专利名称：用于实现遥操作机器人控制的人机接口装置的被动力/力矩反馈驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种实现遥操作机器人控制的人机接口装置的被动力/力矩反馈驱动器， 尤其涉及一种利用液体智能材料传输力/力矩的反馈驱动器。
背景技术：
随着交互式遥操作机器人的广泛应用，将需要大量的具有力觉反馈功能的人机接口装 置。力反馈可以分为主动型和被动型，主动型力反馈大多用电机进行驱动，也有通过气动、 液压或电磁装置进行驱动，主动型力反馈驱动器一般稳定性相对较差，失控时容易对操作 者产生伤害，而且体积较大，机械结构也比较复杂，整个机构的摩擦力也相对较大，利用 气动或液压的执行器，还需要配备相应的设备，消耗大量能源。被动型力反馈利用被动驱 动器驱动，如制动器、阻尼器等，被动力反馈驱动器比同体积的主动驱动器(特别是电机) 产生的力要大得多，而且本身是能量耗散的，具有稳定、安全等优点，结构相对简单，摩 擦力小，能够应用于便携式的力反馈装置。
机械摩擦式被动驱动器力/力矩的产生完全依赖于机械接触，所以当使用快速开关控制 器驱动时容易造成系统的振动。更有甚者，摩擦材料具有比较高的动摩擦系数，容易导致 粘滑现象发生，这种现象能够造成驱动力矩的不连续。基于磁流变液的被动力反馈驱动器， 不是机械直接接触，而是利用流体传递力矩，因此更为稳定和连续，更具有开发应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种反馈力连续和稳 定的用于被动力反馈接口装置的大范围力/力矩驱动器。 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案
一种用于实现遥操作机器人控制的人机接口装置的被动力/力矩反馈驱动器，包括壳 体，设置在壳体内的力矩反馈轴、动摩擦片、磁流变液以及用于输入由远程力信号转化为 电信号的电信号输入线圈，所述的动摩擦片固定在力矩反馈轴上，在所述的壳体内还设置 有至少一静摩擦片，所述的静摩擦片间隔的设置在动摩擦片之间，所述的磁流变液填充在 动摩擦片与静摩擦片周围，所述的电信号输入线圈绕制在静摩擦片的外部。
在所述的静摩擦片与电信号输入线圈之间设置有一绝磁环，所述的电信号输入线圈绕 之在所述的绝磁环上。
所述的壳体由上盖和底座组成，所述的上盖与底座采用螺栓固定连接。
所述的静摩擦片采用销轴固定在所述的上盖与底座之间。本发明用于实现遥操作机器人控制的人机接口装置的被动力/力矩反馈驱动器，将远程 采集的力信号转化为电信号后输入到电信号输入线圈，通过电信号在电信号输入线圈上产 生变化磁场，磁流变液在磁场作用下粘度变化时动摩擦片与静摩擦片之间的摩擦力也产生 相应变化，当人手作用在力矩反馈轴上时，力矩反馈轴会产生阻尼力反作用在人手上，即 产生一与远程力相应的被动力/力矩。
与现有技术相比，本发明具有如下优点-
1、 本发明采用磁流变液技术，将远程力信号转化为电信号后输入到电信号输入线圈， 通过线圈磁场对磁流变液的作用，在力矩反馈轴上产生一个被动的反馈力矩，反馈力连续 且稳定。
2、 本发明在壳体内不仅设置有动摩擦片，同时，在动摩擦片间，间隔的设置有静摩 擦片，静摩擦片的一个作用是，增大动摩擦片与磁流变液的摩擦面积，同时还具有增大磁 流变液在流动时阻力的作用，阻力越大，输出的扭矩也越大，在上面双重作用下，使得在 体积增加不大的条件下输出力增大几倍以上。可以根据使用场合和需要增加摩擦片数量。
3、 结构简单，整个装置结构简单、紧凑，机械加工精度要求也不高。
4、 重量轻、体积小、摩擦力小，能够传递的力矩很大，而且具有稳定安全的特点。
5、 采用新兴的磁流变技术，磁流变液在磁场作用下产生磁流变效应，使表征磁流变 液流变特性的表观粘度发生变化，从而阻碍动摩擦片的转动产生力反作用于人体，使人体 感觉到力的作用。磁流变液设备通过电流信号直接控制机械动作，而不需要通过控制电机、 液压、气动设备控制机械动作，因此其结构可以做得简单、轻便。
6、 控制简单，电流信号与输出力矩信号存在明确的函数关系，因此只需给驱动器提 供电流信号便可准确地控制其输出力/力矩。
图l是本发明的结构示意图。
其中1、固定螺栓，2、上盖，3、销，4、密封圈盖，5、力矩反馈轴，6、密封圈一， 7、轴承，8、静垫片、9、密封圈二， 10、电信号输入线圈，11、动摩擦片，12、静摩擦 片，13、轴套，14、动垫片，15、底座，16、磁流变液，17、绝磁环。
具体实施例方式
下面结合附图，对本发明作详细说明
一种用于实现遥操作机器人控制的人机接口装置的被动力/力矩反馈驱动器，包括一个 底座15和一个上盖2，底座15、上盖2的外圆周上设置螺纹孔，并用螺栓1将底座15与上 盖2固定，在底座15和上盖2中间设置一个力矩反馈轴5，力矩反馈轴5上设置有动摩擦 片11和动垫片14，动摩擦片11通过动垫片14隔开并定位，使动摩擦片11之间的间隙相 等，动摩擦片11和动垫片14通过键固定于力矩反馈轴5上，底座15与上盖2之间设置有静摩擦片12和静垫片8，静摩擦片12通过静垫片8隔开并定位，静摩擦片12和静垫片8 通过销3固定于底座15与上盖2上，动摩擦片11与静摩擦片12相间隔开，在动垫片14和 静垫片8定位作用下，动摩擦片11与底座15、上盖2之间间隙保持一固定值，与静摩擦片 12之间间隙保持一固定值，在底座15与上盖2的内侧设置一凸起的台阶，该台阶上安装一 绝磁环17，绝磁环17上绕有电信号输入线圈10，绝磁环17与台阶之间设置一密封圈二 9， 在底座15和上盖2内侧分别设置一凹槽，用于放置轴承7和轴套13，轴承7安装于凹槽的 内侧，轴套13安装于凹槽的外侧，轴承7和轴套13分别安装于力矩反馈轴5上，力矩反馈 轴5的两端分别伸出底座15和上盖2两侧，并在底座15和上盖2的外侧设置一凹槽，用于 安装密封圈盖，密封圈一6安装于密封圈盖与底座、上盖之间。力矩反馈轴5能够带动动摩 擦片11和动垫片14在静摩擦片12之间转动，在底座15、上盖2和绝磁环17围成的密封 空间内充满磁流变液16，磁流变液16在磁场作用下粘度变化时动摩擦片11与静摩擦片12 之间的摩擦力也产生相应变化，从而产生一被动力/力矩。上述磁流变液16是一种液体智能 材料，当有磁场存在时，其流变学特性如粘度发生剧烈的变化。能够在几毫秒时间内由牛顿 流体状态转变为类似固体状态，撤去磁场时，又能以同样速度恢复原来状态。本发明被动力 /力矩反馈驱动器工作原理如下其结构如图l所示。当电信号输入线圈IO通以电流时产生 的磁场由底座15通过上盖2，垂直通过动摩擦片11和静摩擦片12及它们之间的磁流变液 16，磁流变液16在磁场作用下粘度变大，动摩擦片11在力矩反馈轴5带动下相对于静摩擦 片12阻尼力增大，该阻尼力可以通过改变磁场强度加以控制，即通过控制通过电信号输入 线圈10的电流进行控制。当被动力/力矩反馈驱动器安装于被动力反馈接口装置，操作者通 过接口装置控制远程/虚拟机器人工作时，接口装置的位置传感器通过测量人体关节转动角 度作为控制信息控制远程/虚拟机器动作，当远程/虚拟机器人与远程/虚拟环境相互作用时将 会受到力作用，该力信息转变为电信号并通过网络或专用电路传递到操作者处，给被动力/ 力矩反馈驱动器施加该电信号，该电流信号通过电信号输入线圈10时将产生磁场，磁流变 液粘度变大，产生一个被动阻尼力作用于人体上，从而阻碍了人体关节的进一步转动，产生 被动力反馈，从而使人真实地感受到远程/虚拟机器人受到的力。
权利要求
1、一种用于实现遥操作机器人控制的人机接口装置的被动力/力矩反馈驱动器，其特征在于包括壳体，设置在壳体内的力矩反馈轴(5)、动摩擦片(11)、磁流变液(16)以及用于输入由远程力信号转化为电信号的电信号输入线圈(10)，所述的动摩擦片(11)固定在力矩反馈轴(5)上，在所述的壳体内还设置有至少一静摩擦片(12)，所述的静摩擦片(12)间隔的设置在动摩擦片(11)之间，所述的磁流变液(16)填充在动摩擦片(11)与静摩擦片(12)周围，所述的电信号输入线圈(10)绕制在静摩擦片(12)的外部。
2、 根据权利要求1所述的用于实现遥操作机器人控制的人机接口装置的被动力/力矩 反馈驱动器，其特征在于在所述的静摩擦片与电信号输入线圈之间设置有一绝磁环(17)， 所述的电信号输入线圈(10)绕之在所述的绝磁环(17)上。
3、 根据权利要求1或2所述的用于实现遥操作机器人控制的人机接口装置的被动力/ 力矩反馈驱动器，其特征在于所述的壳体由上盖(2)和底座(15)组成，所述的上盖(2)与底座(15)采用螺栓固定连接。
4、 根据权利要求3所述的用于实现遥操作机器人控制的人机接口装置的被动力/力矩 反馈驱动器，其特征在于所述的静摩擦片(12)采用销轴固定在所述的上盖(2)与底 座(15)之间。
全文摘要
本发明公开了一种用于实现遥操作机器人控制的人机接口装置的被动力/力矩反馈驱动器，包括壳体，设置在壳体内的力矩反馈轴、动摩擦片、磁流变液以及用于输入由远程力信号转化为电信号的电信号输入线圈，动摩擦片固定在力矩反馈轴上，在壳体内还设置有至少一静摩擦片，静摩擦片间隔的设置在动摩擦片之间，磁流变液填充在动摩擦片与静摩擦片周围，电信号输入线圈绕制在静摩擦片的外部。本发明采用磁流变液技术，将远程力信号转化为电信号后输入到电信号输入线圈，通过线圈磁场对磁流变液的作用，在力矩反馈轴上产生一个被动的反馈力矩，反馈力连续且稳定。结构简单，紧凑，重量轻、体积小、摩擦力小，能够传递的力矩很大，而且具有稳定安全的特点。
文档编号B25J19/00GK101642908SQ20091003410
公开日2010年2月10日 申请日期2009年9月1日 优先权日2009年9月1日
发明者宋爱国, 崔建伟, 戴金桥, 辞 文, 王爱民 申请人:东南大学