一种用于触觉应用的小型高扭矩磁流变制动器的设计、分析与特性研究

《IEEE Transactions on Haptics》：Design, Analysis, and Characterization of a Small-Scale High-Torque Magnetorheological Brake for Haptic Applications

　　

摘要：

由于磁流变（MR）执行器的扭矩会随着尺寸的减小而迅速下降，因此同时实现高扭矩以提供可靠的动觉反馈以及紧凑的外形以提升用户舒适度仍然具有挑战性。为了解决这一限制，本文提出了一种采用新型双多鼓结构的小型高扭矩MR制动器，适用于触觉应用。在这种结构中，两个相同的多间隙MR剪切区域位于电磁线圈的两侧。一旦施加激励，这两个剪切区域会同时被激活，从而在有限的空间内最大化有效剪切面积。这种结构能够在不牺牲制动器紧凑性的前提下提供显著的扭矩输出。优化后的制动器原型尺寸为?29.2×44毫米，质量为171.5克，峰值扭矩为1165.4毫牛顿米（mN）。其扭矩与体积和扭矩与质量的比值分别为39.6千牛顿/米（kN/m）和6.8毫牛顿/克（mN/g），这些数值均高于其他同等尺寸的MR制动器。在实际应用中，基于该制动器原型制作了一种手持式触觉设备。实验结果表明，该设备能够实现可控的扭矩输出，差异仅为54.18毫牛顿。此外，该制动器的韦伯分数（Weber fraction）为11.91%，这也凸显了其在小型高扭矩触觉执行方面的潜力。