在这篇文章中,研究人员提出了一种微型触觉旋钮,它可以在消费电子设备中产生扭矩反馈。为了开发所提出的触觉旋钮,研究人员使用磁流变液(MR)。当输入电流施加到螺线管线圈时,磁场导致磁流变液粘度的变化。这一变化允许所提出的触觉旋钮产生一个阻性扭矩。研究人员优化了触觉旋钮的结构,其中MR流体的两种工作模式同时驱动。采用有限元法进行磁路模拟和阻性转矩模拟,并根据转速和外加电流测量阻性转矩及其转矩率。结果表明,所提出的触觉旋钮产生足够的力矩反馈来刺激用户,并产生各种触觉感觉。


相关论文以题为“A Tiny Haptic Knob Based on Magnetorheological Fluids”发表在《Applied Sciences》上。


研究人员研发微型触觉旋钮,可大量应用于电子设备中!


研究背景


目前,在许多消费电子设备中,旋钮通常被用来处理和操纵几种功能。因为旋钮界面没有开始和结束的位置(只有一个旋转方向),用户可以相对地识别出按顺序列出的数值或项目。由于这个原因,旋钮界面比其他输入界面(如按钮或开关)更容易进行精确的控制,这些输入界面通常用于执行“开/关”功能。在设计输入设备时,最重要的因素之一是通过触觉向用户提供及时和有用的响应。让研究人员考虑这样一种情况,司机在驾驶过程中使用触觉旋钮操纵导航菜单,其中包含10个子菜单。如果每次光标遇到导航菜单中的新子菜单时,触控旋钮都会产生一个触控脉冲,驾驶员就可以更直观地控制菜单,减少对视觉的依赖。此外,如果所提议的旋钮根据目标提供不同的阻性扭矩,则该旋钮可以成为更好的输入接口。


历史研究


历史上已经存在了几项关于触觉旋钮的研究。Badescu等人提出了一种使用直流电机和制动器的旋转触觉旋钮。Kim等人提出了使用直流电机进行多模态建模的触觉拨号盘系统。他们还开发了一种基于触觉旋钮的遥控器,可以直观地与目标设备进行交互。Chapuis等人提出了一种使用超声电机和功率离合器触觉旋钮。MacLean等人确立了手持触控设备的设计原则,开发了一种触控旋钮,并基于触控旋钮实现了便携式手持设备。Hua等人提出了一种低成本的单自由度(1-DOF)触觉旋钮,可用于康复或虚拟训练。尽管这些研究中的装置被设计为提供各种扭矩反馈,但它们太大了,无法插入微型消费电子设备中。


一种可能的方法来构建一个微小的触觉旋钮(或旋转型触觉致动器)是使用磁流变液(MR)。基于MR流体的触觉致动器有几个优点。一个优点是基于磁流变液的驱动器是被动操作的;因此,执行机构不存在不稳定问题。另一个优点是,基于磁流变液的驱动器不仅可以自由开发,还可以在低输入电压的情况下实时产生高阻力/扭矩。基于这些原因,许多研究人员都致力于利用磁流变液开发旋转型触觉致动器。


研究目的


MR流体有三种工作模式:流动模式、剪切模式和挤压模式。在流动模式下,磁流变液在两个固定板之间流动。在剪切模式下,磁流变液在相对运动的两块板块之间流动。在挤压模式下,磁流变液由于垂直的外法向力而抵抗磁极的法向位移。为了使磁流变液在微型设备中产生的阻性扭矩最大化,研究人员必须考虑一种新的结构,在这种结构中,磁流变液的多种工作模式同时参与驱动。在本文中,研究人员提出了一种触觉旋钮,磁流变液的两种模式(流动和剪切)可以同时产生触觉感受,从而产生足够大的阻性扭矩来刺激用户。通过实验来评估所提出的模块的触觉性能。结果表明,所产生的阻性转矩可以通过施加电流来控制,所提出的触觉旋钮可以产生多种触觉感觉。


触觉旋钮的结构


所提出的触觉旋钮由表盘、外壳盖、转轴、螺线管线圈和外壳组成,如图1a所示。电磁线圈被插入外壳,磁流变液被倒入外壳,转轴被插入外壳。接下来,研究人员用注射器将磁流变液注入壳体内,填充转轴和壳体之间的空隙(图1b)。转轴上有一个外伸部分连接机壳盖。研究人员通过悬挑将外壳盖安装到外壳上并粘接(图1c),然后将表盘紧紧粘接到转轴的悬挑上,同时保持表盘和外壳盖之间有一个小间隙(图1d)。图1e显示了图1d的剖面图。在这种结构下,当用户旋转表盘时,转轴也随之旋转(图1f)。


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图1.所提议的触觉旋钮的示意图和截面图:(a-c)所提议的触觉旋钮的装配过程;(d)组装触觉旋钮;(e)其横断面视图,(f)旋转时提议的触觉旋钮示意图


转轴及壳体设计


壳体有一个空心槽,用于电磁线圈的适应,如图2a所示。它的表面有细长的沟槽和枢轴,枢轴用来对准转轴并引导转轴转动,如图2b所示。转轴被设计成紧密地插入壳体;在壳体和转轴之间也保持了恒定的间隙。磁流变液完全填充空隙,产生阻性扭矩反馈。图2c显示了装有螺线管线圈、转轴和外壳盖的外壳的剖面图。研究人员在转轴上钻了一个孔,把它放在壳体的枢轴上(图2d)。轴的旋转引起缝隙中的磁流变液的移动。研究人员在转轴的内表面加入了细长的凸点以加速磁流变液的流动(图2e)。


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图2.壳体与转轴的详细结构,以及与电磁线圈的组合工艺:(a)壳体与电磁线圈的组合工艺;(b)转轴与壳体结合的工艺;(c)装有电磁线圈、转轴和壳体盖的壳体的剖面图;(d)转轴底视图;(e)转轴表面细长的凸点。


壳体内存在斜面,其斜角定义为ϴ。斜面夹角(ϴ)越大,缝隙的总面积越大。因此,斜角影响触觉旋钮的触觉性能(力矩反馈)。为了找到最佳的斜角,研究人员模拟了电阻转矩随斜角变化的情况。图3a显示了由所提出的触觉旋钮产生的阻性扭矩的仿真结果。可以看出,电阻转矩随着斜面角度的增大而增大。虽然斜90°角增加的触觉性能提出了触觉旋钮,很难做出大幅雕刻的形状(图2 bⓐ)。当壳体倾斜角度超过80°时,阻性转矩没有显著增加。因此,研究人员选择了斜角80°。


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图3.模拟电阻扭矩作为(a)斜面斜角和(b)间隙厚度的函数。


壳体和转轴之间的间隙厚度(gt)(图2c)是使所提出的触觉旋钮性能最大化的重要因素。因此,有必要研究触觉旋钮的阻性扭矩与间隙厚度在固定斜角为80°时的函数关系。图3b显示了在无间隙厚度(黑线,初始状态)和施加电流(红线,工作状态)的情况下,触觉旋钮模拟的阻性扭矩。随着间隙厚度的减小,所提出的触觉旋钮的阻性力矩变得更强。结果表明:阻性转矩随间隙厚度的增大而急剧减小;理想的触感旋钮应该没有电阻扭矩时,没有输入电流。当间隙厚度超过0.12 mm时,其初始状态(无电流状态)的阻性转矩足够小,几乎不变,其工作状态(电流为250 mA时)的操作阻性转矩足以产生各种触觉感受。因此,研究人员将间隙厚度设置为0.12 mm。


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图4.磁动势根据电磁线圈的线材直径和有限的功耗。


研究结果


测量转矩反馈该触觉旋钮,研究人员构造了一个实验装置组成的个人电脑(PC),一个直流电机驱动,电源,控制电路,负载细胞,轴手臂,拟议的触觉旋钮,耦合器,和一个直流电机,如图5所示。所提出的触觉旋钮的拨盘使用耦合器与直流电动机紧密连接,而轴臂与所提出的旋钮相连。当直流电机开始转动时,拨盘和转轴也一起转动。施加的电流使触觉旋钮中的磁流变液凝固并停止直流电机。触觉旋钮中的扭矩反馈通过轴臂传送到测压元件。将测力元件测得的数据乘以轴臂的长度(r)来计算阻性扭矩。最后,将计算得到的阻性转矩保存到PC机上。


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图5.实验设置所提出的驱动器。


研究人员测量了所提出的触觉旋钮的阻性扭矩,作为施加电流及其转速的函数。结果表明(图6),其电阻转矩随外加电流和转速的增大而增大。当角速度为90°/s时,最大阻转矩范围为0.74 N∙mm(无外加电流)至5.61 N∙mm(最大电流为250 mA)。通过测量所提出的触觉旋钮的阻性力矩作为输入频率的函数,研究了所提出的触觉旋钮的带宽。图7显示了它的带宽结果。


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图6.所提出的驱动器的实验结果。


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图7.测量提出的触觉旋钮的带宽。


结论


研究人员提出了一种基于磁流变液的微型旋转运动致动器(触觉旋钮)。为了最大化扭矩反馈,研究人员设计了一个触觉旋钮,其中磁流变液的两种操作模式有助于触觉驱动。通过实验来评估所提出的触觉旋钮的性能。结果表明,所测得的阻性转矩与外加电流及其转速成正比。此外,它的触觉性能涵盖了人类可以可靠区分的扭矩差阈值(扭矩JND)。这意味着研究人员可以通过施加电流来控制所提出的触觉旋钮的阻性扭矩,并将其用作许多消费电子设备中与虚拟物体交互的触觉接口。为了进一步改进,研究人员提出了一种新的结构,其中磁流变液的三种工作模式有助于同时驱动触觉旋钮。研究人员也希望开发一种触觉渲染方法,为用户提供真实的触觉/扭力感觉。研究人员希望这种触觉旋钮可以应用于各种应用,比如智能汽车上的拨号旋钮,或者鼠标的可调节轮。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/15/5118/htm



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