趙曉妍

(黑龍江科技學院 電氣與信息工程學院,哈爾濱 150027)

基于磁流變阻尼器的觸覺反饋系統(tǒng)

趙曉妍

(黑龍江科技學院 電氣與信息工程學院,哈爾濱 150027)

針對傳統(tǒng)觸覺反饋系統(tǒng)安全性差、響應時間長、容易失真等問題,設計一種以磁流變阻尼器為核心的觸覺反饋系統(tǒng),并基于 Bingham模型推導了磁流變阻尼器的輸出阻尼力計算公式。Simulink仿真結果表明:磁流變阻尼器的位移、速度與阻尼力的關系符合 Bingham模型,體現(xiàn)較好的動態(tài)性;當電流控制器輸出電流為 0～1 A,速度為 10 mm/s時,輸出阻尼力大小連續(xù)可調,最大阻尼力為 19.6 N,最小為 2.435 4 N。理論和仿真結果吻合,驗證了該觸覺反饋系統(tǒng)的可行性。

觸覺反饋;磁流變阻尼器;Bingham模型;Simulink

觸覺反饋是一種重要的感知模式,其技術已廣泛應用在遙感操作機器人系統(tǒng)、遠程外科手術等領域。傳統(tǒng)的觸覺反饋系統(tǒng)采用電機或其他執(zhí)行機構的驅動方式,這些方式存在安全性較差、響應時間長、容易失真等問題[1]。磁流變阻尼器具有良好的可控性,不僅能實現(xiàn)觸覺反饋系統(tǒng)的智能控制,還可提高其反應速度和安全穩(wěn)定性,具有重要的應用和研究價值[2]。筆者設計了一種以磁流變阻尼器為核心的觸覺反饋系統(tǒng),通過電流控制實現(xiàn)反饋力的連續(xù)可調。

1 觸覺反饋系統(tǒng)結構及工作原理

基于磁流變阻尼器的觸覺反饋系統(tǒng)結構如圖 1所示。該系統(tǒng)主要包括以 DSP為控制中心的數(shù)據(jù)采集模塊、磁流變阻尼器、電流控制器三個組成部分。位移傳感器和角度傳感器與執(zhí)行元件連接在一起,執(zhí)行元件動作信息(位移和角度)通過傳感器轉換成電信號,再經(jīng)A/D轉換送入DSP進行運算控制處理。根據(jù)處理信號調節(jié) PWM波形的占空比,控制電流控制器產生的電流,以改變磁流變阻尼器的磁場,從而產生相應的阻尼力。反應在操作桿上的力隨電流變化,使操作者有不同的觸覺感受,實現(xiàn)觸覺反饋功能。

圖1 觸覺反饋系統(tǒng)框圖Fig.1 Schematic of haptic system

2 磁流變阻尼器

觸覺反饋系統(tǒng)的核心部分是磁流變阻尼器。操作桿與磁流變阻尼器中的活塞設置為固定連接、同步移動的形式,從而借助磁流變阻尼器將力的大小提供給操作者。

2.1 結構

磁流變阻尼器采用剪切閥式工作模式,其結構如圖 2所示?；钊c缸筒之間有間隙,線圈通電后,間隙中的磁流變液受到磁場作用可以在毫秒級時間內轉化為Bingham體[3]。當活塞運動時,磁流變液受到擠壓而流過間隙,產生閥式運動和剪切作用。

圖2 磁流變阻尼器結構Fig.2 Structrue ofM R damper

2.2 阻尼力計算

2.2.1 Bingham模型

剪切閥式磁流變阻尼器的阻尼力可以分解為剪切模式阻尼力和閥式模式阻尼力。活塞與缸體之間的間隙較小,一般取 1～2 mm,而磁流變阻尼缸體的內徑、磁流變液工作區(qū)域有效長度遠大于這一間隙,故可認為磁流變液是在兩個平行極板之間流動。

由于磁流變液的動態(tài)本構關系非常復雜,而磁流變阻尼器動態(tài)阻尼力與磁場強度呈非線性關系,故文中依據(jù)簡單的 Bingham模型進行計算。Bingham模型由一個線性黏滯阻尼器和一個庫侖摩擦元件并聯(lián)組成,如圖 3所示。依據(jù)Bingham模型,穩(wěn)態(tài)剪切場下的磁流變液本構關系可以近似描述為

式中:τ——磁流變液的剪切應力;

τy——磁流變液的屈服強度,與磁場強度有關;

η——磁流變液的動力黏度系數(shù);˙

γ——磁流變液的剪切應變速率。

根據(jù)式(1),Phllips提出磁流變阻尼器的力和位移的關系式

式中:F——磁流變阻尼器產生的力;

Fm——與磁場強度相關的屈服力;

F0——磁流變阻尼器氣體蓄能器的氣壓產生的出力偏差,可忽略不計;

C0——磁流變液的阻尼系數(shù);

v——活塞的相對速度[4]。

圖 3 磁流變阻尼器的 B ingham模型Fig.3 Bingham model forM R damper

2.2.2 閥式阻尼力

根據(jù)平行極板的 Bingham模型,液體流變后會產生流動并在兩極板上產生壓差。設平板的寬度為b,取b為間隙的平均周長,即b=πD1。兩極板間流體的體積流量qV可以由截面速度分布曲線沿y軸的積分乘以平板寬度b得到,即

D——活塞的直徑;

D1——缸體的內徑;

L——磁流變液工作區(qū)域的有效長度。

對式(2)進行無量綱化處理,則

式中:P＊、T＊——無量綱化的壓力差和屈服應力。

根據(jù)磁流變阻尼的參數(shù)進行計算后發(fā)現(xiàn),T＊的取值比較小,與P＊存在近似關系,

由式(3)、(4)可得閥式阻尼器的阻尼力表示式,即

2.2.3 剪切式阻尼力

對于平行極板模型的阻尼力F2

由式(1)可得

將式(6)和式(7)聯(lián)合,可以得到剪切閥式磁流變阻尼器的阻尼力

其中,第一項為黏滯阻尼力;第二項為庫侖阻尼力,由磁場強度決定,是可控的,該項反映了磁流變阻尼器特殊的電控特性。由于h很小,剪切模式引起的阻尼力所占的比重較小,通常忽略不計。因此,磁流變阻尼器輸出的阻尼力為

2.3 S imulink仿真

由式(8)可知,磁流變阻尼器輸出阻尼力與很多因素有關,其中,間隙h、缸體內徑D1、活塞桿直徑d與阻尼力成反比;有效長度L、活塞的直徑D與阻

d——活塞桿的直徑。

當qV為磁流變液的體積流量時,qV=APv,式(5)可變?yōu)槟崃Τ烧取Ｒ话鉮取 1～2 mm,動力黏度系數(shù)η取 0.2～1.0。根據(jù)觸覺反饋系統(tǒng)要求,輸出阻尼力一般在 4～20 N范圍內?？紤]系統(tǒng)的控制效果,確定磁流變阻尼器參數(shù),如表 1所示。

表1 磁流變阻尼器基本參數(shù)Table 1 Basic parameters ofM R damper

屈服強度τy隨磁場變化,與電流有關。因此,一般通過勵磁線圈中電流的大小改變磁場強度,從而通過改變τy來控制阻尼力。根據(jù)表 1,計算得τy和控制電流I之間的關系式[5],

通過對磁流變阻尼器阻尼力、電流及速度關系的推導,建立磁流變阻尼器的 S imulink模型。對該模型施加頻率為 1 Hz,位移為 10 mm的正弦振動激勵信號x=0.1sin(2πt)時,輸入不同的電流值,即可以得到磁流變阻尼器的阻尼力隨位移、速度變化的關系曲線,如圖 4、5所示。

由圖 4、5可以看出,阻尼力 -速度曲線符合B ingham本構關系,當速度、電流增大時,阻尼力及其范圍明顯增大;阻尼力 -位移曲線飽滿,體現(xiàn)出較好的動態(tài)性能。

磁流變阻尼器阻尼力隨電流變化的曲線如圖 6所示。從圖中可以看到,電流在 1.5A以下時與阻尼力滿足線性關系,說明阻尼力的可控性良好,電流增大后阻尼力飽和。為保證安全和可控性,該阻尼器的最大勵磁電流為 1.0A,產生的最大阻尼力為19.6N。當電流為 0A時,由式(8)計算的阻尼力為2.435 4N。

圖6 v=10 mm/s時電流 -阻尼力曲線Fig.6 Current-damp ing force curve when velocity is 10 mm/s

3 觸覺反饋的控制與實現(xiàn)

為了獲得連續(xù)可調的電流,采用 DSP生成PWM信號,通過降壓斬波直流變換電路,實現(xiàn)電流的控制[6-7]。系統(tǒng)要求電流控制器輸出電流的變化范圍為 0～1 A,具體電路如圖 7所示。

圖7 PWM電流控制器Fig.7 PWM current controller

電路中的開關器件采用驅動功率較小的 IGBT,通過三菱的M57962L集成芯片驅動。由 DSP輸出的 PWM波形經(jīng)驅動芯片加載至 IGBT的柵極G端。當 PWM為高電平時,開關管 IGBT導通,二極管VD截止,電流經(jīng)過 LC濾波電路后輸送給磁流變阻尼器的勵磁線圈;當 PWM為低電平時, IGBT斷開,電流經(jīng)過二極管形成回路。Ud為電路的輸入電壓,U為電路的輸出電壓,I為輸出電流。通過DSP內部算法計算調整 PWM波的參數(shù)可使電路輸出相應的控制電流,從而得到力反饋裝置的輸出阻尼力。

4 結束語

筆者設計了一種基于磁流變阻尼器的觸覺反饋系統(tǒng),并依據(jù)Bingham模型推導出該系統(tǒng)中磁流變阻尼器的基本參數(shù)和輸出阻力的計算公式,確定了阻尼力與電流的關系。Simulink仿真結果表明,磁流變阻尼器的位移、速度與阻尼力的關系符合Bingham模型,且動態(tài)特性較好;當電流控制器輸出電流為 0～1 A,速度為 10 mm/s時,輸出阻尼力大小連續(xù)可調,最大阻尼力為19.6 N,最小為2.435 4 N,可以保證操作者的安全。理論與仿真結果驗證了觸覺反饋系統(tǒng)的可行性。

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Haptic feedback system based on MR damper

ZHAO X iaoyan
(College of Electric&Infor mation Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China)

A haptic feedback system with a core ofMR damper is designed in this paper,solving the problems of the traditional haptic feedback system with poor safety,long response t ime and easy distortion.The paper deduces the fo rmula ofMR damper dampingpower based on theBingham model.Simulation results indicate that the relations of the displacement,velocity and damping force ofMR damper are in accordance with Bingham model and show better dynamic characteristics.The controlled and continuous damping powerwill be produced by the haptic feedback system on the condition that the electricity output is from 0 to 1 A in current controller,and velocity is 10 mm/s.The max imum damping power is 19.6 N and the minimum is 2.435 4 N.That simulation results conform to the theory,proving the feasibility of the haptic feedback system.

haptic feedback;MR damper;Bingham model;S imulink

TP271.9

A

1671-0118(2011)02-0124-04

2011-01-26

趙曉妍(1979-),女,黑龍江省哈爾濱人,講師,碩士,研究方向:電力電子、智能控制,E-mail:zhaoxiaoyan121@126.com。

(編輯荀海鑫)