力覺再現(xiàn)的真實(shí)性等方面存在不足。部分研究學(xué)者嘗試將液體智能材料電/磁流變液應(yīng)用于被動(dòng)力覺再現(xiàn)設(shè)

3、備并取得了一定的進(jìn)展，但主要集中于對(duì)被動(dòng)力覺再現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)方面的研究，很少涉及被動(dòng)力覺驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)模型、設(shè)計(jì)方法和控制方法方面的研究，而這些問題的研究解決將有利于促進(jìn)液體智能材料在力覺再現(xiàn)技術(shù)中的應(yīng)用和推廣。 磁流變液是一種液體智能材料，在磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的作用下流變學(xué)特性中的表觀粘度將發(fā)生快速、可逆、連續(xù)變化。利用磁流變液的這種特殊性能，設(shè)計(jì)了一種新型被動(dòng)力覺驅(qū)動(dòng)器，介紹了其結(jié)構(gòu)、原理和磁路設(shè)計(jì)方法。電磁場(chǎng)理論和方法是進(jìn)行驅(qū)動(dòng)器磁

4、路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，通過求解麥克斯韋方程組可以求得驅(qū)動(dòng)器的電磁參數(shù)并進(jìn)行磁路設(shè)計(jì)，用解析法求解計(jì)算工作量大而且容易產(chǎn)生較大的誤差。電磁場(chǎng)有限元分析方法是一種高效的麥克斯韋方程組數(shù)值計(jì)算方法，本文采用了該方法完成了磁路設(shè)計(jì)。 根據(jù)不同的使用要求，還要對(duì)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)、動(dòng)態(tài)范圍、磁流變液特征參數(shù)等進(jìn)行設(shè)計(jì)。為此分別建立了驅(qū)動(dòng)器的軸對(duì)稱模型和平行板模型，在此基礎(chǔ)上，研究了驅(qū)動(dòng)器的無因次設(shè)計(jì)方法，針對(duì)被動(dòng)力反饋數(shù)據(jù)手套的需要研制了被動(dòng)力覺驅(qū)動(dòng)

5、器原型。 利用動(dòng)力學(xué)模型，推導(dǎo)了被動(dòng)力覺驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)化逆動(dòng)態(tài)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)器的控制。磁流變液被動(dòng)力覺驅(qū)動(dòng)器是耗散型器件，工作中產(chǎn)生的熱量使溫度升高，溫度過高對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸出力影響很大甚至失效，為此，建立了驅(qū)動(dòng)器的能量模型預(yù)測(cè)其溫度升高，確保其在有效的溫度范圍內(nèi)工作。磁流變液在磁場(chǎng)作用下狀態(tài)轉(zhuǎn)換極快，但磁場(chǎng)產(chǎn)生和消退驅(qū)動(dòng)電路的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，為了提高驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度，采用增大驅(qū)動(dòng)電壓或采用電流驅(qū)動(dòng)方法縮短磁場(chǎng)上升時(shí)間，采用反向驅(qū)動(dòng)方法減

6、小磁場(chǎng)消退時(shí)間。 和磁流變液一樣，電流變液也是一種液體智能材料，但其屈服應(yīng)力比磁流變液小一個(gè)數(shù)據(jù)級(jí)。電流變液在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生屈服應(yīng)力，因此利用電流變液可以設(shè)計(jì)出體積較小的被動(dòng)力覺驅(qū)動(dòng)器。給電流變液施加驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)的過程是給電容充電的過程，其響應(yīng)速度較快。因此，利用電流變液提出了一種被動(dòng)力覺驅(qū)動(dòng)器，可以應(yīng)用于要求力小而響應(yīng)速度較快的場(chǎng)合。目前，電流變液還存在穩(wěn)定性差、易受生產(chǎn)和使用過程中環(huán)境因素影響等問題，但隨著電流變技術(shù)的不斷發(fā)展和

7、成熟，電流變液將會(huì)在力覺再現(xiàn)技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。 數(shù)據(jù)手套是目前常用的人機(jī)交互設(shè)備，但大多不具有力反饋功能。文中分析了現(xiàn)有很少的幾種力反饋數(shù)據(jù)手套的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)其性能不盡理想，為此利用磁流變液力覺驅(qū)動(dòng)器，提出了幾種被動(dòng)力反饋數(shù)據(jù)手套設(shè)計(jì)方案，一是外骨骼式力反饋數(shù)據(jù)手套，二是內(nèi)置手掌式力反饋數(shù)據(jù)手套，在對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析比較其優(yōu)缺點(diǎn)后，對(duì)內(nèi)置手掌式力反饋數(shù)據(jù)手套提出了改進(jìn)措施，有效地提高了力反饋數(shù)據(jù)手套的適用性。 最后，對(duì)所