磁流变力反馈式数据手套设计与反馈力控制研究

发布时间：2020-10-22 00:45

　　 本文以磁流变力反馈数据手套为研究对象,开展了机械结构设计、电流控制器仿真分析、反馈力控制策略以及实验研究等,本文完成的主要工作归纳如下:1.本文设计了一种使用磁流变阻尼器作为力反馈装置的新型力反馈数据手套,并对其力反馈装置和传动方案进行了详细阐述。首先介绍了人手手指的生物结构和关节耦合运动规律,设计了力反馈数据手套的手指抓握角度测量机构。利用ANASYS有限元仿真软件对磁流变阻尼器进行了磁场仿真分析以确保其可以产生足够的反馈力。2.本文对磁流变力反馈数据手套电流控制器进行了初步研究,首先对电流控制器的硬件进行设计,对BUCK电路进行较为详尽的分析,然后运用状态空间平均法对BUCK开关电路进行建模分析,最后在SIMULINK中搭建了仿真平台,对比电路仿真结果和运用状态空间平均法建模所得的仿真结果,验证了BUCK电路状态空间平均法建模的有效性和可行性。3.本文运用MATLAB系统辨识工具箱对磁流变阻尼器进行了传递函数参数辨识,得到了磁流变力反馈数据手套反馈力控制的理论模型。设计了基于常规PID控制与自适应模糊PID控制的磁流变力反馈数据手套反馈力控制策略,在SIMULINK中建立了两种控制策略的仿真模型,并且对两种控制策略的仿真结果进行了对比。对比结果表明,自适应模糊PID控制具有比常规PID控制更好的控制效果。4.本文搭建了磁流变力反馈数据手套的实验平台。首先,进行了薄膜压力传感器的标定实验,标定结果表明,薄膜压力传感器呈现出较好的线性关系;其次,对磁流变阻尼器进行了实验研究,实验结果表明,磁流变阻尼器具有较好的控制效果,并且实验结果和仿真结果基本吻合;最后,进行了磁流变力反馈数据手套抓握实验,实验结果表明,反馈力在不超过人手承受的抓握力的范围内具有较好的稳定性和跟踪性,磁流变力反馈数据手套的极限抓握角度证明了角度测量机构的正确性。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TS941.724;TN60;TP273
【部分图文】：

1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状日本东京大学S. Nakagawara等人于2005年开发了一款如图1.1所示的力反馈主手用于远程控制从端灵巧手[16]。为了克服力反馈装置体积较大的难题，选用了绳索传动机构，通过扇形齿轮中心轴上的一个滑轮将一条线连接在两个连杆之间。该主手有两个特点：覆盖操作者手指大部分操作空间的外骨骼环形接头机构；另一个特点是力反馈功能，其使得操作者手指的自由运动和自然接触感觉成为可能。图 1.1 力反馈主手 图 1.2 20 自由度便携式触觉反馈主手Fig 1.1 Force-feedback master hand Fig 1.2 Aportable hapic master hand with 20DOF荷兰夫特理工大学 Mark J. Lelieveld 等人于 2006 年研制了一种两种工作模式的便携式 20 度外骨骼力反馈数据手套如图 1.2 所示[17]。模式 A 是一个静态平衡的触觉界面，带有滚动连杆机构 RLM 和一个集成恒力矩弹簧，用于主动力反馈；模式 B 是在 RLM 上利用制动器进行被动力反馈。该装置使用了远程驱动模块来克服电机重量和尺寸太大无法直接放在操作者手上的缺点，这种驱动方式的不足之处是力传输绳索会增加摩擦

图 1.1 力反馈主手 图 1.2 20 自由度便携式触觉反馈主手Fig 1.1 Force-feedback master hand Fig 1.2 Aportable hapic master hand with 20DOF荷兰夫特理工大学 Mark J. Lelieveld 等人于 2006 年研制了一种两种工作模式的便携式 20 度外骨骼力反馈数据手套如图 1.2 所示[17]。模式 A 是一个静态平衡的

MRAGES外骨骼力反馈手套Fig1.3MRAGESexoskeletonglove
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本文编号：2850837