摘要：文章介紹了力覺(jué)感知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理，對(duì)力覺(jué)感知系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、新型材料磁流變液以及當(dāng)前力覺(jué)反饋設(shè)備進(jìn)行了綜述，提出了一種新型的基于磁流變液裝置的力覺(jué)感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該新型結(jié)構(gòu)型式相對(duì)簡(jiǎn)單，幾乎無(wú)磨損，器件壽命長(zhǎng)、所用材料來(lái)源豐富、價(jià)格低廉，有良好的工程應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：力感知；磁流變液；力覺(jué)反饋設(shè)備；遙控機(jī)器人；傳感器 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文章編號(hào)：1009-2374（2015）34-0002-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.34.002

1 概述

在遙控機(jī)器人工作系統(tǒng)中，操作者一般是通過(guò)機(jī)器人本身攜帶的傳感器來(lái)獲取并感知遠(yuǎn)端機(jī)器人的工作信息。目前采用的手段主要有視覺(jué)和觸覺(jué)傳感。其中觸覺(jué)傳感與反饋同時(shí)發(fā)生，精確度較高，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)。而力覺(jué)又是觸覺(jué)中較復(fù)雜的一種感知。力覺(jué)反饋是指上位機(jī)對(duì)操作者輸入的信號(hào)進(jìn)行作用，并通過(guò)力覺(jué)反饋設(shè)備反作用于操作者的過(guò)程。在此過(guò)程中，力覺(jué)反饋設(shè)備利用機(jī)器人傳感器測(cè)量操作者的運(yùn)動(dòng)信息，并將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地反饋給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)力覺(jué)生成算法自動(dòng)生成力覺(jué)反饋設(shè)備的控制信號(hào)，分別傳輸給顯示設(shè)備和力覺(jué)反饋設(shè)備，并將遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中生成的力感反饋給操作者，使操作者產(chǎn)生身臨其境的力覺(jué)臨場(chǎng)感（如圖1所示）。力覺(jué)反饋設(shè)備是機(jī)器人遙控工作系統(tǒng)中對(duì)力覺(jué)信息感知的關(guān)鍵部件，是操作者感知機(jī)器人工作環(huán)境并對(duì)其進(jìn)行控制的重要媒介，具有人機(jī)接口的作用。

圖1

力覺(jué)信息主要通過(guò)反饋設(shè)備的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供給操作者，因此，如何有效地提供力覺(jué)反饋和位置控制精度是力覺(jué)臨場(chǎng)感知系統(tǒng)研究的關(guān)鍵。力覺(jué)反饋設(shè)備由于工作環(huán)境的關(guān)系應(yīng)該具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和緊湊、操作靈活輕便、摩擦和慣性小等特點(diǎn)，并且能夠提供合適的操作空間和出力，符合動(dòng)力學(xué)特性，具有通用性。理想的力覺(jué)臨場(chǎng)感能使操作者感知的力等于從手與環(huán)境間的作用力，同時(shí)從手的位置能夠準(zhǔn)確地再現(xiàn)主手的標(biāo)定位置，此時(shí)的力反饋控制系統(tǒng)稱(chēng)為完全透明的。

2 力覺(jué)反饋設(shè)備驅(qū)動(dòng)方式研究現(xiàn)狀

目前的力覺(jué)反饋設(shè)備主要采用電動(dòng)、液壓、氣動(dòng)等型式的驅(qū)動(dòng)方式，還有其他新型功能材料，如形狀記憶合金機(jī)構(gòu)、壓電晶體驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電致和磁致伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等構(gòu)成的新型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

直流力矩電機(jī)具有反應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)速波動(dòng)小、低速穩(wěn)定、可以直接帶負(fù)載的特點(diǎn)，并且機(jī)械特性和控制特性線(xiàn)性度好，能夠在長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)或低速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)矩。這些特點(diǎn)使得它能夠用在位置伺服或低速伺服系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。但是直流電機(jī)施加到力反饋手柄上力是經(jīng)過(guò)一級(jí)齒輪減速器減速增力，再通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)一步地增力并變換力的方向完成的，這種結(jié)構(gòu)由于存在齒輪機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械磨損，增大了力覺(jué)反饋誤差，從而影響了位置控制的精度。

氣壓傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式具有柔性、安全、重量輕等特點(diǎn)，并且比較清潔，不會(huì)污染環(huán)境，適合制作成便攜式的操縱器。但是氣體具有可壓縮性，并且氣體通過(guò)閥口流量具有非線(xiàn)性，氣缸本身存在摩擦力，因此氣動(dòng)系統(tǒng)屬于非線(xiàn)性系統(tǒng)，很難實(shí)現(xiàn)精確的位置控制。現(xiàn)實(shí)中用得最多的是采用控制脈沖寬度的脈寬調(diào)制，但這種方式噪聲大，存在穩(wěn)態(tài)波紋、閥的壽命較短等缺點(diǎn)。

液壓傳動(dòng)具有功率密度大、響應(yīng)快等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的位置和力控制，需要有一套專(zhuān)門(mén)的泵站，并且為了減少泄漏，液壓元件在制造精度上要求較高，造價(jià)較貴，更重要的是液壓油存在可壓縮性和泄露、摩擦等缺點(diǎn)，液壓傳動(dòng)時(shí)的傳動(dòng)比不能夠保證嚴(yán)格，因此在工作時(shí)會(huì)有較大的能量損失，同時(shí)油溫的變化、油液的污染也對(duì)液壓傳動(dòng)的工作穩(wěn)定性影響比較明顯。

形狀記憶合金機(jī)構(gòu)作為一種驅(qū)動(dòng)方式，做成電驅(qū)動(dòng)器，可以代替電磁螺線(xiàn)管以及伺服馬達(dá)、液壓、氣動(dòng)裝置。與其他的驅(qū)動(dòng)方式比較，形狀記憶合金機(jī)構(gòu)的電驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、緊湊，沒(méi)有噪音，并且成本較低。但是容易疲勞失效，盡管能夠快速加熱實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，冷卻過(guò)程較長(zhǎng)，對(duì)使用的環(huán)境溫度要求較嚴(yán)格，一般不要超過(guò)100℃。到目前為止很少有實(shí)用化的高溫形狀合金材料可供選擇使用。利用磁流變阻尼器作為半主動(dòng)控制中的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速并高效的狀態(tài)切換，并且只需消耗少量控制能量；磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)相對(duì)于其他驅(qū)動(dòng)裝置較簡(jiǎn)單，所用材料來(lái)源豐富、價(jià)格較低，工程應(yīng)用前景較好。

3 磁流變液的研究現(xiàn)狀

磁流變液是一種磁性膠體溶液，由表面活性劑包覆磁性微粒，并且高度分散在基液中形成。即使有重力場(chǎng)和內(nèi)部磁力的作用，這種溶液也不會(huì)出現(xiàn)凝聚和沉淀現(xiàn)象。加上外磁場(chǎng)后通常被磁化，顯示出超順磁性；去掉外加磁場(chǎng)后，又能夠恢復(fù)到原來(lái)雜亂無(wú)章的無(wú)序狀態(tài)，消失掉宏觀特性。此種液體不僅具有固體的磁性，而且還有液體的流動(dòng)性，作為一種新型的功能材料，在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

磁性液體在20世紀(jì)60年代初由美國(guó)宇航局研究開(kāi)發(fā)，是為了解決宇宙服可動(dòng)部分的密封及如何在空間失重條件下進(jìn)行燃料的補(bǔ)充等問(wèn)題。世界上第一個(gè)具有實(shí)用意義的制備磁性液體的專(zhuān)利是由S.S.Pappell在1965年獲得的。在磁性液體出現(xiàn)以后幾年內(nèi)，就開(kāi)始被應(yīng)用在科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及工藝裝置中了。此后，各國(guó)紛紛開(kāi)展對(duì)磁性液體技術(shù)的研究，如日本、前蘇聯(lián)、英國(guó)等。我國(guó)起步較晚，在20世紀(jì)70年代末期才開(kāi)始對(duì)磁性液體及相關(guān)應(yīng)用展開(kāi)研究。

磁性液體不僅有固體的磁性，還有液體的流動(dòng)性。作為一種新型的功能材料，具有多種特殊性質(zhì)，如黏度特性、力學(xué)特性、光學(xué)特性、聲學(xué)特性及溫度特性，同時(shí)具有較大的屈服應(yīng)力（可達(dá)50～100kPa），對(duì)污染不敏感，且一般采用12～24V低壓電源，工作溫度范圍較寬（可達(dá)-40℃～150℃），因此在諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

從20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始，對(duì)磁流變液及相關(guān)理論和應(yīng)用開(kāi)始廣泛起來(lái)。其中美國(guó)的Lord公司和Notre Dame大學(xué)對(duì)磁流變裝置進(jìn)行了大量的研究和應(yīng)用。其他國(guó)家如德國(guó)、法國(guó)、俄羅斯和日本等也投入了大量的資金和科研對(duì)磁流變等智能材料和裝置進(jìn)行研究，以便應(yīng)用在軍用和民用等領(lǐng)域產(chǎn)品。磁流變阻尼器的各種動(dòng)力模型結(jié)構(gòu)也已經(jīng)建立了起來(lái)。近年來(lái)大量涌現(xiàn)出應(yīng)用磁流變液做成的各種阻尼器、制動(dòng)器、離合器、拋光裝置、液壓閥、密封裝置、復(fù)合構(gòu)件、柔性?shī)A具、健身器、人造關(guān)節(jié)等方面的產(chǎn)品。

4 力覺(jué)反饋設(shè)備研究現(xiàn)狀

能夠把力覺(jué)反饋給用戶(hù)的反饋感知硬件即是力覺(jué)反饋設(shè)備。目前的力覺(jué)反饋設(shè)備從可攜帶性看分為桌面式反饋設(shè)備和可穿戴式反饋設(shè)備兩類(lèi)。

桌面式反饋設(shè)備是由操作者操作其控制末端，反饋設(shè)備根據(jù)檢測(cè)到的末端點(diǎn)的位置來(lái)計(jì)算應(yīng)出的力，操作者經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)感知力的大小，這種設(shè)備一般是固定在桌面或地面上。目前應(yīng)用得最多的是由美國(guó)SensAble公司生產(chǎn)的“PHANTOM”（Personal Haptic Interface Mechanism）力/觸覺(jué)反饋設(shè)備。此設(shè)備包含一個(gè)末端帶有鐵筆的力反饋臂，作為其主要部件，能夠?qū)崿F(xiàn)六自由度運(yùn)動(dòng)，其中3個(gè)是活躍的，可以提供平移力反饋。PHANTOM具有三軸準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)解耦以及重力自平衡等特性，并且有良好的靜態(tài)特性、較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，但是產(chǎn)生的反饋力較小。由日本Okayama大學(xué)的則次俊朗教授研究的氣動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)力覺(jué)再現(xiàn)，并且這種結(jié)構(gòu)承載能力較大、位置控制精度高、動(dòng)力學(xué)特性好、反解容易，但是其工作空間較小，正解困難，存在奇異位形。

可穿戴式反饋設(shè)備一般是需要佩戴在手上或手臂上的反饋設(shè)備，主要有電機(jī)驅(qū)動(dòng)（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示）、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、磁力驅(qū)動(dòng)和電流變體驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)形式。Virtual Technologies公司開(kāi)發(fā)的Cybergrasp是一款商用力反饋數(shù)據(jù)手套，它是在Cyber-Glove的基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)的，由伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，外骨架機(jī)構(gòu)由鋼絲繩傳遞力，最大可以提供16N的阻尼力在手指上。但是其重量較大，用戶(hù)長(zhǎng)時(shí)間佩戴以后會(huì)感到疲勞。與之相似的還有Hashmioto設(shè)計(jì)的力反饋數(shù)據(jù)手套和Bouzit設(shè)計(jì)的由力矩電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的LRP數(shù)據(jù)手套。

圖2 力反饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

利用氣動(dòng)肌肉實(shí)現(xiàn)力覺(jué)再現(xiàn)由捷克的Lukas Kopecny進(jìn)行研發(fā)。氣動(dòng)肌肉通過(guò)控制壓力來(lái)產(chǎn)生橫向力，其一端固定在支架上，另一端固定在套管上，并戴在手指上的。由美國(guó)Rutger大學(xué)的Burdea研發(fā)的Rutger Master Glove是一種內(nèi)置式多指力反饋數(shù)據(jù)手套。該手套能夠連續(xù)產(chǎn)生16N的阻尼力在每個(gè)手指上，并且摩擦較小，但是手指的運(yùn)動(dòng)空間會(huì)受到一定的限制。另外，還有日本的HOSEI大學(xué)田中實(shí)驗(yàn)室研制的Fluid PowerGlove，它也是一種驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置式的數(shù)據(jù)手套。

美國(guó)南曼瑟迪斯特大學(xué)機(jī)械工程系研究的PHI系統(tǒng)可以在手臂上實(shí)現(xiàn)力反饋，相當(dāng)于遙操作中的主手，能夠跟蹤肩和肘的運(yùn)動(dòng)，其中由3個(gè)正交放置的氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)肩部的球關(guān)節(jié)，由1個(gè)氣缸實(shí)現(xiàn)完成肘部關(guān)節(jié)。英國(guó)Salford大學(xué)設(shè)計(jì)的由氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的七自由度外骨架式力覺(jué)再現(xiàn)裝置，可以正確地復(fù)現(xiàn)接觸力，其中肩部有3個(gè)自由度，肘部和腕部分別有2個(gè)自由度。

在GAS-Glove基礎(chǔ)上，由中科院研制的點(diǎn)式力覺(jué)反饋系統(tǒng)，采用的是比例電磁鐵驅(qū)動(dòng)外骨架式力反饋裝置，能夠在給用戶(hù)的指端施加阻尼力的同時(shí)，約束手指局部關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，一定程度上防止了虛擬手嵌入虛擬物體中。同時(shí)，東南大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)SMC氣動(dòng)技術(shù)中心分別對(duì)力覺(jué)數(shù)據(jù)手套進(jìn)行了深入的研究。

5 結(jié)語(yǔ)

大部分已開(kāi)發(fā)的力/觸覺(jué)反饋設(shè)備的重量和體積都比較大，用戶(hù)長(zhǎng)時(shí)間使用這樣的設(shè)備會(huì)感覺(jué)到非常疲勞。采用磁流變驅(qū)動(dòng)器可以起到傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)中傳感、驅(qū)動(dòng)和傳遞三系統(tǒng)功能的作用。這種設(shè)計(jì)上的簡(jiǎn)化以及磁流變阻尼器件沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)滑輪和齒輪的事實(shí)，使得產(chǎn)品的超小型化和集成化成為可能，在消耗少量控制能量的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、高效的狀態(tài)切換；并且磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)型式相對(duì)簡(jiǎn)單，具有電控機(jī)械器件的能力，幾乎無(wú)磨損，器件壽命長(zhǎng)、所用材料來(lái)源豐富、價(jià)格低廉，有良好的工程應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬來(lái)貽，尹衍升.磁性液體的研究現(xiàn)狀[J].四川化工，2005，8（3）.

[2] 楊文珍，高曙明，萬(wàn)華根，朱振華，駱陽(yáng).基于物理的虛擬手交互碰撞力覺(jué)生成和反饋[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2006，29（12）.

[3] 楊文珍，高曙明，萬(wàn)華根，朱振華，駱陽(yáng).基于物理的虛擬手抓持力覺(jué)生成和反饋[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2005，28（6）.

[4] BaoGang，Sun Zhongsheng，Wang Zuwen.Force Feedback Data-glove Based on Pneumatic Artificial Muscles[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering，2006，19（4）.

[5] C.S.Tzafestas.Whole-Hand Kinesthetic Feedback and Haptic Perception in Dextrous Virtual Manipulation[J].IEEE Transactions on Systems，Man and Cybernetics：Part A：Systems and Humans，2003，33（1）.

[6] L Kopecny.Producing of Tactile Feedback via Pneumatic Muscles[E/B].IEEE International Conference on Industrial Technology，2003.

[7] 戴金橋，王愛(ài)民.基于數(shù)據(jù)手套的力覺(jué)再現(xiàn)裝置的設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，（3）.

[8] 劉斌，李?lèi)?ài)群.磁流變阻尼器及其研究進(jìn)展[J].常州工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，（18）.

基金項(xiàng)目：安徽省科技廳自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：KJ2013B039）。

作者簡(jiǎn)介：豆勤勤（1985-），女，河南周口人，安徽工業(yè)大學(xué)工商學(xué)院電氣信息系講師，碩士，研究方向：智能機(jī)器人。

（責(zé)任編輯：周 瓊）