適用于力反饋數(shù)據(jù)手套的被動力覺驅(qū)動器

1、適用于力反饋數(shù)據(jù)手套的被動力覺驅(qū)動器第40卷第1期2010年1月東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)journalofsoutheastuniversity(naturalscienceedition)vo1.40no.1jan.2010doi:10.3969.issn.10010505.2010.01.023適用于力反饋數(shù)據(jù)手套的被動力覺驅(qū)動器戴金橋王愛民宋愛國李建清(東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院,南京210096)摘要:為了克服目前力反饋數(shù)據(jù)手套存在的安全性差,力再現(xiàn)范圍小等不足,提出了一種磁流變液被動力覺驅(qū)動器實現(xiàn)方法.利用液體智能材料磁流變液在磁場作用下毫秒級時間內(nèi)能連續(xù),可逆地由牛頓流體狀態(tài)轉(zhuǎn)變

2、為類似固體狀態(tài)的特殊性能,設(shè)計了一種被動力覺驅(qū)動器;介紹了該驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)原理,利用電磁場有限元分析方法分析了驅(qū)動器的電磁特性,在此基礎(chǔ)上建立了驅(qū)動器的動力學(xué)模型,討論了輸出力的動態(tài)范圍并進行初步實驗驗證.最后利用研制的驅(qū)動器原型構(gòu)建了單手指力反饋數(shù)據(jù)手套并進行了初步實驗.實驗結(jié)果證明,基于磁流變液的被動力覺驅(qū)動器利用流體傳遞力,增加了輸出力的穩(wěn)定性,多旋轉(zhuǎn)片結(jié)構(gòu)使輸出力增大2倍,并具有安全性好,力再現(xiàn)范圍大等優(yōu)點.關(guān)鍵詞:被動力覺驅(qū)動器;磁流變液;力反饋數(shù)據(jù)手套中圖分類號:tp24文獻標(biāo)志碼:a文章編號:100l一0505(2010)01-0123-05passiveforceactua

3、torforforcefeedbackdataglovedaijinqiaowangaiminsongaiguolijianqing(schoolofinstrumentscienceandengineering,southeastuniversity,nanjing210096,china)abstract:toovercometheexistingdeficiencyinforcefeedbackdataglove,suchaspoorsecurity,insufficiencyofforceforfeedback,andsoon,apassiveforceactuatorbasedonm

4、agnetorheologicalfluid(mrf)forforcefeedbackdatagloveispresented.utilizingthespecialpropertiesofthemagneto.rheologicalfluidthatthestatecanchangefromfluidtosolid-likecontinuouslyandreversiblyinseveralmillisecondswhenexposedtoamagneticfield,apassiveforceactuatorwasdesigned.thestructureandtheprinciplear

5、eintroduced.theelectromagneticpropertyoftheactuatorisanalyzedbyelectromagneticfiniteelementanalysis,onthisbasisthekineticsmodelisdeveloped,theoutputforcerangeisdiscussedandthepreliminaryexperimentisdone.theforcefeedbackdataglovewasfabricatedbytheactuatordevelopedforsinglefingerandtheprimaryexperimen

6、tsweredone.theresultsverifythatduetoforcetransmissionofthepassiveforceactuatorbasedonmrfbyrheologicalfluidthestabilityoftheoutputforceisincreased;theoutoutforcecanbedoubledbyusingmultidiscstructure:inaddition,ithasthemeritsofgoodsecurity,largerextentofforcefeedback,etc.keywords:passiveforceactuator;

7、magnetorheologicalfluid;forcefeedbackdataglove力反饋數(shù)據(jù)手套是一種通用并且重要的人機交互接口裝置,不同于標(biāo)準(zhǔn)的人機接口設(shè)備(鍵盤,鼠標(biāo)),它能夠使操作者以自然的方式與計算機進行交互.目前,唯一的商業(yè)化力反饋數(shù)據(jù)手套是由美國immersion公司生產(chǎn)的cybergrasp,該力反饋數(shù)據(jù)手套由電機驅(qū)動,在每個手指上能夠產(chǎn)生12n的力.一種非商業(yè)化力反饋數(shù)據(jù)手套是由美國rutgers大學(xué)研制的rmi/nd,該力反饋數(shù)據(jù)手套集手的姿態(tài)測量與力反饋于一體,與cybergrasp相比其質(zhì)收稿日期:2009-06-05.作者簡介:戴金橋(1973一),男,博士,

8、daijinqiao;2e愛民(聯(lián)系人),男,博士,教授,.ca.基金項目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2009aa01z314,2009aao1z311),國家自然科學(xué)基金資助項目(6067504760775057).引文格式:戴金橋,王愛民,宋愛國,等.適用于力反饋數(shù)據(jù)手套的被動力覺驅(qū)動器j.東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2010,40(1):123127.doi:10.3969/j.issn.10010505.2010.01.023124東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第40卷量較小,只有100g,靜態(tài)摩擦力只有0.014n,還具有動態(tài)范圍大,輸出力大等

9、優(yōu)點,但該裝置是壓縮空氣驅(qū)動,因此必須配備產(chǎn)生壓縮空氣的設(shè)備.這些力反饋數(shù)據(jù)手套大多是由伺服電機,壓縮空氣或電磁場等驅(qū)動的主動系統(tǒng),一旦出現(xiàn)故障,容易給操作者造成傷害;穩(wěn)定性差,使力反饋性能大打折扣;體積大以至于不適合用于力反饋系統(tǒng).而被動力反饋驅(qū)動系統(tǒng)是能量耗散的,本身具備穩(wěn)定性特點,不會對操作者造成傷害,比同體積主動力反饋系統(tǒng)反饋的力要大得多_3j.為此rutgers大學(xué)的winter等利用磁流變液作為功能材料,設(shè)計了適用于手部康復(fù)用力反饋數(shù)據(jù)手套j.其力覺驅(qū)動器克服了主動力覺驅(qū)動器的缺點,具有體積小,重量輕,輸出力大等優(yōu)點,但靜態(tài)摩擦力達1.41.9n,嚴(yán)重影響了其力反饋性能.中科院北京

10、自動化所原魁教授研制了一種力反饋數(shù)據(jù)手套j,通過電磁驅(qū)動實現(xiàn)力反饋.哈爾濱科技研究所氣動中心研制了基于氣動人工肌肉的力反饋數(shù)據(jù)手套j,由于人工肌肉的響應(yīng)較慢,所以該力反饋數(shù)據(jù)手套的實時i生相對較差.本課題組研制了基于電流變液的力反饋數(shù)據(jù)手套,由于電流變液屈服應(yīng)力小,容易受生產(chǎn)和使用環(huán)境污染導(dǎo)致性能下降,使得該力反饋數(shù)據(jù)手套實用性受到限制.本文提出了一種基于磁流變液被動力覺驅(qū)動器實現(xiàn)方法,討論了其電磁特性,建立了動力學(xué)模型,分析了動態(tài)范圍并進行實驗驗證,以該驅(qū)動器為基礎(chǔ)構(gòu)建了單手指力反饋數(shù)據(jù)手套并進行了初步實驗,實驗結(jié)果驗證了所提出方法的有效性.該力覺驅(qū)動器具有體積小而輸出力范圍大,穩(wěn)定性好,摩

11、擦力小,便于攜帶等優(yōu)點,具有較好的應(yīng)用前景.1被動力覺驅(qū)動器1.1磁流變液磁流變液是一種液體智能材料,施加磁場后其流變學(xué)特性將會發(fā)生劇烈的變化,能夠在幾毫秒時間內(nèi)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成類似固體狀態(tài),這種變化過程連續(xù),可逆并且能耗極小.不施加磁場時,磁流變液表現(xiàn)為牛頓流體的特性,而在磁場的作用下,則以bingham塑料模型來表征l8j,即丁=丁v()+>v(1)式中,為剪應(yīng)力;丁為由磁場引起的屈服應(yīng)力;為零磁場磁流變液具有的黏度;為剪切率;b為磁感應(yīng)強度.1.2驅(qū)動器結(jié)構(gòu)原理驅(qū)動器結(jié)構(gòu)如圖1所示,由殼體,固定盤,旋轉(zhuǎn)盤,絕磁環(huán),線圈,軸等部件組成.在殼體和絕磁環(huán)圍成的腔體內(nèi)注滿磁流變液,固定盤固定于

12、殼體上,旋轉(zhuǎn)盤固定于軸上并可隨軸在腔體內(nèi)轉(zhuǎn)動,線圈通電時產(chǎn)生的磁場經(jīng)殼體垂直通過旋轉(zhuǎn)盤和固定盤,旋轉(zhuǎn)盤與殼體及固定盤之間的磁流變液黏度變大,旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的阻尼力傳遞到軸上,產(chǎn)生被動輸出力.殼體,固定盤和旋轉(zhuǎn)盤都采用導(dǎo)磁率很高的電工純鐵,絕磁環(huán),軸采用絕磁材料,這樣就能保證線圈產(chǎn)生的磁場能量大部分施加到工作間隙的磁流變液七.圖1驅(qū)動器剖面圖圖1所示力覺驅(qū)動器是文獻9結(jié)構(gòu)的改進形式,具有如下優(yōu)勢:多旋轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)在體積增加不多的情況下,磁流變液的剪切面積增大近1倍,在工作間隙磁場強度相同的條件下,輸出力增大近1倍.雙出桿形式增加了輸出力的穩(wěn)定性.1.3驅(qū)動器電磁特性分析為了驗證驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和磁

13、路設(shè)計的有效性,可以利用電磁場理論進行分析,但由于磁流變液,電工純鐵等材料電磁特性的高度非線性,求解maxwell方程組難度很大,即便能夠求得其解,由于磁泄漏和周圍環(huán)境等因素的影響,其解的誤差也相當(dāng)大.而電磁場有限元分析方法是一種數(shù)值解法,充分考慮了磁泄漏等因素的影響,其解具有很好的精確性,下面就利用有限元分析方法對驅(qū)動器電磁特性進行分析.驅(qū)動器的電磁場有限元分析結(jié)果如圖2所示,其中線圈的磁動勢為200安匝(線圈匝數(shù)與通過線圈電流的乘積),h為磁場強度.從圖中可以看出,磁路中的大部分能量都落到工作間隙的磁流變液上,磁感應(yīng)強度最大部分沒有超過電工純鐵的飽和磁感應(yīng)強度,而工作間隙已基本上達到磁流變

14、液的飽和磁感應(yīng)強度.因此,驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)和磁路設(shè)計均較為合理,能夠滿足使用要求.第1期戴金橋,等:適用于力反饋數(shù)據(jù)手套的被動力覺驅(qū)動器125(a)磁感應(yīng)強度(b)磁場強度圖2驅(qū)動器的電磁場有限元分析磁流變液的屈服應(yīng)力與磁感應(yīng)強度存在一定的對應(yīng)關(guān)系,工作間隙磁感應(yīng)強度是電流的函數(shù),所以磁流變液的屈服應(yīng)力是線圈施加電流的函數(shù).根據(jù)驅(qū)動器電磁場有限元分析的結(jié)果,工作間隙的磁感應(yīng)強度與輸入電流的關(guān)系如圖3所示.對電磁場有限元分析結(jié)果進行曲線擬合,得到輸入電流,與磁感應(yīng)強度b的關(guān)系為曰=一0.0071130.2513i2+0.941710.031(2)o.0?.圖3輸入電流與磁感應(yīng)強度關(guān)系1.4驅(qū)動器動力

15、學(xué)建模本文提出的驅(qū)動器建模方法與文獻91中的方法類似,本文只列出驅(qū)動器的動力學(xué)模型,即ro=4訂(rd03+一i一3)7i+(+一t一)+(3)式中,為驅(qū)動器輸出力;rdo和rd分別為旋轉(zhuǎn)盤與固定盤之間工作間隙的外徑和內(nèi)徑;rso和rs分別為旋轉(zhuǎn)盤與殼體之間工作問隙的外徑和內(nèi)徑;為旋轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速;為工作間隙的寬度;為裝置的摩擦力,主要由密封圈產(chǎn)生.將式(1),(2)代人式(3),即可得出輸出力隨輸入電流之間的變化關(guān)系.1.5驅(qū)動器動態(tài)范圍驅(qū)動器的輸出力可以表示為ro:+(4)式中,為磁流變液的剪切力;為磁流變液動力黏度產(chǎn)生的力.在驅(qū)動器輸出力中,只有是有益阻尼力,而和都是非有益阻尼力,因此驅(qū)動器

16、動態(tài)范圍為71丁贏+南5)驅(qū)動器是旋轉(zhuǎn)式的,內(nèi)部無壓力作用,要求密封圈的壓縮量很小,由密封圈產(chǎn)生的摩擦力很小.驅(qū)動器是適用于力反饋數(shù)據(jù)手套的,手指的轉(zhuǎn)動速度不大,由磁流變液動力黏度引起的非有益阻尼力也很小.因此,驅(qū)動器具有較大的動態(tài)范圍.1.6實驗驗證實驗結(jié)果如圖4所示,從結(jié)果中可以看出,理論值與實驗值基本吻合,從而驗證了驅(qū)動器動力學(xué)模型的正確性.驅(qū)動器的靜摩擦力約為0.3n,相對最大輸出力約6n可以忽略不計.另外,驅(qū)動器的動態(tài)范圍比較大,其動態(tài)變化系數(shù)最大約為2o.圖4輸入電流與輸出力關(guān)系曲線為了驗證驅(qū)動器的穩(wěn)定性,對驅(qū)動器進行了階躍響應(yīng)實驗,實驗結(jié)果如圖5所示.由圖可見,本文驅(qū)動器比文獻1

17、2所述的電磁干摩擦式制動器更具穩(wěn)定性.圖5驅(qū)動器階躍響應(yīng)2力反饋數(shù)據(jù)手套利用研制的驅(qū)動器,在已有數(shù)據(jù)手套的基礎(chǔ)上,研制了單指被動力反饋數(shù)據(jù)手套,如圖6所示.6554433221126東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第40卷圖6單指力反饋數(shù)據(jù)手套實物該力覺手套工作過程為:數(shù)據(jù)手套通過測量手指的彎曲程度控制虛擬手或遠程機械手動作,虛擬手或遠程機械手與環(huán)境相互作用所受的力傳遞到操作者處,給驅(qū)動器施加一定電流,手指圍繞驅(qū)動器轉(zhuǎn)動時將受阻尼作用,產(chǎn)生力反饋效果.3力覺再現(xiàn)實驗3.1實驗系統(tǒng)建立實驗系統(tǒng)示意圖如圖7所示,主端由單指力反饋數(shù)據(jù)手套,控制單元,控制計算機及直流可控電流源組成,從端由電機,支架,從臂,

18、力矩傳感器和控制單元,控制計算機組成.操作者穿戴力反饋數(shù)據(jù)手套,手指作彎曲運動時,主端控制單元采集數(shù)據(jù)手套手指彎曲姿態(tài)并將該信息通過主端控制計算機傳輸?shù)綇亩丝刂朴嬎銠C控制電機轉(zhuǎn)動,當(dāng)從臂接觸到物體時,從端控制單元采集力傳感器數(shù)據(jù),該力信息傳到主端,通過主端控制單元控制直流可調(diào)電流源工作,給數(shù)據(jù)手套的力覺驅(qū)動器施加電流,操作者受到一個被動力作用,從臂和操作者受力用f表示.箍磁流變液力傳感函直流可調(diào)電流與控制器圖7實驗系統(tǒng)示意圖3.2柔順彈性體力跟蹤實驗分別取3塊彈性系數(shù)不同的海綿樣本置于從臂工作環(huán)境,操作者操作數(shù)據(jù)手套控制從臂接觸并壓縮海綿樣本,設(shè)橫坐標(biāo)為壓縮海綿的深度d,利用從臂力矩傳感器記錄

19、海綿樣本所受的壓力,利用數(shù)據(jù)手套的力矩傳感器記錄操作者手指受的力并進行對比,實驗結(jié)果如圖8所示.d,em(b)中等彈性系數(shù)dem(c)高彈性系數(shù)圖8柔順彈性體力跟蹤實驗從圖8可以看出,在力反饋數(shù)據(jù)手套跟蹤從臂接觸并壓縮柔順彈性體時,初始接觸相對誤差比較大,即在01cm深度時力反饋數(shù)據(jù)手套力跟蹤失真較大,主要是因為當(dāng)從臂受力小于力反饋數(shù)據(jù)手套的摩擦力時,從臂受力將會被”淹沒”掉.隨著深度不斷增大,力也不斷增大,力跟蹤相對誤差逐漸減小,模擬中等和高彈性系數(shù)海綿時該誤差可以忽略不計.從臂壓縮低彈性系數(shù)海綿時接觸力小,與力反饋數(shù)據(jù)手套的摩擦力相比無法忽略,因此力反饋數(shù)據(jù)手套模擬低彈性系數(shù)物體時出現(xiàn)較大

20、失真.當(dāng)壓縮深度接近5em時也出現(xiàn)了較大的失真,由于從臂壓縮海綿的力很大,已超過力反饋數(shù)據(jù)手套的力覺驅(qū)動器輸出力最大值.另外,從臂壓縮海綿的力與深度呈非線性,這是因為海綿的彈性系數(shù)是非線性的.3.3硬度再現(xiàn)實驗硬度再現(xiàn)實驗結(jié)果如圖9所示.在力反饋數(shù)據(jù)手套再現(xiàn)硬物時,當(dāng)接觸力小于或等于力覺驅(qū)動器提供的最大力時,力反饋數(shù)據(jù)手套能較好地再現(xiàn)實際接觸力,如圖9(a),(b)所示.當(dāng)實際接觸力大于力覺驅(qū)動器提供的最大力時,如圖9(c)所示,操第1期戴金橋,等:適用于力反饋數(shù)據(jù)手套的被動力覺驅(qū)動器127作者感覺到的力為力反饋數(shù)據(jù)手套能夠提供的最大力,力再現(xiàn)出現(xiàn)失真.zt/s8765z432104結(jié)論t/s

21、(b)硬物接觸力6n,_-_-_-._-.一一一-一一一一一一一一一_一一一一一從臂受力-操作者受力liio51o152o25t/s(c)硬物接觸力7n圖9硬物接觸力再現(xiàn)1)力覺驅(qū)動器通過流體而不是通過機械摩擦傳遞力,有效地增大了驅(qū)動器的穩(wěn)定性.2)采用多盤式結(jié)構(gòu)使得磁流變液剪切面積是單盤的2倍,因此在體積略有增加情況下傳遞力提高1倍,力動態(tài)范圍大大提高.3)由磁流變液驅(qū)動器研制的力反饋數(shù)據(jù)手套能夠有效地實現(xiàn)柔順性再現(xiàn),并在一定程度上實現(xiàn)硬物接觸力再現(xiàn),具有穩(wěn)定,安全,摩擦力小,力反饋范圍大等優(yōu)點,與現(xiàn)有的力反饋數(shù)據(jù)手套相比,它重量較輕,便于攜帶,持續(xù)力大.4)雖然被動力覺驅(qū)動器及被動力反饋數(shù)

22、據(jù)手套具有安全,穩(wěn)定,再現(xiàn)力大等優(yōu)點,但無法實現(xiàn)儲能元件的再現(xiàn).可以預(yù)計:基于磁流變液力覺驅(qū)動器及以其為基礎(chǔ)的力反饋數(shù)據(jù)手套具有較好的應(yīng)用前景,也為力反饋數(shù)據(jù)手套的研究提供了一種全新的思路.參考文獻(references)f1abateaf,guidamariano,leoncinipaolo,eta1.ahapticbasedapproachtovirtualtrainingforaerospaceindustryj.journalofvisuallanguages&computing,2009,20(5):318325.2boutm,burdeag,popescug,eta1.th

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