本發(fā)明涉及觸覺再現(xiàn)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于磁流變技術(shù)的觸覺再現(xiàn)裝置。

背景技術(shù)：

高效自然的觸覺再現(xiàn)技術(shù)能夠加強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸感和真實(shí)感，能夠提供更為真實(shí)和直接的交互體驗(yàn)，將人類與虛擬世界的交流推向一個(gè)新的階段，是目前虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。觸覺再現(xiàn)技術(shù)在科學(xué)教育、工業(yè)設(shè)計(jì)、盲人看圖和遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域起著重要的輔助作用，如在遠(yuǎn)程手術(shù)過程中，需要機(jī)械臂上的手術(shù)刀實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的移動，此時(shí)在移動過程中醫(yī)生有臨場感知模擬需要，就需要使用到觸覺再現(xiàn)技術(shù)。

目前，觸覺再現(xiàn)技術(shù)大多是基于機(jī)械力的，比較典型的有針型接觸式陣列、氣體壓力觸覺再現(xiàn)裝置和基于鋸齒表面的觸覺再現(xiàn)裝置，這些機(jī)械式的方式雖然可以實(shí)現(xiàn)多自由度的觸覺再現(xiàn)，但是由于結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜、體積較大、設(shè)備笨重很難在日常生活中應(yīng)用推廣。為解決上述問題，適應(yīng)使用的小型化要求，現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)了通過靜電力、電流變?yōu)榻橘|(zhì)，通過控制介質(zhì)的不同狀態(tài)與行為使觸覺再現(xiàn)的方式，此種方式可通過改變接觸表面的形狀或摩擦系數(shù)，使得操作者通過觸摸表面直接感受摩擦力的變化從而使得觸覺再現(xiàn)，雖可滿足小型化的需求，但實(shí)現(xiàn)多自由度的觸覺模擬難度很大，仍然不具有廣泛使用性。

因此，需要對現(xiàn)有的觸覺再現(xiàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，使其不但結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，使用方便，而且可滿足多自由度的觸覺模擬，提高其使用推廣性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種觸覺再現(xiàn)裝置，其不但結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，使用方便，而且可滿足多自由度的觸覺模擬，提高其使用推廣性。

本發(fā)明的基于磁流變技術(shù)的觸覺再現(xiàn)裝置，包括操縱機(jī)構(gòu)和與操縱機(jī)構(gòu)配合并用于提供阻尼力以實(shí)時(shí)再現(xiàn)觸覺力的阻尼裝置；

操縱機(jī)構(gòu)至少包括操縱筒，阻尼裝置包括外殼和設(shè)置于外殼內(nèi)的阻尼機(jī)構(gòu)，外殼包括剛性殼體和與剛性殼體上端連接并外套固定于操縱筒外側(cè)對操縱筒形成支撐并用于補(bǔ)償空間的柔性殼體，阻尼機(jī)構(gòu)包括阻尼桿和設(shè)置于剛性殼體內(nèi)與阻尼桿底端固定連接并用于阻尼桿擺動時(shí)產(chǎn)生擺動阻尼力的擺動阻尼件，阻尼桿上部位于操縱筒內(nèi)并操縱筒以可產(chǎn)生軸向移動的方式與阻尼桿配合，外殼和操縱筒的空腔內(nèi)填充有磁流變液；

阻尼裝置還包括固定于阻尼桿位于筒體的部分外側(cè)設(shè)置的第一勵(lì)磁線圈，當(dāng)?shù)谝粍?lì)磁線圈通電時(shí)產(chǎn)生對操作筒軸向移動或繞自身軸線轉(zhuǎn)動的阻尼力。

進(jìn)一步，擺動阻尼件包括與阻尼桿固定連接的連接球體、設(shè)置在連接球體上的至少一個(gè)接觸盤和固定于接觸盤上設(shè)置用于提供通電時(shí)提供磁場的第二勵(lì)磁線圈，每一接觸盤與剛性殼體的內(nèi)壁間設(shè)有用于磁流變液流動的間隙。

進(jìn)一步，每一接觸盤包括連接桿和與連接桿一體成型的盤體，連接桿沿連接球體的徑向設(shè)置，第二勵(lì)磁線圈設(shè)置在連接桿上，剛性殼體內(nèi)壁為內(nèi)球面結(jié)構(gòu)，盤體為與內(nèi)球面結(jié)構(gòu)相適形的弧形結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步，每一接觸盤的盤體的外側(cè)弧面上設(shè)置有用于控制與剛性殼體內(nèi)壁間間隙的鋼球。

進(jìn)一步，第一勵(lì)磁線圈通過線圈座固定于阻尼桿上端外側(cè)，操縱筒內(nèi)與阻尼桿上端和線圈座配合還設(shè)置有用于提供軸向阻尼和復(fù)位的壓縮彈簧。

進(jìn)一步，阻尼桿位于操縱筒內(nèi)部分上還設(shè)置有用于操縱筒滑動配合并圓周密封的導(dǎo)向件。

進(jìn)一步，柔性殼體為上小下大的錐臺形結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步，操縱機(jī)構(gòu)還包括操縱球和上部與操縱球連接并下部與操縱筒螺紋連接的螺紋筒。

進(jìn)一步，剛性殼體包括相互連接的左半球殼和右半球殼。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的基于磁流變技術(shù)的觸覺再現(xiàn)裝置，本裝置在使用時(shí)，通過傳感器感知與觸覺再現(xiàn)裝置相連的執(zhí)行裝置的位移和壓力變化信號，使用者通過操縱機(jī)構(gòu)操縱運(yùn)動，當(dāng)操縱筒沿軸向移動或繞自身軸線轉(zhuǎn)動時(shí)，第一勵(lì)磁線圈和第二勵(lì)磁線圈通電，磁感線分別由接觸盤與剛性殼體內(nèi)壁間的間隙、阻尼桿與操縱筒之間的間隙引出，使得間隙內(nèi)的磁流變液成為半固體，阻礙運(yùn)動，由于接觸盤處產(chǎn)生阻尼力較大，接觸盤和阻尼桿相當(dāng)于靜止，操縱筒與阻尼桿之間的相對運(yùn)動即受到半固態(tài)的磁流變液的阻礙產(chǎn)生阻尼力并反饋給使用者的手部；當(dāng)產(chǎn)生擺動時(shí)，同樣由于接觸盤與剛性殼體內(nèi)壁間間隙內(nèi)的磁流變液在磁場作用下產(chǎn)生阻尼力阻礙運(yùn)動，并沿原路反饋給操作者；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，可結(jié)合傳感控制系統(tǒng)同時(shí)使用，不但可方便快捷的實(shí)現(xiàn)體驗(yàn)觸覺力的大小，而且可滿足多自由度的觸覺模擬，且體積較小，具有相當(dāng)高的市場推廣性。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

圖1為本發(fā)明外部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)剖視圖。

具體實(shí)施方式

圖1為本發(fā)明外部結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)剖視圖，如圖所示：本實(shí)施例的基于磁流變技術(shù)的觸覺再現(xiàn)裝置，包括操縱機(jī)構(gòu)和與操縱機(jī)構(gòu)配合并用于提供阻尼力以實(shí)時(shí)再現(xiàn)觸覺力的阻尼裝置；

操縱機(jī)構(gòu)至少包括操縱筒1，阻尼裝置包括外殼和設(shè)置于外殼內(nèi)的阻尼機(jī)構(gòu)，外殼包括剛性殼體2和與剛性殼體2上端連接并外套固定于操縱筒1外側(cè)對操縱筒1形成支撐并用于補(bǔ)償空間的柔性殼體3，阻尼機(jī)構(gòu)包括阻尼桿5和設(shè)置于剛性殼體2內(nèi)與阻尼桿5底端固定連接并用于阻尼桿5擺動時(shí)產(chǎn)生擺動阻尼力的擺動阻尼件，阻尼桿5上部位于操縱筒1內(nèi)并操縱筒1以可產(chǎn)生軸向移動的方式與阻尼桿5配合，外殼和操縱筒1的空腔內(nèi)填充有磁流變液；其中，柔性殼體3的上部形成環(huán)套結(jié)構(gòu)，環(huán)套的外側(cè)通過緊固件4使其內(nèi)側(cè)緊貼在操縱筒1的外側(cè)形成固定，柔性殼體3的底部形成與剛性殼體2上部連接的凸緣，剛性殼體2上部開口與柔性殼體3相連，操縱筒1的下端在柔性殼體3內(nèi)部；

阻尼裝置還包括固定于阻尼桿5位于筒體的部分外側(cè)設(shè)置的第一勵(lì)磁線圈6，當(dāng)?shù)谝粍?lì)磁線圈6通電時(shí)產(chǎn)生對操作筒軸向移動或繞自身軸線轉(zhuǎn)動的阻尼力；

擺動阻尼件包括與阻尼桿5固定連接的連接球體7、設(shè)置在連接球體7上的至少一個(gè)接觸盤和固定于接觸盤上設(shè)置用于提供通電時(shí)提供磁場的第二勵(lì)磁線圈8，每一接觸盤與剛性殼體2的內(nèi)壁間設(shè)有用于磁流變液流動的間隙9；

本發(fā)明在使用時(shí)，第一勵(lì)磁線圈6和第二勵(lì)磁線圈8通電，使得阻尼桿5上的線圈座14兩翼與操縱筒1之間的間隙10內(nèi)的磁流變液和接觸盤與剛性殼體2內(nèi)壁間的間隙內(nèi)的磁流變液發(fā)生變化，由液體變成類固體，從而使得接觸盤與剛性殼體2之間、阻尼桿5與操縱筒1之間產(chǎn)生相對阻礙運(yùn)動的阻尼力，至于阻尼力的大小則根據(jù)外部傳感器與控制系統(tǒng)通過控制勵(lì)磁線圈通電電流大小以使得阻尼力的大小與實(shí)時(shí)狀態(tài)下的末端執(zhí)行器所受到的阻尼力一致，從而完成觸覺再現(xiàn)模擬；本實(shí)施例中，接觸盤對應(yīng)剛性殼體2的內(nèi)壁沿連接球體7的外圓均勻布置，兩相鄰接觸盤間的距離相等，每一接觸盤與剛性殼體2的內(nèi)壁間均設(shè)置有間隙用于磁流變液通過，并在第二勵(lì)磁線圈8通電時(shí)使其改變狀態(tài)以提供阻尼力。

本實(shí)施例中，每一接觸盤包括連接桿11和與連接桿11一體成型的盤體12，連接桿11沿連接球體7的徑向設(shè)置，第二勵(lì)磁線圈8設(shè)置在連接桿11上，剛性殼體2內(nèi)壁為內(nèi)球面結(jié)構(gòu)，盤體12為與內(nèi)球面結(jié)構(gòu)相適形的弧形結(jié)構(gòu)；連接球體7的外側(cè)設(shè)置有徑向插槽，連接桿11的端部插入插槽內(nèi)形成固定，本實(shí)施例中，接觸盤設(shè)置四個(gè)，且四個(gè)接觸盤的盤體12的外弧面總和不小于剛性殼體2內(nèi)球面面積的四分之三。

本實(shí)施例中，每一接觸盤的盤體12的外側(cè)弧面上設(shè)置有用于控制與剛性殼體2內(nèi)壁間間隙的非導(dǎo)磁性鋼球13；非導(dǎo)磁性鋼球13固定在對應(yīng)接觸盤的盤體12上設(shè)置的凹槽內(nèi)，非導(dǎo)磁性鋼球外側(cè)與剛性殼體2的內(nèi)壁相接觸，以確保剛性殼體2內(nèi)壁與接觸盤間的間隙恒定。

本實(shí)施例中，第一勵(lì)磁線圈6通過線圈座14固定于阻尼桿5上端外側(cè)，操縱筒1內(nèi)與阻尼桿5上端和線圈座14配合還設(shè)置有用于提供軸向阻尼和復(fù)位的壓縮彈簧15；其中，線圈座14截面為工字型結(jié)構(gòu)，線圈座14通過螺紋連接固定在阻尼桿5上，阻尼桿5為中空結(jié)構(gòu)，阻尼桿5上設(shè)置有線圈座安裝位，壓縮彈簧15下端與線圈座14相連接，上端與操縱筒1相連接。

本實(shí)施例中，阻尼桿5位于操縱筒內(nèi)部分上還設(shè)置有用于操縱筒1滑動配合并圓周密封的導(dǎo)向件16；導(dǎo)向件外套固定住阻尼桿5上，導(dǎo)向件的圓周外側(cè)與操縱筒1內(nèi)壁接觸并相對滑動，導(dǎo)向件的中部設(shè)置有連通外殼與操縱筒1內(nèi)腔的連通孔17用于操縱筒1下移時(shí)補(bǔ)償。

本實(shí)施例中，柔性殼體3為上小下大的錐臺形結(jié)構(gòu)；柔性殼體3可由橡膠材料制成。

本實(shí)施例中，操縱機(jī)構(gòu)還包括操縱球18和上部與操縱球18連接并下部與操縱筒1螺紋連接的螺紋筒19；螺紋筒19上部設(shè)有連接柱與操縱球18螺紋連接，下部外套在操縱筒1外側(cè)并相互螺紋連接。

本實(shí)施例中，剛性殼體2包括相互連接的左半球殼和右半球殼。

本發(fā)明的具體工作原理為：外部執(zhí)行裝置開始運(yùn)行時(shí)，操作者操作本案的觸覺再現(xiàn)裝置，由傳感器感知位移信號，信號由數(shù)字信號采集器并通過網(wǎng)絡(luò)或者程序傳送到執(zhí)行端處的接收器或者軟件接口，執(zhí)行端按照傳送來的位移信號進(jìn)行移動，移動過程中的壓力變化由壓力傳感器產(chǎn)生，通過采集將信號傳送到控制端，該信號直接控制受控直流電源產(chǎn)生相應(yīng)變化的電流輸送到觸覺再現(xiàn)裝置中的線圈，從而產(chǎn)生不同的磁場，進(jìn)而產(chǎn)生不同的阻尼力，使得整個(gè)裝置不斷循環(huán)往復(fù)的運(yùn)行。

當(dāng)操作者通過手握操縱球18對觸覺再現(xiàn)裝置進(jìn)行移動或者轉(zhuǎn)動操作時(shí)，力/力矩通過螺紋筒19與操縱球18之間的螺紋傳遞給螺紋筒19，再通過螺紋筒19與操縱筒1之間的螺紋傳遞給操縱筒1，進(jìn)而帶動操縱筒1沿自身軸向移動或者轉(zhuǎn)動，當(dāng)操作者進(jìn)行左右或前后的擺動操作時(shí)，則力由阻尼桿5傳遞到連接球體7，最后傳遞到均布的接觸盤。

當(dāng)操縱筒1沿軸發(fā)生轉(zhuǎn)動或是在平面內(nèi)扳動時(shí)，首先勵(lì)磁線圈通電，磁感線分別由接觸盤與剛性殼體2之間的間隙、線圈座14與操縱筒1之間的間隙引出，使得間隙內(nèi)的磁流變液成為半固態(tài)，阻礙運(yùn)動。由于接觸盤數(shù)量較多，產(chǎn)生的阻尼力較大，足以使得與接觸盤直接或間接固定連接的裝置保持相對靜止，因此線圈座14可以視為相對靜止的元件。而操縱筒1與線圈座14之間的相對運(yùn)動(轉(zhuǎn)動與移動)，即受到這種半固態(tài)的磁流變液的阻礙，進(jìn)而產(chǎn)生阻尼力，阻礙轉(zhuǎn)動操縱筒1的轉(zhuǎn)動，并反饋給操作者的手部；而當(dāng)操縱筒1沿軸向發(fā)生向下的移動時(shí)，除了操縱筒1與線圈座14之間磁流變液產(chǎn)生的阻礙作用外，壓縮彈簧15也隨之下移，下移過程會有腔內(nèi)液體體積的壓縮，壓縮的體積將有柔性殼體3的側(cè)面膨脹進(jìn)行補(bǔ)償，而當(dāng)撤去外力后，線圈斷電，阻尼力消失，操縱筒1會在壓縮彈簧15回彈的作用下恢復(fù)原位。

當(dāng)發(fā)生左右或前后擺動時(shí)，力沿著操縱球18、螺紋筒19、操縱筒1、導(dǎo)向件、阻尼桿5、連接球體7的方向傳遞，最后傳遞到均布的接觸盤，接觸盤2與剛性殼體2間隙中的磁流變液在磁場作用下產(chǎn)生阻尼力阻礙轉(zhuǎn)動，并沿原路反饋給操作者。

當(dāng)發(fā)生混合運(yùn)動時(shí)，則運(yùn)動可分解為上述各運(yùn)動的疊加，原理相同。

最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。