用于被动力觉再现的磁流变液制动器

　　对人类获取信息能力的研究表明，视觉信息所占的比例最大，但是当机器人与环境相互作用时，比如组装工件、插销入孔等，仅仅依靠视觉信息，操作者不能从中获得真实的力感受。Marc^[1]指出人的视觉偏差直接依赖于力/触觉信息的修正。遥操作和虚拟操作的研究还表明，力/触觉信息的反馈可以极大提高精细作业任务的效率和精度，如对插销入孔操作的对比实验表明，提供操作者力/触觉反馈信息比仅有图像显示可以使任务完成时间缩短近一半^[2]。目前，已经存在的力觉再现系统种类很多，如美国Immersion 公司的CyberGrasp^[3]、SenseAble 公司的PHANToM 手臂系列^[4]、Rutgers大学研制的力反馈数据手套Rutgers Master Ⅱ-ND^[5]等，由于驱动力的产生和控制主要是基于电动、气动^[6]、液压或电磁场[7]等主动驱动器，它们普遍存在体积大、稳定性差、力驱动范围小等缺点。此外，电机难以工作在大输出力的堵转状态，无法再现硬接触的感觉; 气动、液压执行器又存在严重的非线性干扰，难以准确控制输出力大小。被动力反馈系统是能量耗散的，具备安全稳定性好、体积小等特点，基于制动器^[8]、人工肌肉^[9]等被动驱动器的力觉再现装置经常被采用，但制动器容易产生粘滑造成制动力矩的不连续，人工肌肉的响应速度相对较慢，只能应用于某些特定场合。基于磁流变液驱动器的力觉再现装置^[10]因稳定性好、响应速度快，能够再现柔顺性物体的粘滞性，但结构设计的不合理使其体积大、力控制不精确，难以在力觉再现领域推广。

　　本文利用磁流变液研制了一种实现被动力觉再现的新型制动器。描述了该制动器的制动原理、结构并建立了动力学模型。针对制动器高度非线性带来的控制难度大的问题，利用转子转速反馈和力反馈算法建立了其简化逆动力学模型;利用制动器原型设计了虚拟力觉再现实现系统并进行虚拟柔顺性物体的压力释放和虚拟墙体碰撞力觉再现实验。

　　1 磁流变液制动器结构及原理

　　图1 为研制的新型磁流变液制动器。该制动器是文献^[11]所述结构的改进形式，改进后的结构具有如下特点:

　　( 1) 多旋转盘结构在体积增加不多的情况下，磁流变液的剪切面积增大近1 倍，在工作间隙磁场强度相同的条件下，输出阻尼力增大近1 倍，该结构形式的制动器在输出力不变的情况下可以使体积缩小近一半，相应的非有益综合阻尼力也大大减小;

　　( 2) 改进后结构采用双出杆形式，增加了输出力的稳定性，其原理与文献^[11]所述结构类似。