基于液体智能材料的力觉再现技术研究

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1、东南大学博士学位论文基于液体智能材料的力觉再现技术研究姓名：戴金桥申请学位级别：博士专业：测试计量技术及仪器指导教师：宋爱国;王爱民20090422中英文摘要基于液体智能材料的力觉再现技术研究摘要力觉再现装置能够广泛地应用于遥操作机器人和虚拟现实系统中。经过多年的发展，力觉再现技术取得了长足的进步，但还存在着一些问题。本文结合国家重大基础研究973项目(No．2002CB312102)和国家自然科学基金项目(No．60675047)，对基于液体智能材料的被动力觉再现技术进行研究，主要介绍了基于磁流变液的被动力觉驱动器结构、原理和磁路设计方法，分析其动力学模型和参数设计方法，

2、讨论了控制方法，提出了基于电流变液的被动力觉驱动器。在此基础上，提出了被动力反馈数据手套设计方法，最后构建实验系统对所研制的被动力觉驱动器和被动力反馈数据手套进行了实验研究。力觉再现设备为操作者提供力感觉，能够增强虚拟操作中的沉浸感和提高遥操作中操作者控制远程机器人完成精细作业的能力。目前已有的力觉再现设备大多为采用气动、液压、电机或磁场等驱动的主动式力觉再现设备，所以在灵巧性、安全性能和力觉再现的真实性等方面存在不足。部分研究学者尝试将液体智能材料电／磁流变液应用于被动力觉再现设备并取得了一定的进展，但主要集中于对被动力觉再现装置结构方面的研究，很少涉及被动力觉驱动器的动

3、力学模型、设计方法和控制方法方面的研究，而这些问题的研究解决将有利于促进液体智能材料在力觉再现技术中的应用和推广。磁流变液是一种液体智能材料，在磁场强度变化的作用下流变学特性中的表观粘度将发生快速、可逆、连续变化。利用磁流变液的这种特殊性能，设计了一种新型被动力觉驱动器，介绍了其结构、原理和磁路设计方法。电磁场理论和方法是进行驱动器磁路设计的基础，通过求解麦克斯韦方程组可以求得驱动器的电磁参数并进行磁路设计，用解析法求解计算工作量大而且容易产生较大的误差。电磁场有限元分析方法是一种高效的麦克斯韦方程组数值计算方法，本文采用了该方法完成了磁路设计。根据不同的使用要求，还要对驱

4、动器结构参数、动态范围、磁流变液特征参数等进行设计。为此分别建立了驱动器的轴对称模型和平行板模型，在此基础上，研究了驱动器的无因次设计方法，针对被动力反馈数据手套的需要研制了被动力觉驱动器原型。利用动力学模型，推导了被动力觉驱动器的简化逆动态模型，实现对驱动器的控制。磁流变液被动力觉驱动器是耗散型器件，工作中产生的热量使温度升高，温度过高对驱动器输出力影响很大甚至失效，为此，建立了驱动器的能量模型预测其温度升高，确保其在有效的温度范围内工作。磁中英文摘要流变液在磁场作用下状态转换极快，但磁场产生和消退驱动电路的响应时间较长，为了提高驱动器的响应速度，采用增大驱动电压或采用电

5、流驱动方法缩短磁场上升时间，采用反向驱动方法减小磁场消退时间。和磁流变液一样，电流变液也是一种液体智能材料，但其屈服应力比磁流变液小一个数据级。电流变液在电场驱动下产生屈服应力，因此利用电流变液可以设计出体积较小的被动力觉驱动器。给电流变液施加驱动电场的过程是给电容充电的过程，其响应速度较快。因此，利用电流变液提出了一种被动力觉驱动器，可以应用于要求力小而响应速度较快的场合。目前，电流变液还存在稳定性差、易受生产和使用过程中环境因素影响等问题，但随着电流变技术的不断发展和成熟，电流变液将会在力觉再现技术中得到广泛应用。数据手套是目前常用的人机交互设备，但大多不具有力反馈功能

6、。文中分析了现有很少的几种力反馈数据手套的现状，发现其性能不尽理想，为此利用磁流变液力觉驱动器，提出了几种被动力反馈数据手套设计方案，一是外骨骼式力反馈数据手套，二是内置手掌式力反馈数据手套，在对设计方案进行分析比较其优缺点后，对内置手掌式力反馈数据手套提出了改进措施，有效地提高了力反馈数据手套的适用性。最后，对所研制的磁流变液力觉驱动器进行了动态特性实验研究，利用设计的被动力反馈数据手套原型开展了虚拟物体模拟实验，构建实验系统，进行了真实物体模拟实验，实验结果表明，该被动力反馈数据手套能够在较大范围内实现力觉再现功能，并且具有较高的保真性，达到了预期设计要求。关键词：遥操

7、作：虚拟现实；被动力觉驱动器；被动力反馈数据手套：液体智能材料：有限元分析；简化逆动态模型Il中英文摘要THERESEARCHONFORCEFEEDBACKTECHNIQUEBASEDONSMARTFLUIDMATERIALSABSTRACTForcefeedback．devicesarewidelyusedintele-robotandvirtralrealitysystem．Duringthepastdecade，theforcefeedbacktechniquehasbeenmadeagreatprogres