[发明专利]一种用于被动力觉再现的小型旋转式磁流变液阻尼器

说明书

技术领域

本发明属于被动力觉再现装置，主要涉及一种旋转式阻尼器，尤其是基于蛇形 磁路的小型旋转式磁流变液阻尼器。

背景技术

力觉是人类获取外界信息的一种重要感觉通道。力觉能够帮助操作者有效感知 操作对象的多种属性，实现对操作对象的精细操作和精确控制，如人在触摸物体时， 会主动施加一定的力来感知物体的硬度、柔软性、重量等属性信息。力觉再现是借 助带有力反馈的装置模拟人主动触摸、按压和抓取物体等过程中产生的力的感觉， 如人在与远地或虚拟环境中的物体进行交互时，带有力反馈的装置能够增强操作者 的临场感和沉浸感，从而提高人机交互效果和工作效率。

在人机交互过程中，力觉再现装置利用内部集成的执行机构为操作者提供力反 馈，执行机构的类型按驱动方式可分为主动式执行器、被动式执行器和半主动式执 行器。其中主动式执行器的特点是需要外部的能量输入，如电机等，具有控制性能 好、响应速度快、适用范围广等优点，但也具有可能引起系统失稳，无能量输入就 无法工作等缺点，同时这种方式并不符合人主动探索物体特征的过程。被动式执行 器的特点是不依赖外部的能量输入，如弹簧等，具有结构简单、工作稳定、安全可 靠等优点，但其动力学特性不能根据外部扰动特性的变化而变化，控制效果受外部 条件的影响较大，适应能力差。半主动式执行器工作时，不需要外部向其有效工作 部分输入能量，但其能够根据外部控制条件的改变，实时调整自身结构的动力学特 性，以便跟随受控对象的状态变化，实现对受控对象的最优控制；该类执行器可随 着有效载荷和使用模式的变化而变化，既具有响应速度快、适应能力强等特点，又 能保证装置结构简单、工作稳定和安全可靠。

磁流变液是一种新型智能材料，通常以悬浮液的形式存在。在磁场的作用下， 磁流变液能够发生流变效应，并随着磁场强度的变化，在牛顿流体状态和Bingham 半固体状态之间迅速转换，且这种状态的转换具有快速、连续、可逆等特点。因此， 基于磁流变液研制的阻尼器能够通过改变阻尼器内励磁线圈中输入电流的大小，动 态的调节加在磁流变液上的磁场强度，引起磁流变液剪切屈服强度的变化，从而控 制阻尼器的输出阻尼力矩，实现输出阻尼力矩的连续可调。磁流变液阻尼器即是一 种半主动式执行器，其工作过程中不会向受控系统输入能量。研制基于磁流变液阻 尼器的力觉再现装置，可使操作者感受到可变大小的被动阻尼力矩，从而再现远地 或虚拟环境中物体的多种属性。

随着力触觉交互技术的发展，带有力触觉再现功能的人机接口装置受到极大关 注。目前已应用于力觉再现装置的磁流变液阻尼器主要有直动式和旋转式。直动式 又分单出杆和双出杆两种形式，其工作方式主要是活塞杆带动活塞相对外壳运动的 过程中，填充在活塞与外壳内壁之间的磁流变液在磁场的作用下发生流变效应，产 生阻尼力；这类阻尼器一般使用的磁流变液较多，且需要重点解决漏液问题，即阻 尼器的密封结构简单时，不能有效控制漏液，密封结构过于复杂时，又会导致零电 流初始阻尼力增大。旋转式磁流变液阻尼器的转子和定子空间位置相对固定，能相 对的减少漏液，但传统的旋转式磁流变液阻尼器一般体积较大，存在磁流变液的使 用量大、利用率不高，以及阻尼器工作效率不高、发热量大、能耗大和可调阻尼力 矩范围有限等问题，不便于集成于小型化的力觉再现装置中。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术的不足，并针 对小型化力觉再现装置的需要，设计了一种可集成于小型化力觉再现装置中的小型 旋转式磁流变液阻尼器。该阻尼器采用蛇形磁路设计，有效提高了磁流变液的利用 效率，使阻尼器在不增加体积的情况下，可以输出更大的阻尼力矩；同时阻尼器具 有体积小、能耗低、磁流变液用量少、零电流初始阻尼力矩小和力反馈连续可调的 特点。

技术方案：本发明的一种用于被动力觉再现的小型旋转式磁流变液阻尼器， 该阻尼器包括转轴、O型密封圈、前封盖、引出线、前端盖、外壳、励磁线圈、后 端盖、间隔片、后封盖、转筒、绕线筒、螺钉、磁流变液、隔磁密封环和轴承；转 轴的轴向中部设有隔环，在该隔环的两侧分别固定转筒，构成转子；前端盖和后端 盖分别通过间隔片与绕线筒连接，构成定子；转子、定子，以及隔磁密封环之间的 空隙内填充磁流变液，定子与外壳之间的空腔内缠绕励磁线圈；O型密封圈、轴承、 隔磁密封环分别套在转轴的两侧，前封盖和前端盖均开有引出线经过的小孔；前封 盖和后封盖套在转轴的两侧，与外壳通过螺钉连接，固定整个阻尼器。