为了克服目前力反馈数据手套存在的安全性差、力再现范围小等不足,提出了一种磁流变液被动力觉驱动器实现方法.利用液体智能材料磁流变液在磁场作用下毫秒级时间内能连续、可逆地由牛顿流体状态转变为类似固体状态的特殊性能,设计了一种被动力觉驱动器;介绍了该驱动器的结构和实现原理,利用电磁场有限元分析方法分析了驱动器的电磁特性,在此基础上建立了驱动器的动力学模型,讨论了输出力的动态范围并进行初步实验验证.最后利用研制的驱动器原型构建了单手指力反馈数据手套并进行了初步实验.实验结果证明,基于磁流变液的被动力觉驱动器利用流体传递力,增加了输出力的稳定性,多旋转片结构使输出力增大2倍,并具有安全性好、力再现范围大等优点.

根据力觉交互的需要,提出了一种基于磁流变液力觉驱动器的优化设计方法.介绍了磁流变液力觉驱动器的结构、原理及其动力学模型,用无因次量替代动力学模型中的相应参数得出无因次动力学模型,分析了在磁流变液宾汉值为常数的条件下输出被动驱动力动态范围、输出被动驱动力随结构参数的变化关系.综合考虑体积、输出被动驱动力大小及其动态范围基础上提出了阻尼器的最优设计方法,并给出了设计程序.利用该设计方法设计了应用于被动力反馈装置的驱动器,加工了原型并进行了测试,测试结果验证了设计方法的有效性.

针对磁流变液阻尼器高度非线性特性导致的控制难问题,提出一种简化的逆动态模型.该模型可由速度反馈算法或力反馈算法实现,可以用来计算磁流变液的屈服应力或输入电流,使磁流变液阻尼器实时地产生一个阻尼力,并确保该阻尼力达到从各种优化算法中获得的目标控制力.在此基础上将盘式磁流变液阻尼器应用于力反馈系统中,并将简化逆动态模型用于反馈力控制.为了验证所提算法的有效性和正确性,建立一个力反馈实验系统并进行力跟踪实验,实验结果充分验证了所提方法的有效性.

针对磁流变液被动力觉驱动器因高度非线性带来的控制难度大的问题，提出了一种简化逆动力学模型。在简单介绍磁流变液力觉驱动器的原理、结构和动力学模型的基础上，分析了驱动器输出力的约束条件，研究了转子转速反馈算法并推导了输出力反馈算法，最后，利用研制的驱动器原型构建了力觉交互实验系统，并应用所提的简化逆动力学模型进行了黏滞性物体的压力释放力跟踪实验、刚体碰撞力觉跟踪实验和阶跃响应实验。实验结果表明，基于简化逆动力学模型的控制算法是正确有效的，能够较好地实现对磁流变液力觉驱动器输出力的控制，促进磁流变液器件在力觉交互技术中得到广泛应用。

提出了一种基于磁流变液的振动控制阻尼器,实现对柔性机器人关节振动的半主动控制.利用磁流变液在磁场作用下固液转换的快速、连续、可逆性能,提出了一种阻尼力连续可调的振动控制阻尼器的设计方法,建立了其动力学模型,分析了其性能并将其应用于移动防化机器人上,建立了机械手肩关节振动模型并对振动衰减进行了仿真分析.最后,研制了样机并进行了振动控制实验,实验结果验证了所提方法的有效性.

针对目前柔顺性触觉接口设备存在的容易失真的问题,提出了一种基于电机和磁流变液混合驱动的柔顺性触觉接口装置。在简单介绍了磁流变液的基础上,讨论了基于磁流变液被动驱动器的结构和原理,该驱动器采用多转子设计思路以增大力输出范围。利用磁流变液驱动器能够模拟肌体组织的黏滞性,电机能够模拟肌体组织的弹性,将驱动器与电机串联实现肌体组织的柔顺性再现,同时利用电机补偿驱动器非有益阻尼力,增强装置的保真效果。在此基础上设计了柔顺性触觉接口装置,对装置模拟自由空间、不同的变形程度柔顺性物体受力进行了介绍,分析了装置的控制方法,最后加工了触觉装置原型,开展了不同柔顺度虚拟肌体组织柔顺性再现实验,实验结果验证了所设计装置及控制方法的有效性。

针对手部康复训练设备主要由主动驱动器驱动导致的安全稳定性差、容易造成二次伤害等问题,设计了一种用于手部康复训练的被动驱动交互装置。首先简单介绍了被动驱动器的结构、实现原理,在此基础上提出了一种两自由度手部康复训练交互装置设计方法,该交互装置在支架上设置两根相互垂直并处于同一平面的轴,轴的两端分别连接被动驱动器和数字编码器,手柄在两轴的驱动下能在两雏空间内运动并产生两自由度的力。接着分析了手柄受力与被动驱动器输出力的变换方法,最后设计康复游戏,与研制的交互装置配合,开展了脑卒中患者的康复训练试验,试验结果验证了康复训练交互装置对于手部康复训练的有效性。

根据力觉反馈的需要,设计了一种基于磁流变液的阻尼器,并建立了模型。介绍了磁流变液阻尼器的设计方法,该阻尼器由上、下盖组成密闭的壳体,转子通过轴设置于壳体内,壳体内充满磁流变液,在磁场作用下磁流变液屈服应力产生变化,转子相对于壳体转动时阻尼力连续快速变化,分析了阻尼器阻尼力构成及其可控性,运用较为简化的方法建立了阻尼器的逆动态模型,利用研制的阻尼器原型设计了实验系统并进行了挤压柔顺性物体和碰撞刚体力反馈实验,实验中阻尼器能够实现大范围的力觉反馈,因此表明设计方法有效、模型正确。

对传统盘式磁流变液制动器提出了改进措施，并对其设计方法进行了分析研究。磁流变液制动器是利用磁流变液的抗剪切屈服应力产生制动力矩，在屈服应力不变的情况下增大接触面积可以提高制动力矩。在传统盘式磁流变液制动器基础上，提出了一种增大其接触面积以增加其制动力矩的改进方法，讨论了力矩传递模型，利用电磁场有限元分析法研究了电磁特性，最后进行对比实验，实验结果验证所提方法的有效性。