Research on a Passive Force Feedback Damper and Its Model*

DAI Jinqiao，YU Along，WANG Aimin，XU Baoguo

(1.School of Physical and Electronic and Electrical Engineering，Huaiyin Normal University，Huai’an Jiangsu 223300，China; 2.School of Instrument Science and Engineering，Southeast University.Nanjing 210096，China)

Research on a Passive Force Feedback Damper and Its Model*

DAI Jinqiao1*，YU Along1，WANG Aimin2，XU Baoguo2

(1.School of Physical and Electronic and Electrical Engineering，Huaiyin Normal University，Huai’an Jiangsu 223300，China; 2.School of Instrument Science and Engineering，Southeast University.Nanjing 210096，China)

A magnetorheological fluid based damper has been designed and the model has been set up for force feedback.The design method of the damper is introduced.The sealed shell of the damper is composed of an upside cap and an underside cap.A rotor is located in the shell by an axle，with the magnetorheological fluid being filled in the shell.When the yield stress of magnetorheological fluid applied by a magnetic field changes，the damping force of the rotor rotating relative to shell changes rapidly and continuously.The compositions of the damping force and their controllability are analyzed，and a simplified inverse dynamics model is developed.An experimental system is set up using the damper prototype，on which force feedback experiments of squeezing a compliance object and colliding a rigid body are done.A large scope of force feedback is implemented and so validity of the design and the model of the damper are verified.

damper;force feedback;magnetorheological fluids;simplified inverse dynamics model

對(duì)人類(lèi)獲取信息能力的研究表明，視覺(jué)信息所占的比例最大，但是當(dāng)機(jī)器人與環(huán)境相互作用時(shí)，比如組裝工件、插銷(xiāo)入孔等，僅僅依靠視覺(jué)信息，操作者不能從中獲得真實(shí)的力感受。2002年Marc O Ernst在《Nature》中指出人的視覺(jué)偏差直接依賴(lài)于力/觸覺(jué)信息的修正［1］。遙操作和虛擬操作的研究還表明，力/觸覺(jué)信息的反饋可以極大提高精細(xì)作業(yè)任務(wù)的效率和精度，如對(duì)插銷(xiāo)入孔操作的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，提供操作者力/觸覺(jué)反饋信息比僅有圖像顯示可以使任務(wù)完成時(shí)間縮短近一半［2］。

目前，已經(jīng)存在的力反饋系統(tǒng)種類(lèi)很多，如美國(guó)Immersion公司生產(chǎn)的CyberGrasp［3］、SenseAble公司生產(chǎn)的PHANToM手臂系列［4］、Force Dimension公司的Delta［5］、Omega手控器［6］以及Rutgers大學(xué)的便攜式力反饋數(shù)據(jù)手套R(shí)utgers Master II-ND［7］，東南大學(xué)設(shè)計(jì)的基于數(shù)據(jù)手套的力反饋裝置［8］、三維力反饋手控器［9］等，這些系統(tǒng)大多是由伺服電機(jī)、壓縮空氣或電磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)型力再現(xiàn)系統(tǒng)，這些力再現(xiàn)裝置雖然能給操作者提供較大范圍的力覺(jué)反饋，也存在一些問(wèn)題，(1)一旦出現(xiàn)故障，容易給操作者造成傷害;(2)穩(wěn)定性差，使力反饋保真性能大打折扣;(3)再現(xiàn)硬度大的物體或剛體時(shí)，因所需的力/力矩很大，要求驅(qū)動(dòng)器體積必須足夠大以至于不適合用于力反饋系統(tǒng);(4)因其高的結(jié)構(gòu)剛度，無(wú)法反饋柔順性物體的柔順性。而被動(dòng)力反饋系統(tǒng)是能量耗散的，本身具備穩(wěn)定性特點(diǎn)，也不會(huì)對(duì)操作者造成傷害，并且比同體積主動(dòng)力反饋系統(tǒng)反饋的力范圍要大得多，所以基于制動(dòng)器或離合器的被動(dòng)力反饋系統(tǒng)經(jīng)常被采用［10］。基于一般制動(dòng)器或離合器的被動(dòng)力反饋系統(tǒng)也存在著問(wèn)題，因?yàn)榉答伭氐漠a(chǎn)生完全依賴(lài)于機(jī)械接觸，所以當(dāng)使用快速開(kāi)關(guān)控制器驅(qū)動(dòng)時(shí)容易造成系統(tǒng)的振動(dòng)。更有甚者，摩擦材料具有比較高的動(dòng)摩擦系數(shù)，容易導(dǎo)致粘滑現(xiàn)象發(fā)生，這種現(xiàn)象能夠造成制動(dòng)力矩的不連續(xù)。較大的響應(yīng)時(shí)間和延時(shí)使控制難度大為增加。

為此，作者利用智能材料磁流變液研制了一種新型被動(dòng)力反饋?zhàn)枘崞?，磁流變液是一種液體智能材料，能夠在磁場(chǎng)作用下于毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)從牛頓流體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轭?lèi)似固體狀態(tài)，這種狀態(tài)的轉(zhuǎn)變具有可逆、連續(xù)、能耗小等特點(diǎn)［11］。阻尼器是由密封的殼體內(nèi)固定安裝一個(gè)旋轉(zhuǎn)體(轉(zhuǎn)子)，殼體內(nèi)部充滿(mǎn)磁流變液，殼體與轉(zhuǎn)子之間的磁流變液受磁場(chǎng)作用時(shí)粘度連續(xù)變化，從而阻礙了轉(zhuǎn)子在殼體內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)阻尼力。該阻尼器不同于一般的阻尼器，轉(zhuǎn)子部分被一層薄薄液體層所包圍，這樣就沒(méi)有機(jī)械直接接觸，剪切應(yīng)力能夠平穩(wěn)傳遞，所以更適合于力/力矩反饋系統(tǒng)的使用。文章描述了該阻尼器的原理、結(jié)構(gòu)并建立了動(dòng)力學(xué)模型。因?yàn)榇帕髯円鹤枘崞鞲叨确蔷€(xiàn)性特征，所以很難建立其逆動(dòng)態(tài)模型，文中研究了其簡(jiǎn)化逆動(dòng)態(tài)模型，用于計(jì)算最佳液體屈服應(yīng)力或輸入電流，以滿(mǎn)足虛擬操作或遙操作力/力矩再現(xiàn)的要求。

在本研究中，第2部分研究了基于磁流變液阻尼器的阻尼力產(chǎn)生原理，設(shè)計(jì)阻尼器的結(jié)構(gòu)并建立了阻尼器的動(dòng)力學(xué)模型，分析了阻尼器的性能。第3部分建立了阻尼器的簡(jiǎn)化逆動(dòng)態(tài)模型，分別闡述了轉(zhuǎn)速反饋算法和阻尼力反饋算法。第4部分建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)磁流變液阻尼器的設(shè)計(jì)方法和建立的阻尼器簡(jiǎn)化逆動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。最后給出了結(jié)論。

1 磁流變液阻尼器結(jié)構(gòu)及原理

1.1 阻尼器結(jié)構(gòu)

本研究中研制的磁流變液阻尼器如圖1所示，主要包括一個(gè)轉(zhuǎn)子、上下蓋和線(xiàn)圈、磁芯，轉(zhuǎn)子通過(guò)軸固定于上下蓋之間，與上下蓋之間距離分別為1 mm，軸與上蓋之間用密封圈密封，上下蓋和絕磁環(huán)用密封環(huán)密封圍成一個(gè)空間，空間內(nèi)充滿(mǎn)磁流變液，轉(zhuǎn)子通過(guò)軸能夠在密封空間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，上下蓋、轉(zhuǎn)子、線(xiàn)圈、磁芯以及上下蓋與轉(zhuǎn)子之間的磁流變液組成一個(gè)磁路，在下蓋底部打兩個(gè)通氣孔，用于加入磁流變液。

圖1 阻尼器結(jié)構(gòu)剖面圖

1.2 阻尼力產(chǎn)生原理

磁流變液在沒(méi)有施加磁場(chǎng)的情況下，表現(xiàn)為牛頓流體的特性，轉(zhuǎn)子通過(guò)軸能夠在密封空間內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)給線(xiàn)圈施加電流時(shí)，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿磁芯，經(jīng)過(guò)上蓋、磁流變液、轉(zhuǎn)子、下蓋回至磁芯形成回路，磁芯、轉(zhuǎn)子、上下蓋都是導(dǎo)磁率高的材料制成的，而磁流變液是導(dǎo)磁率極低的液體，所以大部磁壓降到了磁流變液上，在磁場(chǎng)的作用下，磁流變液的流變學(xué)特性發(fā)生了劇烈的變化，粘度在幾毫秒時(shí)間內(nèi)迅速增大，屈服應(yīng)力增大，轉(zhuǎn)子相對(duì)殼體運(yùn)動(dòng)受到的剪切應(yīng)力將傳遞到軸上，隨著電流強(qiáng)度的增大，磁流變液的粘度也不斷增大，屈服應(yīng)力在磁流變液磁飽和前與電流呈現(xiàn)一定關(guān)系，這樣可以通過(guò)控制電流強(qiáng)度的變化精確控制轉(zhuǎn)子力/力矩的大小。

2 阻尼器的動(dòng)力學(xué)模型

2.1 磁流變液的本構(gòu)關(guān)系

通常認(rèn)為，磁流變液在沒(méi)有磁場(chǎng)作用下表現(xiàn)為Newton流體特征，而在磁場(chǎng)作用下變成粘塑體，表現(xiàn)為Bingham塑料模型特征，其本構(gòu)模型為［12］:

式中τ為總的剪切應(yīng)力，τy是由磁場(chǎng)作用于磁流變液產(chǎn)生的屈服應(yīng)力，η為磁流變液的動(dòng)力粘度，˙γ為剪切應(yīng)變率。

2.2 阻尼器的動(dòng)力學(xué)模型

本文研制磁流變液阻尼器工作于直接切割模式，在此作假設(shè)［13］①磁流變液不可壓縮，②其本構(gòu)模型為Bingham模型，③磁流變液在轉(zhuǎn)子與上下蓋的間隙內(nèi)作薄片狀流動(dòng)，則其動(dòng)力學(xué)模型為:

總的輸出力矩是由下列幾部分組成，由磁流變液屈服應(yīng)力τy產(chǎn)生的力矩TM，由磁流變液動(dòng)力粘度產(chǎn)生的力矩Tv，裝置的摩擦力產(chǎn)生的力矩Tf。磁流變液在沒(méi)有施加磁場(chǎng)時(shí)具有一定的動(dòng)力粘度，產(chǎn)生力矩Tv。裝置的摩擦力與加工精度、設(shè)計(jì)指標(biāo)具有相當(dāng)大的關(guān)系，但在裝置加工完成后基本上是一個(gè)常量，因此可以看作系統(tǒng)常數(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得。所以計(jì)算輸出力矩的關(guān)鍵是能夠計(jì)算出屈服應(yīng)力力矩和動(dòng)力粘度力矩。

圖2為基于磁流變液的阻尼器轉(zhuǎn)子與上蓋之間磁流變液動(dòng)力學(xué)模型結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子與下蓋之間磁流變液結(jié)構(gòu)與其對(duì)稱(chēng)，上側(cè)力矩計(jì)算結(jié)果的2倍即為總的力矩輸出，忽略裝置摩擦產(chǎn)生的力矩Tf，經(jīng)推導(dǎo)得磁流變液阻尼器輸出力矩為:

式中ri和ro分別為轉(zhuǎn)子與殼體之間的磁流變液內(nèi)外半徑，ω為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，h為轉(zhuǎn)子與上蓋之間的間隙。

τy是磁流變液的屈服應(yīng)力，與磁感應(yīng)強(qiáng)度B呈指數(shù)關(guān)系［14］即:

式中的α和n是通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，由廠家提供，如果能夠獲得磁感應(yīng)強(qiáng)度B與電流強(qiáng)度i的關(guān)系，輸出力矩就可以通過(guò)電流進(jìn)行控制。有限元分析能夠較為準(zhǔn)確地獲得電磁場(chǎng)各參數(shù)的相互關(guān)系，包括電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系［15］。文中應(yīng)用Ansoft公司的Maxwell 10.0軟件對(duì)基于磁流變液的阻尼器電磁場(chǎng)進(jìn)行了有限元分析，把分析的結(jié)果代入式(4)可以從理論上建立阻尼器的屈服應(yīng)力隨電流的變化關(guān)系為:

式中，k1，k2，k3是常數(shù)，再將式(5)代入式(3)即可建立輸出力矩與輸入電流的理論模型，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符，從而說(shuō)明磁流變液阻尼器的動(dòng)力學(xué)模型比較精確，理論推導(dǎo)正確。

圖2 阻尼器動(dòng)力學(xué)模型結(jié)構(gòu)

圖3 輸出力矩與輸入電流的關(guān)系

2.3 阻尼器性能分析

式(2)中，TM是可以通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)(電流)的大小進(jìn)行控制的，只有TM足夠大，阻尼器在實(shí)現(xiàn)力反饋中才有意義。Tuc為不可控力矩，包括由磁流變液動(dòng)力粘度引起的Tv和由機(jī)械摩擦引起的Tf，為了估算阻尼器輸出力的性能，我們將阻尼器施加磁場(chǎng)和未施加磁場(chǎng)輸出力矩作比較(忽略由機(jī)構(gòu)摩擦引起的輸出力矩Tf得)，得出阻尼器輸出力矩的可調(diào)范圍:

結(jié)合式(6)、式(5)和式(3)可以得到

從式(7)中可以看出，增大磁流變液的屈服應(yīng)力可以增大阻尼器輸出力矩的可調(diào)范圍，減小磁流變液的動(dòng)力粘度也是增大力矩可調(diào)系數(shù)的有效方法，該式為我們選用合適的磁流變液提供了依據(jù)，即可以根據(jù)力反饋的具體要求，選擇合適屈服應(yīng)力和粘度系數(shù)的磁流變液，本文設(shè)計(jì)的阻尼器選用美國(guó)LORD公司生產(chǎn)的MRF－140CG磁流變液。

3 阻尼器的簡(jiǎn)化逆動(dòng)態(tài)模型

3.1 阻尼器約束條件

在遙操作或虛擬操作過(guò)程中，要將遠(yuǎn)程機(jī)器人與環(huán)境或虛擬機(jī)器人與虛擬環(huán)境相互作用時(shí)受的力(目標(biāo)作用力TObject)通過(guò)力反饋設(shè)備實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地反饋給操作者，那么，力反饋設(shè)備要能夠控制其執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生與目標(biāo)作用力矩相一致的實(shí)際力TActual，使用磁流變液阻尼器作為力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，阻尼器將根據(jù)目標(biāo)力計(jì)算出磁流變液產(chǎn)生的屈服應(yīng)力，進(jìn)而求得施加于線(xiàn)圈上的電流，所以需要建立阻尼器的逆動(dòng)態(tài)模型。磁流變液阻尼器的特征使其具有固有的約束，即被動(dòng)約束和限制約束。

3.1.1 被動(dòng)約束

磁流變液阻尼器只能用于被動(dòng)力的反饋，是耗散型的，其控制力－速度關(guān)系由下式給出

式中ω(t)是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。當(dāng)實(shí)際力TActual在t時(shí)刻與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速方向一致時(shí)，目標(biāo)力TObject可以與實(shí)際力TActual比較，因此TObject可以認(rèn)為

3.1.2 限制約束

除了被動(dòng)約束外，磁流變液阻尼器產(chǎn)生的力矩還受上限和下限值限制，它取決于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，即

|Tmin(t)|和|Tmax(t)|分別為t時(shí)間阻尼力能夠達(dá)到的最小值和最大值，由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω(t)決定。

如果目標(biāo)阻尼力TObject能夠?qū)崿F(xiàn)，則意味著滿(mǎn)足式(9)和式(10)兩個(gè)約束條件，可以利用簡(jiǎn)化逆動(dòng)態(tài)模型求得最優(yōu)輸入電流并產(chǎn)生所需的阻尼力。

3.2 阻尼器的簡(jiǎn)化逆動(dòng)態(tài)模型

3.2.1 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反饋算法

如果目標(biāo)阻尼力TObject滿(mǎn)足3.1所述的約束條件，那么最優(yōu)液體屈服應(yīng)力τy(t)可由以下方法求得:

因?yàn)樽枘崞髯枘崃Φ?個(gè)分量符號(hào)總是一致的，所以目標(biāo)阻尼力的幅值等于3分量幅值的和:

整理得:

上述的簡(jiǎn)化逆動(dòng)態(tài)模型可以獲得所需的τy(t)，進(jìn)而求得要施加的電流，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)阻尼力TObject，為了實(shí)現(xiàn)該模型，需要一個(gè)額外的轉(zhuǎn)速傳感器，代價(jià)較大而且安裝困難，下面研究更為適用的算法。

3.2.2 阻尼力反饋算法

雖然轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不適合于反饋，但可以用實(shí)際測(cè)量的阻尼力TActual來(lái)近似，等效的|TActual|等于3個(gè)阻尼力分量的和:

由ω(t)變化的連續(xù)性，當(dāng)Δt→0時(shí)ω(t－Δt)可以看作ω(t)的近似值，整理得:

代入式(14)，得阻尼器基于阻尼力的簡(jiǎn)化逆動(dòng)態(tài)模型:

4 阻尼器力反饋實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的磁流變液阻尼器有效性及其模型正確性，作者自行研制并設(shè)計(jì)加工了一個(gè)磁流變液阻尼器，建立一個(gè)簡(jiǎn)單的力反饋實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示，該系統(tǒng)包括主端和從端，主端的機(jī)構(gòu)部分由支架、磁流變液阻尼器、角度及力傳感器、主臂組成，阻尼器的殼體固定于一端支架上，主臂、傳感器固定于軸并通過(guò)軸承固定于另一端支架，控制器部分包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集與控制器、直流可調(diào)電流源;從端機(jī)構(gòu)部分由支架、電機(jī)、力傳感器、從臂組成，電機(jī)固定于一端支架上，通過(guò)軸帶動(dòng)從臂轉(zhuǎn)動(dòng)，控制器部分由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集與控制器組成。

圖4 力反饋實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

當(dāng)操作者操縱主臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，角度傳感器將主臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度采集到主端控制器并傳輸?shù)綇亩丝刂破?，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制從臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)從臂接觸到物體時(shí)，從端的力傳感器將力信息通過(guò)從端控制器傳回主端控制器，主端控制器利用簡(jiǎn)化逆動(dòng)態(tài)模型計(jì)算出電流，并控制電流源輸出該電流，磁流變液阻尼器動(dòng)作，從而為操作者提供一個(gè)被動(dòng)反饋力。

4.2 力反饋實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證磁流變液阻尼器具有較大的應(yīng)用范圍，特別是能夠?qū)崿F(xiàn)黏彈性物體如生物肌體組織的柔順性再現(xiàn)，本文分別做了柔順性物體力反饋實(shí)驗(yàn)和硬物碰撞力反饋實(shí)驗(yàn)，力跟蹤結(jié)果如圖5所示。

柔順性物體是黏彈性物體，受一沖擊力作用后并不能夠保持力不變，而是有一個(gè)釋放過(guò)程，釋放速度由快變慢，最終達(dá)到力平衡，從圖5所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，不論是對(duì)柔順性物體壓力釋放的跟蹤還是硬物碰撞過(guò)程的跟蹤，磁流變液阻尼器都能較好的完成。圖中的主、從臂受力/力矩在時(shí)間軸上有一定偏移是它們的受力過(guò)程存在時(shí)延。

圖5 力跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

為克服主動(dòng)驅(qū)動(dòng)器存在的穩(wěn)定性、安全性差等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于液體智能材料磁流變液的被動(dòng)力反饋?zhàn)枘崞鳎⒘嗽撘后w阻尼器的模型和簡(jiǎn)化逆動(dòng)態(tài)模型，最后建立簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以看出:

(1)磁流變液的粘度變化具有連續(xù)、快速和可逆的特點(diǎn)，所以基于該液體智能材料的阻尼器亦具有力矩連續(xù)可調(diào)、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，而且是能量耗散型的，本身具有穩(wěn)定、安全的優(yōu)點(diǎn);

(2)在阻尼器轉(zhuǎn)子上包裹了一層薄薄的液體，克服了傳統(tǒng)機(jī)械阻尼器不穩(wěn)定、力矩傳遞不連續(xù)的缺點(diǎn)，更適合于力/力矩再現(xiàn)設(shè)備的使用;

(3)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的力/力矩再現(xiàn)，特別可以保持高度真實(shí)地再現(xiàn)黏彈性物體如生物柔順性物體的柔順性，一般的主動(dòng)力再現(xiàn)設(shè)備因結(jié)構(gòu)剛度較大無(wú)法保證黏彈性物體柔順性再現(xiàn)的真實(shí)性;

(4)基于磁流變液阻尼器能夠在機(jī)電之間直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，算法比較容易實(shí)現(xiàn)，成本較低，在虛擬現(xiàn)實(shí)、遙操作機(jī)器人和遠(yuǎn)程醫(yī)療領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V泛的應(yīng)用前景。

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戴金橋(1973－)，男，漢，江蘇漣水人，博士，講師，1996年畢業(yè)于東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程系，獲學(xué)士學(xué)位;2002年至2009年分別在東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院攻讀碩士、博士研究生并獲得相應(yīng)學(xué)位，2009年至2011年在東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院做博士后研究工作，2011年至今就職于淮陰師范學(xué)院物理與電子電氣工程學(xué)院，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人力/觸覺(jué)、測(cè)控技術(shù)與智能系統(tǒng)，daijinqiao@sohu.com。

一種被動(dòng)力反饋?zhàn)枘崞骷捌淠Ｐ脱芯?

戴金橋1*，俞阿龍1，王愛(ài)民2，徐寶國(guó)2
(1.淮陰師范學(xué)院物理與電子電氣工程學(xué)院，江蘇淮安223300;2.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210096)

根據(jù)力覺(jué)反饋的需要，設(shè)計(jì)了一種基于磁流變液的阻尼器，并建立了模型。介紹了磁流變液阻尼器的設(shè)計(jì)方法，該阻尼器由上、下蓋組成密閉的殼體，轉(zhuǎn)子通過(guò)軸設(shè)置于殼體內(nèi)，殼體內(nèi)充滿(mǎn)磁流變液，在磁場(chǎng)作用下磁流變液屈服應(yīng)力產(chǎn)生變化，轉(zhuǎn)子相對(duì)于殼體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)阻尼力連續(xù)快速變化，分析了阻尼器阻尼力構(gòu)成及其可控性，運(yùn)用較為簡(jiǎn)化的方法建立了阻尼器的逆動(dòng)態(tài)模型，利用研制的阻尼器原型設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行了擠壓柔順性物體和碰撞剛體力反饋實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中阻尼器能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的力覺(jué)反饋，因此表明設(shè)計(jì)方法有效、模型正確。

阻尼器;力反饋;磁流變液;簡(jiǎn)化逆動(dòng)力學(xué)模型

TP242.6;TB381

A

1004－1699(2014)04－0484－06

2013－12－28修改日期:2014－03－14

C:7320G;7230

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.04.012

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61104206);江蘇省科技支撐項(xiàng)目(BE2012740);淮安市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(HASZ2013006)