專利名稱：用于實(shí)現(xiàn)遙操作機(jī)器人控制的人機(jī)接口裝置的被動力/力矩反饋驅(qū)動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)遙操作機(jī)器人控制的人機(jī)接口裝置的被動力/力矩反饋驅(qū)動器， 尤其涉及一種利用液體智能材料傳輸力/力矩的反饋驅(qū)動器。
背景技術(shù)：
隨著交互式遙操作機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，將需要大量的具有力覺反饋功能的人機(jī)接口裝 置。力反饋可以分為主動型和被動型，主動型力反饋大多用電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，也有通過氣動、 液壓或電磁裝置進(jìn)行驅(qū)動，主動型力反饋驅(qū)動器一般穩(wěn)定性相對較差，失控時容易對操作 者產(chǎn)生傷害，而且體積較大，機(jī)械結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，整個機(jī)構(gòu)的摩擦力也相對較大，利用 氣動或液壓的執(zhí)行器，還需要配備相應(yīng)的設(shè)備，消耗大量能源。被動型力反饋利用被動驅(qū) 動器驅(qū)動，如制動器、阻尼器等，被動力反饋驅(qū)動器比同體積的主動驅(qū)動器(特別是電機(jī)) 產(chǎn)生的力要大得多，而且本身是能量耗散的，具有穩(wěn)定、安全等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)相對簡單，摩 擦力小，能夠應(yīng)用于便攜式的力反饋裝置。
機(jī)械摩擦式被動驅(qū)動器力/力矩的產(chǎn)生完全依賴于機(jī)械接觸，所以當(dāng)使用快速開關(guān)控制 器驅(qū)動時容易造成系統(tǒng)的振動。更有甚者，摩擦材料具有比較高的動摩擦系數(shù)，容易導(dǎo)致 粘滑現(xiàn)象發(fā)生，這種現(xiàn)象能夠造成驅(qū)動力矩的不連續(xù)?；诖帕髯円旱谋粍恿Ψ答侐?qū)動器， 不是機(jī)械直接接觸，而是利用流體傳遞力矩，因此更為穩(wěn)定和連續(xù)，更具有開發(fā)應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種反饋力連續(xù)和穩(wěn) 定的用于被動力反饋接口裝置的大范圍力/力矩驅(qū)動器。 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種用于實(shí)現(xiàn)遙操作機(jī)器人控制的人機(jī)接口裝置的被動力/力矩反饋驅(qū)動器，包括殼 體，設(shè)置在殼體內(nèi)的力矩反饋軸、動摩擦片、磁流變液以及用于輸入由遠(yuǎn)程力信號轉(zhuǎn)化為 電信號的電信號輸入線圈，所述的動摩擦片固定在力矩反饋軸上，在所述的殼體內(nèi)還設(shè)置 有至少一靜摩擦片，所述的靜摩擦片間隔的設(shè)置在動摩擦片之間，所述的磁流變液填充在 動摩擦片與靜摩擦片周圍，所述的電信號輸入線圈繞制在靜摩擦片的外部。
在所述的靜摩擦片與電信號輸入線圈之間設(shè)置有一絕磁環(huán)，所述的電信號輸入線圈繞 之在所述的絕磁環(huán)上。
所述的殼體由上蓋和底座組成，所述的上蓋與底座采用螺栓固定連接。
所述的靜摩擦片采用銷軸固定在所述的上蓋與底座之間。本發(fā)明用于實(shí)現(xiàn)遙操作機(jī)器人控制的人機(jī)接口裝置的被動力/力矩反饋驅(qū)動器，將遠(yuǎn)程 采集的力信號轉(zhuǎn)化為電信號后輸入到電信號輸入線圈，通過電信號在電信號輸入線圈上產(chǎn) 生變化磁場，磁流變液在磁場作用下粘度變化時動摩擦片與靜摩擦片之間的摩擦力也產(chǎn)生 相應(yīng)變化，當(dāng)人手作用在力矩反饋軸上時，力矩反饋軸會產(chǎn)生阻尼力反作用在人手上，即 產(chǎn)生一與遠(yuǎn)程力相應(yīng)的被動力/力矩。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)-
1、 本發(fā)明采用磁流變液技術(shù)，將遠(yuǎn)程力信號轉(zhuǎn)化為電信號后輸入到電信號輸入線圈， 通過線圈磁場對磁流變液的作用，在力矩反饋軸上產(chǎn)生一個被動的反饋力矩，反饋力連續(xù) 且穩(wěn)定。
2、 本發(fā)明在殼體內(nèi)不僅設(shè)置有動摩擦片，同時，在動摩擦片間，間隔的設(shè)置有靜摩 擦片，靜摩擦片的一個作用是，增大動摩擦片與磁流變液的摩擦面積，同時還具有增大磁 流變液在流動時阻力的作用，阻力越大，輸出的扭矩也越大，在上面雙重作用下，使得在 體積增加不大的條件下輸出力增大幾倍以上?？梢愿鶕?jù)使用場合和需要增加摩擦片數(shù)量。
3、 結(jié)構(gòu)簡單，整個裝置結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，機(jī)械加工精度要求也不高。
4、 重量輕、體積小、摩擦力小，能夠傳遞的力矩很大，而且具有穩(wěn)定安全的特點(diǎn)。
5、 采用新興的磁流變技術(shù)，磁流變液在磁場作用下產(chǎn)生磁流變效應(yīng)，使表征磁流變 液流變特性的表觀粘度發(fā)生變化，從而阻礙動摩擦片的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生力反作用于人體，使人體 感覺到力的作用。磁流變液設(shè)備通過電流信號直接控制機(jī)械動作，而不需要通過控制電機(jī)、 液壓、氣動設(shè)備控制機(jī)械動作，因此其結(jié)構(gòu)可以做得簡單、輕便。
6、 控制簡單，電流信號與輸出力矩信號存在明確的函數(shù)關(guān)系，因此只需給驅(qū)動器提 供電流信號便可準(zhǔn)確地控制其輸出力/力矩。


圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中1、固定螺栓，2、上蓋，3、銷，4、密封圈蓋，5、力矩反饋軸，6、密封圈一， 7、軸承，8、靜墊片、9、密封圈二， 10、電信號輸入線圈，11、動摩擦片，12、靜摩擦 片，13、軸套，14、動墊片，15、底座，16、磁流變液，17、絕磁環(huán)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作詳細(xì)說明
一種用于實(shí)現(xiàn)遙操作機(jī)器人控制的人機(jī)接口裝置的被動力/力矩反饋驅(qū)動器，包括一個 底座15和一個上蓋2，底座15、上蓋2的外圓周上設(shè)置螺紋孔，并用螺栓1將底座15與上 蓋2固定，在底座15和上蓋2中間設(shè)置一個力矩反饋軸5，力矩反饋軸5上設(shè)置有動摩擦 片11和動墊片14，動摩擦片11通過動墊片14隔開并定位，使動摩擦片11之間的間隙相 等，動摩擦片11和動墊片14通過鍵固定于力矩反饋軸5上，底座15與上蓋2之間設(shè)置有靜摩擦片12和靜墊片8，靜摩擦片12通過靜墊片8隔開并定位，靜摩擦片12和靜墊片8 通過銷3固定于底座15與上蓋2上，動摩擦片11與靜摩擦片12相間隔開，在動墊片14和 靜墊片8定位作用下，動摩擦片11與底座15、上蓋2之間間隙保持一固定值，與靜摩擦片 12之間間隙保持一固定值，在底座15與上蓋2的內(nèi)側(cè)設(shè)置一凸起的臺階，該臺階上安裝一 絕磁環(huán)17，絕磁環(huán)17上繞有電信號輸入線圈10，絕磁環(huán)17與臺階之間設(shè)置一密封圈二 9， 在底座15和上蓋2內(nèi)側(cè)分別設(shè)置一凹槽，用于放置軸承7和軸套13，軸承7安裝于凹槽的 內(nèi)側(cè)，軸套13安裝于凹槽的外側(cè)，軸承7和軸套13分別安裝于力矩反饋軸5上，力矩反饋 軸5的兩端分別伸出底座15和上蓋2兩側(cè)，并在底座15和上蓋2的外側(cè)設(shè)置一凹槽，用于 安裝密封圈蓋，密封圈一6安裝于密封圈蓋與底座、上蓋之間。力矩反饋軸5能夠帶動動摩 擦片11和動墊片14在靜摩擦片12之間轉(zhuǎn)動，在底座15、上蓋2和絕磁環(huán)17圍成的密封 空間內(nèi)充滿磁流變液16，磁流變液16在磁場作用下粘度變化時動摩擦片11與靜摩擦片12 之間的摩擦力也產(chǎn)生相應(yīng)變化，從而產(chǎn)生一被動力/力矩。上述磁流變液16是一種液體智能 材料，當(dāng)有磁場存在時，其流變學(xué)特性如粘度發(fā)生劇烈的變化。能夠在幾毫秒時間內(nèi)由牛頓 流體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃乒腆w狀態(tài)，撤去磁場時，又能以同樣速度恢復(fù)原來狀態(tài)。本發(fā)明被動力 /力矩反饋驅(qū)動器工作原理如下其結(jié)構(gòu)如圖l所示。當(dāng)電信號輸入線圈IO通以電流時產(chǎn)生 的磁場由底座15通過上蓋2，垂直通過動摩擦片11和靜摩擦片12及它們之間的磁流變液 16，磁流變液16在磁場作用下粘度變大，動摩擦片11在力矩反饋軸5帶動下相對于靜摩擦 片12阻尼力增大，該阻尼力可以通過改變磁場強(qiáng)度加以控制，即通過控制通過電信號輸入 線圈10的電流進(jìn)行控制。當(dāng)被動力/力矩反饋驅(qū)動器安裝于被動力反饋接口裝置，操作者通 過接口裝置控制遠(yuǎn)程/虛擬機(jī)器人工作時，接口裝置的位置傳感器通過測量人體關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角 度作為控制信息控制遠(yuǎn)程/虛擬機(jī)器動作，當(dāng)遠(yuǎn)程/虛擬機(jī)器人與遠(yuǎn)程/虛擬環(huán)境相互作用時將 會受到力作用，該力信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑼ㄟ^網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ秒娐穫鬟f到操作者處，給被動力/ 力矩反饋驅(qū)動器施加該電信號，該電流信號通過電信號輸入線圈10時將產(chǎn)生磁場，磁流變 液粘度變大，產(chǎn)生一個被動阻尼力作用于人體上，從而阻礙了人體關(guān)節(jié)的進(jìn)一步轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生 被動力反饋，從而使人真實(shí)地感受到遠(yuǎn)程/虛擬機(jī)器人受到的力。
權(quán)利要求
1、一種用于實(shí)現(xiàn)遙操作機(jī)器人控制的人機(jī)接口裝置的被動力/力矩反饋驅(qū)動器，其特征在于包括殼體，設(shè)置在殼體內(nèi)的力矩反饋軸(5)、動摩擦片(11)、磁流變液(16)以及用于輸入由遠(yuǎn)程力信號轉(zhuǎn)化為電信號的電信號輸入線圈(10)，所述的動摩擦片(11)固定在力矩反饋軸(5)上，在所述的殼體內(nèi)還設(shè)置有至少一靜摩擦片(12)，所述的靜摩擦片(12)間隔的設(shè)置在動摩擦片(11)之間，所述的磁流變液(16)填充在動摩擦片(11)與靜摩擦片(12)周圍，所述的電信號輸入線圈(10)繞制在靜摩擦片(12)的外部。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實(shí)現(xiàn)遙操作機(jī)器人控制的人機(jī)接口裝置的被動力/力矩 反饋驅(qū)動器，其特征在于在所述的靜摩擦片與電信號輸入線圈之間設(shè)置有一絕磁環(huán)(17)， 所述的電信號輸入線圈(10)繞之在所述的絕磁環(huán)(17)上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于實(shí)現(xiàn)遙操作機(jī)器人控制的人機(jī)接口裝置的被動力/ 力矩反饋驅(qū)動器，其特征在于所述的殼體由上蓋(2)和底座(15)組成，所述的上蓋(2)與底座(15)采用螺栓固定連接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于實(shí)現(xiàn)遙操作機(jī)器人控制的人機(jī)接口裝置的被動力/力矩 反饋驅(qū)動器，其特征在于所述的靜摩擦片(12)采用銷軸固定在所述的上蓋(2)與底 座(15)之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于實(shí)現(xiàn)遙操作機(jī)器人控制的人機(jī)接口裝置的被動力/力矩反饋驅(qū)動器，包括殼體，設(shè)置在殼體內(nèi)的力矩反饋軸、動摩擦片、磁流變液以及用于輸入由遠(yuǎn)程力信號轉(zhuǎn)化為電信號的電信號輸入線圈，動摩擦片固定在力矩反饋軸上，在殼體內(nèi)還設(shè)置有至少一靜摩擦片，靜摩擦片間隔的設(shè)置在動摩擦片之間，磁流變液填充在動摩擦片與靜摩擦片周圍，電信號輸入線圈繞制在靜摩擦片的外部。本發(fā)明采用磁流變液技術(shù)，將遠(yuǎn)程力信號轉(zhuǎn)化為電信號后輸入到電信號輸入線圈，通過線圈磁場對磁流變液的作用，在力矩反饋軸上產(chǎn)生一個被動的反饋力矩，反饋力連續(xù)且穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，重量輕、體積小、摩擦力小，能夠傳遞的力矩很大，而且具有穩(wěn)定安全的特點(diǎn)。
文檔編號B25J19/00GK101642908SQ20091003410
公開日2010年2月10日 申請日期2009年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月1日
發(fā)明者宋愛國, 崔建偉, 戴金橋, 辭 文, 王愛民 申請人:東南大學(xué)