基于磁流变技术的触觉再现装置的制作方法

本发明涉及触觉再现技术领域，特别涉及一种基于磁流变技术的触觉再现装置。

背景技术：

高效自然的触觉再现技术能够加强虚拟现实的沉浸感和真实感，能够提供更为真实和直接的交互体验，将人类与虚拟世界的交流推向一个新的阶段，是目前虚拟现实领域的热点。触觉再现技术在科学教育、工业设计、盲人看图和远程医疗等领域起着重要的辅助作用，如在远程手术过程中，需要机械臂上的手术刀实现实时的移动，此时在移动过程中医生有临场感知模拟需要，就需要使用到触觉再现技术。

目前，触觉再现技术大多是基于机械力的，比较典型的有针型接触式阵列、气体压力触觉再现装置和基于锯齿表面的触觉再现装置，这些机械式的方式虽然可以实现多自由度的触觉再现，但是由于结构极其复杂、体积较大、设备笨重很难在日常生活中应用推广。为解决上述问题，适应使用的小型化要求，现有技术中出现了通过静电力、电流变为介质，通过控制介质的不同状态与行为使触觉再现的方式，此种方式可通过改变接触表面的形状或摩擦系数，使得操作者通过触摸表面直接感受摩擦力的变化从而使得触觉再现，虽可满足小型化的需求，但实现多自由度的触觉模拟难度很大，仍然不具有广泛使用性。

因此，需要对现有的触觉再现装置进行改进，使其不但结构简单，体积较小，使用方便，而且可满足多自由度的触觉模拟，提高其使用推广性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种触觉再现装置，其不但结构简单，体积较小，使用方便，而且可满足多自由度的触觉模拟，提高其使用推广性。

本发明的基于磁流变技术的触觉再现装置，包括操纵机构和与操纵机构配合并用于提供阻尼力以实时再现触觉力的阻尼装置；

操纵机构至少包括操纵筒，阻尼装置包括外壳和设置于外壳内的阻尼机构，外壳包括刚性壳体和与刚性壳体上端连接并外套固定于操纵筒外侧对操纵筒形成支撑并用于补偿空间的柔性壳体，阻尼机构包括阻尼杆和设置于刚性壳体内与阻尼杆底端固定连接并用于阻尼杆摆动时产生摆动阻尼力的摆动阻尼件，阻尼杆上部位于操纵筒内并操纵筒以可产生轴向移动的方式与阻尼杆配合，外壳和操纵筒的空腔内填充有磁流变液；

阻尼装置还包括固定于阻尼杆位于筒体的部分外侧设置的第一励磁线圈，当第一励磁线圈通电时产生对操作筒轴向移动或绕自身轴线转动的阻尼力。

进一步，摆动阻尼件包括与阻尼杆固定连接的连接球体、设置在连接球体上的至少一个接触盘和固定于接触盘上设置用于提供通电时提供磁场的第二励磁线圈，每一接触盘与刚性壳体的内壁间设有用于磁流变液流动的间隙。

进一步，每一接触盘包括连接杆和与连接杆一体成型的盘体，连接杆沿连接球体的径向设置，第二励磁线圈设置在连接杆上，刚性壳体内壁为内球面结构，盘体为与内球面结构相适形的弧形结构。

进一步，每一接触盘的盘体的外侧弧面上设置有用于控制与刚性壳体内壁间间隙的钢球。

进一步，第一励磁线圈通过线圈座固定于阻尼杆上端外侧，操纵筒内与阻尼杆上端和线圈座配合还设置有用于提供轴向阻尼和复位的压缩弹簧。

进一步，阻尼杆位于操纵筒内部分上还设置有用于操纵筒滑动配合并圆周密封的导向件。

进一步，柔性壳体为上小下大的锥台形结构。

进一步，操纵机构还包括操纵球和上部与操纵球连接并下部与操纵筒螺纹连接的螺纹筒。

进一步，刚性壳体包括相互连接的左半球壳和右半球壳。

本发明的有益效果：本发明的基于磁流变技术的触觉再现装置，本装置在使用时，通过传感器感知与触觉再现装置相连的执行装置的位移和压力变化信号，使用者通过操纵机构操纵运动，当操纵筒沿轴向移动或绕自身轴线转动时，第一励磁线圈和第二励磁线圈通电，磁感线分别由接触盘与刚性壳体内壁间的间隙、阻尼杆与操纵筒之间的间隙引出，使得间隙内的磁流变液成为半固体，阻碍运动，由于接触盘处产生阻尼力较大，接触盘和阻尼杆相当于静止，操纵筒与阻尼杆之间的相对运动即受到半固态的磁流变液的阻碍产生阻尼力并反馈给使用者的手部；当产生摆动时，同样由于接触盘与刚性壳体内壁间间隙内的磁流变液在磁场作用下产生阻尼力阻碍运动，并沿原路反馈给操作者；本发明结构简单，可结合传感控制系统同时使用，不但可方便快捷的实现体验触觉力的大小，而且可满足多自由度的触觉模拟，且体积较小，具有相当高的市场推广性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明外部结构示意图；

图2为本发明结构剖视图。

具体实施方式

图1为本发明外部结构示意图，图2为本发明结构剖视图，如图所示：本实施例的基于磁流变技术的触觉再现装置，包括操纵机构和与操纵机构配合并用于提供阻尼力以实时再现触觉力的阻尼装置；

操纵机构至少包括操纵筒1，阻尼装置包括外壳和设置于外壳内的阻尼机构，外壳包括刚性壳体2和与刚性壳体2上端连接并外套固定于操纵筒1外侧对操纵筒1形成支撑并用于补偿空间的柔性壳体3，阻尼机构包括阻尼杆5和设置于刚性壳体2内与阻尼杆5底端固定连接并用于阻尼杆5摆动时产生摆动阻尼力的摆动阻尼件，阻尼杆5上部位于操纵筒1内并操纵筒1以可产生轴向移动的方式与阻尼杆5配合，外壳和操纵筒1的空腔内填充有磁流变液；其中，柔性壳体3的上部形成环套结构，环套的外侧通过紧固件4使其内侧紧贴在操纵筒1的外侧形成固定，柔性壳体3的底部形成与刚性壳体2上部连接的凸缘，刚性壳体2上部开口与柔性壳体3相连，操纵筒1的下端在柔性壳体3内部；

阻尼装置还包括固定于阻尼杆5位于筒体的部分外侧设置的第一励磁线圈6，当第一励磁线圈6通电时产生对操作筒轴向移动或绕自身轴线转动的阻尼力；

摆动阻尼件包括与阻尼杆5固定连接的连接球体7、设置在连接球体7上的至少一个接触盘和固定于接触盘上设置用于提供通电时提供磁场的第二励磁线圈8，每一接触盘与刚性壳体2的内壁间设有用于磁流变液流动的间隙9；

本发明在使用时，第一励磁线圈6和第二励磁线圈8通电，使得阻尼杆5上的线圈座14两翼与操纵筒1之间的间隙10内的磁流变液和接触盘与刚性壳体2内壁间的间隙内的磁流变液发生变化，由液体变成类固体，从而使得接触盘与刚性壳体2之间、阻尼杆5与操纵筒1之间产生相对阻碍运动的阻尼力，至于阻尼力的大小则根据外部传感器与控制系统通过控制励磁线圈通电电流大小以使得阻尼力的大小与实时状态下的末端执行器所受到的阻尼力一致，从而完成触觉再现模拟；本实施例中，接触盘对应刚性壳体2的内壁沿连接球体7的外圆均匀布置，两相邻接触盘间的距离相等，每一接触盘与刚性壳体2的内壁间均设置有间隙用于磁流变液通过，并在第二励磁线圈8通电时使其改变状态以提供阻尼力。

本实施例中，每一接触盘包括连接杆11和与连接杆11一体成型的盘体12，连接杆11沿连接球体7的径向设置，第二励磁线圈8设置在连接杆11上，刚性壳体2内壁为内球面结构，盘体12为与内球面结构相适形的弧形结构；连接球体7的外侧设置有径向插槽，连接杆11的端部插入插槽内形成固定，本实施例中，接触盘设置四个，且四个接触盘的盘体12的外弧面总和不小于刚性壳体2内球面面积的四分之三。

本实施例中，每一接触盘的盘体12的外侧弧面上设置有用于控制与刚性壳体2内壁间间隙的非导磁性钢球13；非导磁性钢球13固定在对应接触盘的盘体12上设置的凹槽内，非导磁性钢球外侧与刚性壳体2的内壁相接触，以确保刚性壳体2内壁与接触盘间的间隙恒定。

本实施例中，第一励磁线圈6通过线圈座14固定于阻尼杆5上端外侧，操纵筒1内与阻尼杆5上端和线圈座14配合还设置有用于提供轴向阻尼和复位的压缩弹簧15；其中，线圈座14截面为工字型结构，线圈座14通过螺纹连接固定在阻尼杆5上，阻尼杆5为中空结构，阻尼杆5上设置有线圈座安装位，压缩弹簧15下端与线圈座14相连接，上端与操纵筒1相连接。

本实施例中，阻尼杆5位于操纵筒内部分上还设置有用于操纵筒1滑动配合并圆周密封的导向件16；导向件外套固定住阻尼杆5上，导向件的圆周外侧与操纵筒1内壁接触并相对滑动，导向件的中部设置有连通外壳与操纵筒1内腔的连通孔17用于操纵筒1下移时补偿。

本实施例中，柔性壳体3为上小下大的锥台形结构；柔性壳体3可由橡胶材料制成。

本实施例中，操纵机构还包括操纵球18和上部与操纵球18连接并下部与操纵筒1螺纹连接的螺纹筒19；螺纹筒19上部设有连接柱与操纵球18螺纹连接，下部外套在操纵筒1外侧并相互螺纹连接。

本实施例中，刚性壳体2包括相互连接的左半球壳和右半球壳。

本发明的具体工作原理为：外部执行装置开始运行时，操作者操作本案的触觉再现装置，由传感器感知位移信号，信号由数字信号采集器并通过网络或者程序传送到执行端处的接收器或者软件接口，执行端按照传送来的位移信号进行移动，移动过程中的压力变化由压力传感器产生，通过采集将信号传送到控制端，该信号直接控制受控直流电源产生相应变化的电流输送到触觉再现装置中的线圈，从而产生不同的磁场，进而产生不同的阻尼力，使得整个装置不断循环往复的运行。

当操作者通过手握操纵球18对触觉再现装置进行移动或者转动操作时，力/力矩通过螺纹筒19与操纵球18之间的螺纹传递给螺纹筒19，再通过螺纹筒19与操纵筒1之间的螺纹传递给操纵筒1，进而带动操纵筒1沿自身轴向移动或者转动，当操作者进行左右或前后的摆动操作时，则力由阻尼杆5传递到连接球体7，最后传递到均布的接触盘。

当操纵筒1沿轴发生转动或是在平面内扳动时，首先励磁线圈通电，磁感线分别由接触盘与刚性壳体2之间的间隙、线圈座14与操纵筒1之间的间隙引出，使得间隙内的磁流变液成为半固态，阻碍运动。由于接触盘数量较多，产生的阻尼力较大，足以使得与接触盘直接或间接固定连接的装置保持相对静止，因此线圈座14可以视为相对静止的元件。而操纵筒1与线圈座14之间的相对运动(转动与移动)，即受到这种半固态的磁流变液的阻碍，进而产生阻尼力，阻碍转动操纵筒1的转动，并反馈给操作者的手部；而当操纵筒1沿轴向发生向下的移动时，除了操纵筒1与线圈座14之间磁流变液产生的阻碍作用外，压缩弹簧15也随之下移，下移过程会有腔内液体体积的压缩，压缩的体积将有柔性壳体3的侧面膨胀进行补偿，而当撤去外力后，线圈断电，阻尼力消失，操纵筒1会在压缩弹簧15回弹的作用下恢复原位。

当发生左右或前后摆动时，力沿着操纵球18、螺纹筒19、操纵筒1、导向件、阻尼杆5、连接球体7的方向传递，最后传递到均布的接触盘，接触盘2与刚性壳体2间隙中的磁流变液在磁场作用下产生阻尼力阻碍转动，并沿原路反馈给操作者。

当发生混合运动时，则运动可分解为上述各运动的叠加，原理相同。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。