戴金橋,俞阿龍,王愛(ài)民,韋 魏

(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.江蘇省現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)與智能系統(tǒng)重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 淮安 223300;3.東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210096; 4.江蘇省遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210096)

磁流變液力覺(jué)驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

戴金橋1,2,4,俞阿龍1,2,王愛(ài)民3,4,韋 魏1

(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.江蘇省現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)與智能系統(tǒng)重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 淮安 223300;3.東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210096; 4.江蘇省遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210096)

根據(jù)力覺(jué)交互的需要,提出了一種基于磁流變液力覺(jué)驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法．介紹了磁流變液力覺(jué)驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)、原理及其動(dòng)力學(xué)模型,用無(wú)因次量替代動(dòng)力學(xué)模型中的相應(yīng)參數(shù)得出無(wú)因次動(dòng)力學(xué)模型,分析了在磁流變液賓漢值為常數(shù)的條件下輸出被動(dòng)驅(qū)動(dòng)力動(dòng)態(tài)范圍、輸出被動(dòng)驅(qū)動(dòng)力隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化關(guān)系．綜合考慮體積、輸出被動(dòng)驅(qū)動(dòng)力大小及其動(dòng)態(tài)范圍基礎(chǔ)上提出了阻尼器的最優(yōu)設(shè)計(jì)方法,并給出了設(shè)計(jì)程序．利用該設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了應(yīng)用于被動(dòng)力反饋裝置的驅(qū)動(dòng)器,加工了原型并進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的有效性．

驅(qū)動(dòng)器; 力覺(jué)交互; 優(yōu)化設(shè)計(jì); 磁流變液

0 引言

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展,力覺(jué)反饋設(shè)備已被廣泛應(yīng)用于虛擬裝配、遙操作、虛擬手術(shù)、康復(fù)醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域,力覺(jué)驅(qū)動(dòng)器作為力覺(jué)反饋設(shè)備中的關(guān)鍵因素,決定著力覺(jué)交互的品質(zhì),如虛擬操作的沉浸感、真實(shí)感,同時(shí)也影響操作者的安全性．目前的力覺(jué)交互設(shè)備大多是主動(dòng)型的,如美國(guó)Immersion公司的CyberGrasp[1]、SenseAble公司的PHANToM手臂系列[2]、Rutgers大學(xué)研究開(kāi)發(fā)的Rutgers Master II-ND[3]等,主要由司服電機(jī)、壓縮空氣[4]或電磁場(chǎng)[5]等主動(dòng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng),存在穩(wěn)定性差、體積大、輸出力范圍小、保真性差等缺點(diǎn),且一旦出現(xiàn)故障,易給操作者造成傷害．被動(dòng)力覺(jué)交互設(shè)備是能量耗散的,本身具備安全穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),因此基于制動(dòng)器[6]、人工肌肉[7]等被動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的力覺(jué)交互設(shè)備經(jīng)常被采用,但這些設(shè)備也存在一些缺陷,基于制動(dòng)器的力覺(jué)再現(xiàn)設(shè)備完全依賴于機(jī)械接觸易造成系統(tǒng)振動(dòng),基于氣動(dòng)人工肌肉的交互設(shè)備因響應(yīng)速度較慢限制了其應(yīng)用范圍．

磁流變液是一種新興的液體智能材料,在磁場(chǎng)作用下毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)能連續(xù)、可逆地由牛頓流體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃乒腆w狀態(tài)[8],基于磁流變液被動(dòng)力覺(jué)交互設(shè)備[9-11]通過(guò)液體傳力,穩(wěn)定性更高,且響應(yīng)速度快,已越來(lái)越受到人們的關(guān)注．對(duì)于給定參數(shù)的磁流變液阻尼器,可通過(guò)理論分析或?qū)嶒?yàn)的方法建立其動(dòng)力學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)其有效的控制,但因其模型的高度非線性和復(fù)雜性并涉及到多個(gè)參數(shù),如何利用其模型設(shè)計(jì)出符合要求的磁流變液阻尼器是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一,使其在力覺(jué)反饋設(shè)備中的應(yīng)用很難得到推廣．

本文以直動(dòng)式磁流變液阻尼器為例,在其動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,提出了一種無(wú)因次優(yōu)化設(shè)計(jì)方法．首先介紹直動(dòng)式磁流變液阻尼器的結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)模型,接著詳細(xì)討論了阻尼器的無(wú)因次的設(shè)計(jì)方法,最后利用提出的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出阻尼器原型,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．

1 磁流變液阻尼器及其動(dòng)力學(xué)模型

基于磁流變液的被動(dòng)力覺(jué)阻尼器結(jié)構(gòu)如圖1所示,由一個(gè)類似于活塞和缸體的結(jié)構(gòu)組成,活塞兩端的連桿組成雙出桿結(jié)構(gòu),增加了穩(wěn)定性并且不需要考慮體積補(bǔ)償．在活塞上繞有線圈,由直流電流源供電．在缸體中充滿磁流變液體,連桿與缸體蓋之間進(jìn)行密封處理．

圖1 基于磁流變液阻尼器結(jié)構(gòu)圖

沒(méi)有電流施加到線圈時(shí),磁流變液體呈現(xiàn)牛頓流體狀態(tài),活塞在缸體內(nèi)移動(dòng)基本上不受阻力．當(dāng)有電流施加到線圈上時(shí),線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁力線將垂直通過(guò)工作間隙(如圖1)的磁流變液,磁流變液將產(chǎn)生磁流變效應(yīng),屈服應(yīng)力增大,活塞在缸體內(nèi)的移動(dòng)是因剪切磁流變液而受阻力作用,隨著電流的增加,磁流變液中的磁場(chǎng)未飽和時(shí),磁流變液的屈服應(yīng)力也不斷增大,最終轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃乒腆w的狀態(tài),活塞在缸體內(nèi)的移動(dòng)阻力將達(dá)到最大[12]．這就是力覺(jué)產(chǎn)生的原理,而且其輸出力的變化范圍很大,由其實(shí)現(xiàn)的力覺(jué)交互裝置將可以實(shí)現(xiàn)大范圍的力覺(jué)反饋．

在對(duì)直動(dòng)式磁流變液力覺(jué)阻尼器的模型研究中,西安通信學(xué)院的徐一兵利用平行板模型替代軸對(duì)稱模型,建立了阻尼器的動(dòng)力學(xué)模型[13]:

(1)

式中F為磁流變液阻尼器總的輸出阻尼力,Ap為活塞端面的有效面積,h為工作間隙磁流變液徑向?qū)挾?w為工作間隙磁流變液平均周長(zhǎng),L為工作間隙磁流變液的有效長(zhǎng)度,v0為活塞相對(duì)于缸體移動(dòng)的速度,η為磁流變液的動(dòng)力黏度,τ0為磁流變液的屈服應(yīng)力．

可以控制的輸出阻尼力和動(dòng)態(tài)范圍是衡量磁流變液阻尼器性能的兩個(gè)綜合指標(biāo),如圖2所示,阻尼器的總輸出力由兩部分組成,即由磁流變液屈服應(yīng)力τ0產(chǎn)生的阻尼力Fτ和不可控阻尼力Fuc,其中不可控阻尼力包括動(dòng)力黏度產(chǎn)生的阻尼力Fη和摩擦力Ff,機(jī)械加工完成并選擇好密封元件后,摩擦力基本上是一個(gè)固定值,可通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得,這里忽略機(jī)械摩擦力Ff,動(dòng)態(tài)范圍D為總的輸出阻尼力與黏性阻尼力的比值

圖2 阻尼器輸出力組成

(2)

根據(jù)式(1),Fη、Fτ分別定義為

(3)

(4)

介于[2.07,3.07]之間．

從圖2中可以看出,在輸出阻尼力組成中,阻尼力Fτ是有益且可控的,而黏性阻尼力Fη是非有益的,因此Fτ越大、Fη越小,阻尼器的性能越好．式(4)的Fτ受以下參數(shù)影響:阻尼器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、磁流變液的特性及活塞相對(duì)于缸體的速度,這些參數(shù)同時(shí)影響著黏性阻尼力的大小,以結(jié)構(gòu)參數(shù)h為例,Fτ與h成反比,h越小,Fτ越大,而h減小引起Fη增大,使阻尼器動(dòng)態(tài)范圍變小,可以看出,影響阻尼器兩種性質(zhì)輸出力的參數(shù)存在著耦合作用,因此利用該模型設(shè)計(jì)阻尼器存在較大的困難,為此提出了一種最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,可根據(jù)場(chǎng)合不同,設(shè)計(jì)符合使用要求的阻尼器．

2 阻尼器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

2.1 阻尼器的無(wú)因次設(shè)計(jì)分析

定義無(wú)因次速度V、無(wú)因次壓力梯度P和無(wú)因次屈服應(yīng)力Z分別為:

(5)

式中,Q(Apv0)為磁流變液體積流量．

阻尼器的輸出力F=ΔPAp,其中ΔP為活塞兩端壓差,壓差ΔP=-L(dp/dx),其中-dp/dx為工作間隙磁流變徑向壓力梯度,負(fù)號(hào)表示壓差與速度方向相反,則

F=-L(dp/dx)Ap

(6)

將式(5)、(6)帶入式(1)得壓力梯度的無(wú)因次方程

(7)

當(dāng)無(wú)因次屈服應(yīng)力Z為零時(shí),磁流變液呈現(xiàn)牛頓流體特性,由式(7)可得到牛頓流體的粘滯無(wú)因次壓力梯度,定義無(wú)因次動(dòng)態(tài)范圍φD為總的無(wú)因次壓力梯度與粘滯無(wú)因次壓力梯度的比

(8)

將式(5)、(7)及φc和φr代入式(6)得到由無(wú)因次參數(shù)φc和φr表示的無(wú)因次阻尼力φF

(9)

這樣,磁流變液阻尼器阻尼力可以表達(dá)成

F=(6πηv0L)φF

(10)

從式(10)可以看出,阻尼力F與間隙長(zhǎng)度L成正比,當(dāng)無(wú)因次賓漢值φc為零時(shí),式(9)簡(jiǎn)化阻尼力的方程為牛頓流體的情況．

無(wú)因次賓漢值φc為常數(shù)時(shí)無(wú)因次動(dòng)態(tài)范圍φD與無(wú)因次幾何參數(shù)φr之間關(guān)系如圖3(a)所示,無(wú)因次動(dòng)態(tài)范圍φD隨著無(wú)因次幾何參數(shù)φr增大而減小,因此減小的活塞半徑R1可獲得較大的無(wú)因次動(dòng)態(tài)范圍φD．對(duì)于給定的無(wú)因次幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)φr,當(dāng)無(wú)因次賓漢值φc增大時(shí),無(wú)因次動(dòng)態(tài)范圍φD也隨著增大,當(dāng)屈服應(yīng)力τ0增大時(shí),無(wú)因次賓漢值φc增大,所以可以通過(guò)選擇屈服應(yīng)力較大的磁流變液增加阻尼器輸出阻尼力范圍．此外,間隙深度h對(duì)無(wú)因次參數(shù)φc和φr都有很大的影響,隨著間隙寬度h增大,無(wú)因次賓漢值φc增大,無(wú)因次幾何參數(shù)φr減小,從而使無(wú)因次動(dòng)態(tài)范圍φD增大,所以可以通過(guò)選擇合適的h設(shè)計(jì)無(wú)因次動(dòng)態(tài)范圍φD,但h增大時(shí)需要吸收更大的磁場(chǎng)能量,必須增大線圈匝數(shù)或增加線圈電流,這樣易導(dǎo)致阻尼器體積的增加或能耗的急劇增大,所以h的值將受到限制．

當(dāng)無(wú)因次賓漢值φc為常數(shù)時(shí),無(wú)因次阻尼力φF和無(wú)因次幾何參數(shù)φr之間的關(guān)系如圖3(b)所示,無(wú)因次阻尼力φF隨著幾何參數(shù)φr增大而增大．對(duì)于給定的無(wú)因次幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)φr,當(dāng)無(wú)因次賓漢值φc增大時(shí),無(wú)因次阻尼力φF也隨著增大,這就意味著高屈服應(yīng)力τ0、大的活塞半徑R1和小的間隙深度h將增大阻尼力,另一方面,大的活塞半徑R1和小的間隙深度h將減小無(wú)因次動(dòng)態(tài)范圍φD．

綜上所述,各無(wú)因次參數(shù)之間存在著相互約束關(guān)系,因此必須根據(jù)實(shí)際的使用場(chǎng)合和使用要求綜合考慮各種因素,以求得最優(yōu)的參數(shù)組合．

圖3 無(wú)因次參數(shù)之間關(guān)系

2.2 磁流變液阻尼器參數(shù)設(shè)計(jì)

用式(8)、(9)、(10)無(wú)因次方程,可以建立磁流變液阻尼器有效的設(shè)計(jì)程序,滿足各種設(shè)計(jì)要求．一般情況下,無(wú)因次動(dòng)態(tài)范圍φD和最大阻尼力F是磁流變液阻尼器最重要的設(shè)計(jì)參數(shù),為了滿足所需的動(dòng)態(tài)范圍和最大阻尼力,可按以下設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)相關(guān):

1)按使用場(chǎng)合或設(shè)計(jì)要求指定無(wú)因次動(dòng)態(tài)范圍φD(=F/Fη);

2)按使用場(chǎng)合或設(shè)計(jì)要求指定一定活塞速度v0最大輸出力F;

3)測(cè)出所使用的磁流變液的賓漢特性值(τ0,η);

4)將步驟3)中的τ0和η計(jì)算無(wú)因次賓漢值φc(τ0h/ηv0),考慮選擇合適的間隙深度h;

5)將步驟4)中的h計(jì)算幾何參數(shù)φr,滿足步驟1)中無(wú)因次動(dòng)態(tài)范圍φD的需要;

6)將步驟3)中的η和步驟2)中v0速度下F代入式(10)計(jì)算環(huán)形間隙的有效長(zhǎng)度L．

3 阻尼器設(shè)計(jì)實(shí)例及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)某力反饋裝置的需要設(shè)計(jì)磁流變液阻尼器,要求輸出力動(dòng)態(tài)范圍20,速度為2 m/s時(shí)的最大輸出力為10 N,活塞半徑為10 mm,根據(jù)設(shè)計(jì)要求,選擇選擇美國(guó)LORD公司生產(chǎn)的MRF-140CG型磁流變液,其參數(shù)如表1所示．

表1 MRF-140CG型磁流變液參數(shù)

利用上述設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)的磁流變液阻尼器參數(shù)如表2所示,設(shè)計(jì)出的磁流變液阻尼器的原型如圖4所示．

圖4 磁流變液阻尼器實(shí)物圖

圖5 磁流變液阻尼器測(cè)試結(jié)果

表2 磁流變液阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)

在保持輸出軸(與活塞一體)相對(duì)與缸體以0.2 m/s移動(dòng)的情況下,給阻尼器線圈施加0～2 A的電流,測(cè)量出輸出軸所受的阻力,輸出阻力與輸入電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示,從圖5中可以看出,所設(shè)計(jì)的力反饋?zhàn)枘崞髯畲筝敵鲋禐?0 N左右,實(shí)驗(yàn)中測(cè)得阻尼器的非有益阻尼力為1 N,其中的機(jī)械摩擦力為0.5 N,黏性阻尼力為0.5 N,忽略機(jī)械摩擦力,可計(jì)算出磁流變液阻尼器的動(dòng)態(tài)范圍約為19,基本上達(dá)到使用要求．

4 結(jié)論

磁流變液作為一種新型的智能材料,具有卓越的性能,非常適用于開(kāi)發(fā)被動(dòng)力覺(jué)反饋設(shè)備,尤其是可實(shí)現(xiàn)物體柔順性特征的再現(xiàn),但基于磁流變液阻尼器的設(shè)計(jì)方法較為繁瑣．本文所提出的磁流變液阻尼器的無(wú)因次設(shè)計(jì)方法具有簡(jiǎn)單、步驟清楚、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),可根據(jù)不同的使用場(chǎng)合設(shè)計(jì)出符合要求的阻尼器,并被實(shí)驗(yàn)證實(shí)行之有效. 該方法為基于磁流變液阻尼器的設(shè)計(jì)提供了參考,使磁流變液在被動(dòng)力覺(jué)反饋技術(shù)中的應(yīng)用得到推廣．

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[責(zé)任編輯：蔣海龍]

OptimizationDesignMethodforMagneto-rheologicalFluidbasedHapticActuator

DAI Jin-qiao1,2,4,YU A-long1,2,WANG Ai-ming3,4,WEI Wei1

(1.School of Physical and Electronic and Electrical Engineering,Huaiyin Normal University,Huaian Jiangsu 223300,China)
(2.Jiangsu Province Key Construction Laboratory of Modern Measurement Technology and Intelligent System,Nanjing Jiangsu 210096,China)
(3.School of Instrument Science and Engineering,Southeast University,Nanjing Jiangsu 210096,China)
(4.Remote Measurement and Control Key Lab of Jiangsu Province,Nanjing Jiangsu 210096,China)

An optimization design method for magneto-rheological fluid based haptic actuator was presented for force interaction. The structure,principle and dynamics model were introduced. Non-dimensional model was set up with the relevant parameters in the dynamics model replaced by the Non-dimensional parameters. The relationships between the structure parameters and the output passive driving force,its dynamic range were analyzed when the Bingham value is a constant. An optimum design method for the haptic actuator was presented on base of synthetically considering the volume,output force and its dynamic range and the design program was given. A haptic actuator was designed according the method and the prototype was manufactured. Finally,the actuator was test and the effectiveness of the design method was verified by the results.

actuator; haptic interaction; optimization design; magneto-rheological fluid

2015-05-22

江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BE2012740); 江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201310323059X); 淮安市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(HASZ2013006; HAG2014041); 江蘇省遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目

戴金橋(1973-),男,江蘇漣水人,講師,博士,研究方向?yàn)榱τ|覺(jué)交互技術(shù)、測(cè)控技術(shù)與智能系統(tǒng). E-mail:djq@hytc.edu.cn

TP24

:A

:1671-6876(2015)03-0220-05