本发明主要涉及一种球形磁流变液执行器，是可在三个自由度上实现对多个运动方向的力/力矩控制，具体是一种多方向控制的小型三自由度球形磁流变液执行器。
背景技术：
在人机交互领域，能够实现操作者与虚拟或远处物体的交互，并将交互过程中产生的信息通过力触觉反馈的方式传递给操作者的力触觉设备正越来越受到人们的关注。常见的力触觉设备通常采用能够旋转运动或直线运动的单自由度执行器，如基于电机的主动执行器或基于电流变液或磁流变液的半主动执行器，来实现力反馈。而对于多自由度的操作任务，传统的力触觉设备往往需要通过串联/并联机构组合多个单自由度的执行器来实现。然而，大量的传动机构，如连杆、齿轮和蜗杆等，不可避免地增加了装置的体积、能耗、摩擦、惯性、背隙、结构复杂度，以及在操作范围内的奇异点。就多自由度触觉设备而言，可在单个接头中自然地执行三自由度旋转运动的球形执行器是替代常规力触觉装置的有前途的替代物。球形执行器主要由定子和球形转子组成，能够减小多自由度力触觉设备的体积和结构复杂度，并可消除操作范围内的奇异点和克服串联/并联结构的缺点。
近年来，一些基于磁流变液的多自由度球形半主动执行器已经被研究和开发，以提供被动力反馈。但他们普遍存在的一个问题是，当被激活时，执行器会同时锁定所有3个自由度的运动，这限制了用户在所有方向上的运动。其次，传统的球形执行器一般具有较大的体积，这就意味着重量和功耗的增加，将不利于这些设备与便携式设备结合或作为关键部件应用于复杂机械中。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：提出一种多方向控制的小型三自由度球形磁流变液执行器，有效解决传统半主动球形执行器被激活后会锁住所有的运动自由度，且在所有运动方向均输出固定大小的力/力矩的问题。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为，一种多方向控制的小型三自由度球形磁流变液执行器，包括操纵杆、球形转子、密封单元、定子单元、以及励磁单元；
密封单元包括上部封盖、外壳以及下部封盖；上部封盖设于外壳顶端，下部封盖设于外壳的底端，上部封盖的中心位置向上凸起以致上部封盖的下表面在对应位置处形成有凹槽，上部封盖凸起处开设有供操纵杆操作的槽口；下部封盖上设有励磁单元连接外部电源的总出线孔；
定子单元有若干个定子组，若干个定子组均匀分设于密封单元中，并共同构成一曲面结构；球形转子部分以能转动的方式嵌入曲面结构中，另一部分露出槽口，球形转子与曲面结构间留有用于填充磁流变液的间隙；操纵杆安装于球形转子露出槽口的位置，操纵杆在外力的作用下能带动球形转子进行±60°范围内的俯仰和/或横滚运动；
各个励磁单元能被单独控制，每个励磁单元位于上部定子套与对应的下部定子套之间；励磁单元包括绕线轴以及线圈，线圈缠绕于绕线轴上，绕线轴被定子组固定支撑；球形转子、定子组以及绕线轴共同组成磁轭；每个磁轭分别能与磁流变液共同构成一个磁路单元；激活单个或多个励磁单元产生磁场，磁场改变磁流变液的屈服强度，以致移动操纵杆时，在相应方向和自由度上具有被动的力/力矩反馈。
作为本发明改进的技术方案，定子单元还包括上部固定套、下部固定套以及支撑台；定子组包括底部定子以及呈上下对应的上部定子套与下部定子套；上部固定套与下部固定套呈上下关系内置于密封单元中；上部定子套内嵌于上部固定套中；下部定子套与底部定子均内嵌于下部固定套中，并且底部定子位于下部定子套的下部；上部定子套与下部定子套之间设有用于调节磁通路径的间隔环；绕线轴安装于底部定子上，并位于下部定子套的外围；支撑台固定于下部固定套的中间位置，支撑台的顶部设有用于支撑球形转子的支撑球，以使球形转子与曲面结构间的间隙分布均匀；下部定子套与底部定子均环绕于支撑台的周边。
作为本发明改进的技术方案，上部定子套、下部定子套以及底部定子均为扇形结构，扇形结构的圆心角为35°。
作为本发明改进的技术方案，球形转子与曲面结构之间的间隙为0.2-2mm。
作为本发明改进的技术方案，任意相邻两个励磁单元之间设有减少磁场干扰的间隔片，间隔片所对应的圆心角为10°。
作为本发明改进的技术方案，密封单元还包括用于对磁流变液进行密封的密封圈，密封圈设于上部封盖的凹槽中，并与球形转子直接接触。
作为本发明改进的技术方案，球形转子为实心金属球，操纵杆与球形转子为螺纹连接。
作为本发明改进的技术方案，励磁单元有八个。
有益效果
1、本申请将传统的由单个线圈控制的磁场用多个独立的线圈和磁路（即励磁单元，并优选为八个励磁单元）代替。通过对每个磁路的单独控制，八个磁路可任意组合或独立工作，可使执行器在操作范围内的不同方向和自由度上输出可变的被动力/力矩。
2、本发明提出的球形磁流变液执行器能自然地执行三自由度的旋转运动，不需要额外的串联/并联机构或传动机构，可有效避免传统多自由度运动装置体积大、能耗高、摩擦损耗多、结构复杂，以及在操作范围内存在奇异点等问题。
3、利用磁流变液屈服强度大、响应迅速、状态转换快、控制简单等优点研制球形磁流变液执行器，可实现装置的小型化和低功耗，以及大的力/力矩-体积比和动态可调范围。通过将球形执行器多自由度运动的结构优势与磁流变液的优秀特性相结合，该球形磁流变液执行器更加符合多自由度人机交互的需求，并可显著提升人机交互的真实感和沉浸感。
4、多自由度和多方向可控的球形磁流变液执行器更加适合与复杂虚拟环境的交互。可使用该球形磁流变液执行器同时在虚拟环境中执行多个任务，并通过在不同自由度和方向上的力/力矩反馈综合再现与虚拟物体的交互信息或虚拟物体的特征信息。为用户提供随交互场景而变化的多方向和多自由度力/力矩反馈，可显著增强用户的虚拟交互感受和体验。
5、使用三维有限元分析的独立磁路设计方法来优化执行器的总体结构，可使磁场在每个磁路中均匀分布，并使施加在磁流变液和磁轭上的磁感应强度均达到各自的饱和点。执行器在满足输出力/力矩需求的情况下，有效的减少了体积、重量、能耗和线圈发热量。
6、利用该球形执行器尺寸小、结构简单和力/力矩-体积比大的优势，其可应用于需要再现多自由度力觉交互信息的应用场景，也可作为关键部件应用于可穿戴设备、外骨架装置、便携式人机交互装置和医疗康复装置等操作空间或设备质量有限的应用环境。
附图说明
图1为本发明的整体外观示意图；
图2为本发明的左视结构示意图；
图3为本发明的上视结构示意图；
图4为图2的A-A向剖视结构示意图；
图5为图2和图3的B-B向剖视结构示意图；
图6为图3的C-C向剖视结构示意图，其与B-B向剖视结构之间的夹角为22.5º；
图7为执行器中八个独立磁路单元的分布示意图；
图8为执行器中单个独立磁路单元的结构示意图；
图9为图8的剖视结构示意图；
图10为上部固定套的三维结构示意图；
图11为间隔环的三维结构示意图；
图12为间隔片的三维结构示意图；
图13为下部固定套的三维结构示意图；
图14为底部定子的三维结构示意图。
图中，1、操纵杆；2、球形转子；3、密封圈；4、上部封盖；5、磁流变液；6、上部定子套；7、间隔环；8、上部固定套；9、下部定子套；10、绕线轴；11、支撑球；12、线圈；13、支撑台；14、外壳；15、底部定子；16、下部封盖；17、螺钉；18、下部固定套；19、间隔片；20、出线孔；21、总出线孔。
具体实施方式
下面结合附图进一步叙述本发明。
如图1-6所示，一种多方向控制的小型三自由度球形磁流变液执行器，主要由球形转子、定子单元、磁流变液、励磁部分，以及密封单元部分组成。
一种多方向控制的小型三自由度球形磁流变液5执行器，该执行器包括操纵杆1、球形转子2、密封圈3、上部封盖4、磁流变液5、上部定子套6、间隔环7、上部固定套8、下部定子套9、绕线轴10、支撑球11、线圈12、支撑台13、外壳14、底部定子15、下部封盖16、螺钉17、下部固定套18和间隔片19。
其中，如图1-2所示，上部封盖4、外壳14以及下部封盖16依次通过螺钉17连接，构成密封单元；上部封盖4设于外壳14顶端，下部封盖16设于外壳14的底端，上部封盖4的中心位置向上凸起以致上部封盖4的下表面在对应位置处形成有凹槽，密封单元还包括用于对磁流变液5进行密封的密封圈3，密封圈3设于上部封盖4的凹槽中，并与球形转子2直接接触；上部封盖4凸起处开设有供操纵杆1操作的槽口；下部封盖16上设有励磁单元连接外部电源的总出线孔21；总出线孔21位于下部封盖16的中间位置。
如图3-7所示，上部固定套8、下部固定套18、上部定子套6、底部定子15、下部定子套9以及支撑台13共同构成定子单元；其中底部定子15以及呈上下对应的上部定子套6与下部定子套9组成定子组；定子单元有若干个定子组，若干个定子组均匀分设于密封单元中，上部定子套6具有第一曲面部分，下部定子套9具有第二曲面部分，第一曲面部分与第二曲面部分共同构成一曲面结构；为了保证施加在磁流变液5激活区上的磁感应强度的均匀性，第一曲面部分与第二曲面部分具有相同的表面积。
球形转子2的大部分以能转动的方式嵌入曲面结构中，另一小部分露出槽口，球形转子2与曲面结构间留有用于填充磁流变液5的间隙；球形转子2与曲面结构之间的间隙宽度为0.2-2mm。
操纵杆1安装于球形转子2露出槽口的位置，操纵杆1在外力的作用下能带动球形转子2进行±60°范围内的俯仰和/或横滚运动；详细的，球形转子2为实心金属球，其与操纵杆1通过螺纹连接。
上部固定套8（如图10所示）与下部固定套18（如图13所示）呈上下关系内置于密封单元中，即上部固定套8被下部固定套18支撑，上部定子套6内嵌于上部固定套8中；下部定子套9被底部定子15支撑，底部定子15设于外壳14的底部，下部定子套9与底部定子15（如图14所示）均内嵌于下部固定套18中，下部固定套18对下部定子套9于底部定子15进行限位；上部定子套6与下部定子套9之间设有用于调节磁通路径的间隔环7（如图11所示）。支撑台13固定于下部固定套18的中间位置，支撑台13的顶部设有用于支撑球形转子2的支撑球11，以使球形转子2与曲面结构间的间隙分布均匀，另外支撑球11夹在球形转子2和支撑台13之间，还起到固定球形转子2相对定子部分的位置和减小运动摩擦的作用；下部定子套9与底部定子15均环绕于支撑台13的周边。
绕线轴10与线圈12构成励磁单元，励磁单元有若干个，若干个励磁单元均匀分布于密封单元中，并位于球形转子2的周边，具体的线圈12缠绕于绕线轴10上，绕线轴10安装于底部定子15上，并位于下部定子套9的外围，被定子组固定支撑；为了方便出线，底部定子15的外侧设有出线孔20，线圈12采用铜制漆包线，铜制漆包线通过出线孔20与总出线孔21连接于外部电源。球形转子、定子组以及绕线轴共同组成磁轭；每个磁轭分别能与磁流变液共同构成一个磁路单元，如图8-9所示；激活单个或多个励磁单元产生磁场，磁场改变磁流变液的屈服强度，以致移动操纵杆时，在相应方向和自由度上具有被动的力/力矩反馈。
为了实现本申请的功能，各个励磁单元能被单独控制，每个励磁单元位于上部定子套与对应的下部定子套之间；本申请中励磁单元为八个，上部定子套6、下部定子套9以及底部定子15均为扇形结构，扇形结构的圆心角为35°；任意相邻两个励磁单元之间设有减少磁场干扰的间隔片19（如图12所示），间隔片19所对应的圆心角为10°，间隔片19由不导磁材料制备而成，以减少不同磁场之间的干扰；所有间隔片19与所有下部定子套9的圆心角之和为360°，即有效保证曲面结构的完整性，实现密封磁流变液5。
球形转子2、定子组以及绕线轴10共同组成磁轭，并均由具有高导磁率的电磁纯铁（DT4）制成。激活单个或多个磁路单元产生磁场，磁场改变磁流变液5的屈服强度，以致移动操纵杆1时，在相应方向和自由度上具有被动的力/力矩反馈。本实施例中磁流变液5为美国Lord公司生产的MRF-140CG型磁流变液。
优选地，操纵杆1、上部封盖4、间隔环7、支撑球11、支撑台13、外壳14、下部封盖16和螺钉17均采用具有低导磁的铝合金制成，以减少漏磁和装置的重量。操纵杆1带动球形转子2的运动空间为±60°（俯仰/横滚运动）。密封圈3采用柔性非金属材料制成。上部固定套8和下部固定套18通过3D打印制成。
执行器具有三个运动自由度，可完成绕直角坐标系的x/y/z轴自旋、章动和进动操作。执行器中的每个磁路单元均可被单独控制。通过激活单个或多个磁路单元，执行器可在多个运动方向上输出可变的力/力矩。
进一步，所述的执行器采用了有限元分析的方法对结构参数和线圈12能耗进行优化。优化的目标是在满足输出力/力矩需求和能耗要求的情况下，使磁场在每个磁路中均匀分布，并使施加在磁流变液5和磁轭上的磁感应强度均达到各自的饱和点。
工作原理：该球形执行器内的线圈12可选择性的被激活，被激活的磁路单元在局部范围内改变磁流变液5的屈服强度，从而当操作者移动操纵杆1时，在相应方向和自由度上感受到被动的力/力矩反馈。如图7所示，八个磁路单元的任意组合或独立工作，可在操作范围内再现任意交互方向和自由度上力/力矩信息。使用该执行器与虚拟环境进行交互时，需要与位置或姿态传感器配合使用，一般需要将传感器集成在操纵杆1上。在多自由度的虚拟交互场景中，虚拟模型根据交互发生的位置，向分布在对应方向上的磁路发送控制电流信号，从而产生随用户运动位置和姿态变化的力/力矩反馈。
相对于现有技术中的半主动球形执行器被激活后会锁住所有的运动自由度，且在所有运动方向均输出固定大小的力/力矩的问题。本申请的执行器对定子部分进行了特殊的设计，将传统的由单个线圈控制的磁场用八个独立的线圈12和磁路代替。通过对每个磁路的单独控制，八个磁路单元可任意组合或独立工作，可使执行器在操作范围内的不同方向和自由度上输出可变的被动力/力矩。通过将球形执行器多自由度运动的结构优势与磁流变液5的优秀特性相结合，该球形执行器更加符合多自由度人机交互的需求，并可显著提升人机交互的真实感和沉浸感。
以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。