基于电流变液的触觉接口装置研发

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触觉接口装置是一种重要的触觉传递手段,在诸多领域中发挥着重要作用,比如,虚拟现实、遥操作、触觉显示、安全预警领域。随着应用需求不断精细化,对触觉接口装置的性能要求也不断提高。传统主动式触觉接口装置大多采用电机驱动,体积大、能耗高,力反馈调节精度很难满足用户需求,限制了触觉接口装置的应用空间,尤其是在可穿戴触觉接口装置领域。基于电流变液的被动式触觉接口装置,可由外加电场连续、可逆调节力反馈输出特性,且响应速度快、调控方便,能耗小。但目前采用的平板式电极结构调节手段单一,只有电场一个调节参数,缺少细分环节、调节精度不高,柔顺性不足,无法将触觉接口装置应用中细微的力信号反馈给控制系统。  针对上述不足,本论文将交指状电极结构的电流变力反馈系统引入触觉接口装置设计,系统研究了交指状电极结构参数对电流变液屈服强度的影响规律,及相应力反馈装置的力学性能,本论文的创新和特色之处在于将交指状电极结构的非均布电场引入到电流变液触觉接口装置设计,建立了非均布电场各分量对电流变液屈服强度综合作用的数学模型,通过实验研究验证了该模型的正确性,并研究了基于交指状电极结构的电流变液力反馈装置的力学性能,取得了以下研究结果:  1.非均布电场各分量对电流变液屈服强度综合作用的数学模型  本论文采用理论仿真分析与实验研究相结合的方法,建立电流变液在交指状电极结构作用下的各电场分量对电流变液屈服强度的作用模型,即电流变液在交指状电极结构作用下的屈服强度由电流变液工作区域内0.3*abs(es.Ey)+abs(es.Ex)的最小值决定,记作Eeff。为了验证该模型的正确性,采用有限元软件COMSOL仿真分析了电流变液工作区域内Eeff值随交指状电极结构参数的变化规律。从仿真结果可知,在绝缘宽度一定的情况下,电流变液工作区域内的Eeff值随着电极宽度呈现出先快速增加、达到峰值后缓慢下降的趋势;当电极宽度固定的情况下,随着绝缘宽度的增加,Eeff呈现出单调递增趋势。并搭建了交指状电极结构参数对电流变液屈服强度影响规律的实验研究平台。研究结果表明,在低剪切速率区间,电场强度为1.0kV/mm、1.5kV/mm、2.0kV/mm时,电流变液工作区域内Eeff值是影响电流变液在交指状电极结构作用下的屈服强度的主要因素,证实了本论文提出的模型的正确性。值得注意的是,当控制电场的强度增加时,该数值的影响权重有降低的趋势,其作用机理还有待于深入研究。  2.交指状电极结构参数对电流变液屈服强度的影响规律  以非均布电场各分量对电流变液屈服强度综合作用的数学模型为基础,得到了交指状电极结构参数对电流变液屈服强度的影响规律。  3.不同电极结构参数力反馈装置的力学性能研究  为了将交指状电极结构应用于触觉接口装置,本论文设计并搭建了交指状电极结构参数力反馈装置的力学性能实验研究平台,对不同电极结构参数力反馈装置的力学性能进行了测试,测试结果表明,对于剪切速率为1059.751/s,电场强度为1.0kV/mm时,交指状电极结构的电极宽度对电极结构参数力反馈装置的ΔPER基本没有影响;电场强度为2.0、3.0kV/mm时,电极结构参数力反馈装置的ΔPER随电极宽度的变化趋势基本一致,且电极结构参数力反馈装置的ΔPER在电极宽度1.0mm处取得最小值。在剪切速率2119.51/s,电场强度为1.0、2.0、3.0kV/mm,绝缘宽度为1.0mm的测试条件下,随着电极宽度增加交指状电极结构参数力反馈装置的ΔPER的绝对值逐渐缩小、趋近于零,呈现出近似指数规律的变化,其作用机理还有待于进一步研究。上述实验结果为设计基于交指状电极结构参数的电流变力反馈装置提供数据支撑。
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