基于磁流變阻尼器的觸覺反饋系統(tǒng)

趙曉妍

(黑龍江科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

基于磁流變阻尼器的觸覺反饋系統(tǒng)

趙曉妍

(黑龍江科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

針對傳統(tǒng)觸覺反饋系統(tǒng)安全性差、響應(yīng)時(shí)間長、容易失真等問題,設(shè)計(jì)一種以磁流變阻尼器為核心的觸覺反饋系統(tǒng),并基于 Bingham模型推導(dǎo)了磁流變阻尼器的輸出阻尼力計(jì)算公式。Simulink仿真結(jié)果表明:磁流變阻尼器的位移、速度與阻尼力的關(guān)系符合 Bingham模型,體現(xiàn)較好的動態(tài)性;當(dāng)電流控制器輸出電流為 0～1 A,速度為 10 mm/s時(shí),輸出阻尼力大小連續(xù)可調(diào),最大阻尼力為 19.6 N,最小為 2.435 4 N。理論和仿真結(jié)果吻合,驗(yàn)證了該觸覺反饋系統(tǒng)的可行性。

觸覺反饋;磁流變阻尼器;Bingham模型;Simulink

觸覺反饋是一種重要的感知模式,其技術(shù)已廣泛應(yīng)用在遙感操作機(jī)器人系統(tǒng)、遠(yuǎn)程外科手術(shù)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的觸覺反饋系統(tǒng)采用電機(jī)或其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動方式,這些方式存在安全性較差、響應(yīng)時(shí)間長、容易失真等問題[1]。磁流變阻尼器具有良好的可控性,不僅能實(shí)現(xiàn)觸覺反饋系統(tǒng)的智能控制,還可提高其反應(yīng)速度和安全穩(wěn)定性,具有重要的應(yīng)用和研究價(jià)值[2]。筆者設(shè)計(jì)了一種以磁流變阻尼器為核心的觸覺反饋系統(tǒng),通過電流控制實(shí)現(xiàn)反饋力的連續(xù)可調(diào)。

1 觸覺反饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

基于磁流變阻尼器的觸覺反饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。該系統(tǒng)主要包括以 DSP為控制中心的數(shù)據(jù)采集模塊、磁流變阻尼器、電流控制器三個(gè)組成部分。位移傳感器和角度傳感器與執(zhí)行元件連接在一起,執(zhí)行元件動作信息(位移和角度)通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號,再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入DSP進(jìn)行運(yùn)算控制處理。根據(jù)處理信號調(diào)節(jié) PWM波形的占空比,控制電流控制器產(chǎn)生的電流,以改變磁流變阻尼器的磁場,從而產(chǎn)生相應(yīng)的阻尼力。反應(yīng)在操作桿上的力隨電流變化,使操作者有不同的觸覺感受,實(shí)現(xiàn)觸覺反饋功能。

圖1 觸覺反饋系統(tǒng)框圖Fig.1 Schematic of haptic system

2 磁流變阻尼器

觸覺反饋系統(tǒng)的核心部分是磁流變阻尼器。操作桿與磁流變阻尼器中的活塞設(shè)置為固定連接、同步移動的形式,從而借助磁流變阻尼器將力的大小提供給操作者。

2.1 結(jié)構(gòu)

磁流變阻尼器采用剪切閥式工作模式,其結(jié)構(gòu)如圖 2所示?；钊c缸筒之間有間隙,線圈通電后,間隙中的磁流變液受到磁場作用可以在毫秒級時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為Bingham體[3]。當(dāng)活塞運(yùn)動時(shí),磁流變液受到擠壓而流過間隙,產(chǎn)生閥式運(yùn)動和剪切作用。

圖2 磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structrue ofM R damper

2.2 阻尼力計(jì)算

2.2.1 Bingham模型

剪切閥式磁流變阻尼器的阻尼力可以分解為剪切模式阻尼力和閥式模式阻尼力?；钊c缸體之間的間隙較小,一般取 1～2 mm,而磁流變阻尼缸體的內(nèi)徑、磁流變液工作區(qū)域有效長度遠(yuǎn)大于這一間隙,故可認(rèn)為磁流變液是在兩個(gè)平行極板之間流動。

由于磁流變液的動態(tài)本構(gòu)關(guān)系非常復(fù)雜,而磁流變阻尼器動態(tài)阻尼力與磁場強(qiáng)度呈非線性關(guān)系,故文中依據(jù)簡單的 Bingham模型進(jìn)行計(jì)算。Bingham模型由一個(gè)線性黏滯阻尼器和一個(gè)庫侖摩擦元件并聯(lián)組成,如圖 3所示。依據(jù)Bingham模型,穩(wěn)態(tài)剪切場下的磁流變液本構(gòu)關(guān)系可以近似描述為

式中:τ——磁流變液的剪切應(yīng)力;

τy——磁流變液的屈服強(qiáng)度,與磁場強(qiáng)度有關(guān);

η——磁流變液的動力黏度系數(shù);˙

γ——磁流變液的剪切應(yīng)變速率。

根據(jù)式(1),Phllips提出磁流變阻尼器的力和位移的關(guān)系式

式中:F——磁流變阻尼器產(chǎn)生的力;

Fm——與磁場強(qiáng)度相關(guān)的屈服力;

F0——磁流變阻尼器氣體蓄能器的氣壓產(chǎn)生的出力偏差,可忽略不計(jì);

C0——磁流變液的阻尼系數(shù);

v——活塞的相對速度[4]。

圖 3 磁流變阻尼器的 B ingham模型Fig.3 Bingham model forM R damper

2.2.2 閥式阻尼力

根據(jù)平行極板的 Bingham模型,液體流變后會產(chǎn)生流動并在兩極板上產(chǎn)生壓差。設(shè)平板的寬度為b,取b為間隙的平均周長,即b=πD1。兩極板間流體的體積流量qV可以由截面速度分布曲線沿y軸的積分乘以平板寬度b得到,即

D——活塞的直徑;

D1——缸體的內(nèi)徑;

L——磁流變液工作區(qū)域的有效長度。

對式(2)進(jìn)行無量綱化處理,則

式中:P＊、T＊——無量綱化的壓力差和屈服應(yīng)力。

根據(jù)磁流變阻尼的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算后發(fā)現(xiàn),T＊的取值比較小,與P＊存在近似關(guān)系,

由式(3)、(4)可得閥式阻尼器的阻尼力表示式,即

2.2.3 剪切式阻尼力

對于平行極板模型的阻尼力F2

由式(1)可得

將式(6)和式(7)聯(lián)合,可以得到剪切閥式磁流變阻尼器的阻尼力

其中,第一項(xiàng)為黏滯阻尼力;第二項(xiàng)為庫侖阻尼力,由磁場強(qiáng)度決定,是可控的,該項(xiàng)反映了磁流變阻尼器特殊的電控特性。由于h很小,剪切模式引起的阻尼力所占的比重較小,通常忽略不計(jì)。因此,磁流變阻尼器輸出的阻尼力為

2.3 S imulink仿真

由式(8)可知,磁流變阻尼器輸出阻尼力與很多因素有關(guān),其中,間隙h、缸體內(nèi)徑D1、活塞桿直徑d與阻尼力成反比;有效長度L、活塞的直徑D與阻

d——活塞桿的直徑。

當(dāng)qV為磁流變液的體積流量時(shí),qV=APv,式(5)可變?yōu)槟崃Τ烧?。一般h取 1～2 mm,動力黏度系數(shù)η取 0.2～1.0。根據(jù)觸覺反饋系統(tǒng)要求,輸出阻尼力一般在 4～20 N范圍內(nèi)?？紤]系統(tǒng)的控制效果,確定磁流變阻尼器參數(shù),如表 1所示。

表1 磁流變阻尼器基本參數(shù)Table 1 Basic parameters ofM R damper

屈服強(qiáng)度τy隨磁場變化,與電流有關(guān)。因此,一般通過勵(lì)磁線圈中電流的大小改變磁場強(qiáng)度,從而通過改變τy來控制阻尼力。根據(jù)表 1,計(jì)算得τy和控制電流I之間的關(guān)系式[5],

通過對磁流變阻尼器阻尼力、電流及速度關(guān)系的推導(dǎo),建立磁流變阻尼器的 S imulink模型。對該模型施加頻率為 1 Hz,位移為 10 mm的正弦振動激勵(lì)信號x=0.1sin(2πt)時(shí),輸入不同的電流值,即可以得到磁流變阻尼器的阻尼力隨位移、速度變化的關(guān)系曲線,如圖 4、5所示。

由圖 4、5可以看出,阻尼力 -速度曲線符合B ingham本構(gòu)關(guān)系,當(dāng)速度、電流增大時(shí),阻尼力及其范圍明顯增大;阻尼力 -位移曲線飽滿,體現(xiàn)出較好的動態(tài)性能。

磁流變阻尼器阻尼力隨電流變化的曲線如圖 6所示。從圖中可以看到,電流在 1.5A以下時(shí)與阻尼力滿足線性關(guān)系,說明阻尼力的可控性良好,電流增大后阻尼力飽和。為保證安全和可控性,該阻尼器的最大勵(lì)磁電流為 1.0A,產(chǎn)生的最大阻尼力為19.6N。當(dāng)電流為 0A時(shí),由式(8)計(jì)算的阻尼力為2.435 4N。

圖6 v=10 mm/s時(shí)電流 -阻尼力曲線Fig.6 Current-damp ing force curve when velocity is 10 mm/s

3 觸覺反饋的控制與實(shí)現(xiàn)

為了獲得連續(xù)可調(diào)的電流,采用 DSP生成PWM信號,通過降壓斬波直流變換電路,實(shí)現(xiàn)電流的控制[6-7]。系統(tǒng)要求電流控制器輸出電流的變化范圍為 0～1 A,具體電路如圖 7所示。

圖7 PWM電流控制器Fig.7 PWM current controller

電路中的開關(guān)器件采用驅(qū)動功率較小的 IGBT,通過三菱的M57962L集成芯片驅(qū)動。由 DSP輸出的 PWM波形經(jīng)驅(qū)動芯片加載至 IGBT的柵極G端。當(dāng) PWM為高電平時(shí),開關(guān)管 IGBT導(dǎo)通,二極管VD截止,電流經(jīng)過 LC濾波電路后輸送給磁流變阻尼器的勵(lì)磁線圈;當(dāng) PWM為低電平時(shí), IGBT斷開,電流經(jīng)過二極管形成回路。Ud為電路的輸入電壓,U為電路的輸出電壓,I為輸出電流。通過DSP內(nèi)部算法計(jì)算調(diào)整 PWM波的參數(shù)可使電路輸出相應(yīng)的控制電流,從而得到力反饋裝置的輸出阻尼力。

4 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)了一種基于磁流變阻尼器的觸覺反饋系統(tǒng),并依據(jù)Bingham模型推導(dǎo)出該系統(tǒng)中磁流變阻尼器的基本參數(shù)和輸出阻力的計(jì)算公式,確定了阻尼力與電流的關(guān)系。Simulink仿真結(jié)果表明,磁流變阻尼器的位移、速度與阻尼力的關(guān)系符合Bingham模型,且動態(tài)特性較好;當(dāng)電流控制器輸出電流為 0～1 A,速度為 10 mm/s時(shí),輸出阻尼力大小連續(xù)可調(diào),最大阻尼力為19.6 N,最小為2.435 4 N,可以保證操作者的安全。理論與仿真結(jié)果驗(yàn)證了觸覺反饋系統(tǒng)的可行性。

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Haptic feedback system based on MR damper

ZHAO X iaoyan
(College of Electric&Infor mation Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China)

A haptic feedback system with a core ofMR damper is designed in this paper,solving the problems of the traditional haptic feedback system with poor safety,long response t ime and easy distortion.The paper deduces the fo rmula ofMR damper dampingpower based on theBingham model.Simulation results indicate that the relations of the displacement,velocity and damping force ofMR damper are in accordance with Bingham model and show better dynamic characteristics.The controlled and continuous damping powerwill be produced by the haptic feedback system on the condition that the electricity output is from 0 to 1 A in current controller,and velocity is 10 mm/s.The max imum damping power is 19.6 N and the minimum is 2.435 4 N.That simulation results conform to the theory,proving the feasibility of the haptic feedback system.

haptic feedback;MR damper;Bingham model;S imulink

TP271.9

A

1671-0118(2011)02-0124-04

2011-01-26

趙曉妍(1979-),女,黑龍江省哈爾濱人,講師,碩士,研究方向:電力電子、智能控制,E-mail:zhaoxiaoyan121@126.com。

(編輯荀海鑫)