适用于力反馈数据手套的被动力觉驱动器 (2010年)

力反馈数据手套是人机交互领域的重要技术，它允许用户通过穿戴手套与计算机中的虚拟环境互动，从而使操作者的触觉感受得到模拟。与传统的人机交互设备（如键盘、鼠标）相比，力反馈数据手套通过触觉反馈增加了交互的真实感和沉浸感。 传统的力反馈数据手套存在一些限制，例如安全性差、力再现范围小等问题。为了克服这些不足，本研究提出了一种基于磁流变液的被动力觉驱动器的设计方法。磁流变液（Magneto-rheological Fluid, MRF）是一种智能液体材料，其特殊性能在于能够在毫秒级时间内，连续且可逆地在牛顿流体状态和类似固体状态之间转变，这一转变取决于是否有磁场的存在。 磁流变液被动力觉驱动器的核心思想是利用磁流变液的这种特性，设计出一种驱动器，以增强数据手套的安全性和力反馈的准确性和范围。通过合理设计，这种驱动器的输出力稳定性得到了增强，通过多旋转片结构，输出力可以增大两倍。在实验验证阶段，研究者们利用研发出的驱动器原型构建了单手指力反馈数据手套，并进行了初步实验。实验结果表明，基于磁流变液的被动力觉驱动器确实能有效地传递力，从而提高了输出力的稳定性和安全性，同时显著扩大了力再现的范围。 磁流变液的这种可逆的流变性质使得它非常适合作为力反馈设备的驱动元件。在没有磁场作用时，磁流变液具有低粘度，可以自由流动；而当磁场作用于其上时，液体会变得黏稠甚至形成固体状，这一特性使得磁流变液可以作为执行元件，进行精确的力控制。 本研究中，利用电磁场有限元分析方法对驱动器的电磁特性进行了分析，并在此基础上建立了驱动器的动力学模型，以优化其性能。研究还讨论了输出力的动态范围，并进行了实验验证，实验结果证明了基于磁流变液的被动力觉驱动器在实际应用中是有效的。 关键词“被动力觉驱动器”指的是这种驱动器在施加力时不是直接由电机驱动，而是利用外部物理刺激（如磁场）来改变内部材料状态，从而间接传递力的设备。关键词“磁流变液”和“力反馈数据手套”则分别指出了这种技术的应用材料和应用场景。 研究成果不仅在技术上具有创新性，为力反馈数据手套的发展提供了新的方向，而且在实际应用中具有广泛的可能性，特别是在需要高度逼真触觉反馈的场合，如虚拟现实(VR)、机器人远程控制、游戏互动等领域。此外，该技术的安全性、稳定性和力反馈范围的提升，使得它在教育、培训、康复医疗等领域也有潜在的应用前景。