CN107340783A - 基于磁流变液的二自由度触觉遥控器及其操控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于磁流变液的二自由度触觉遥控器及操控方法，遥控器包括手柄、球形壳体、电磁制动器、用于控制手柄前后转动的第一磁流变液阻尼器、第一角度传感器、第二角度传感器和两个底座，以及用于控制手柄左右转动的第二磁流变液阻尼器和第三磁流变液阻尼器；球形壳体的球心与供手柄前后转动及左右转动的两个旋转轴的交点重合。本发明操作手柄旋转时，根据角度传感器检测到的旋转角大小来控制线圈电流大小，从而手柄能够感觉到力的改变，根据手感觉到的力的大小来控制无人机飞行速度和高度，控制方式简单，操作方便，增加操作的趣味性，实现了人机交互。

Description

基于磁流变液的二自由度触觉遥控器及其操控方法

技术领域

本发明涉及无人机飞行遥控领域，特别涉及一种基于磁流变液的二自由度触觉遥控器及其操控方法。

背景技术

随着农业现代化的发展，农业航空技术应用日益广泛，无人机在农业生产中发挥着越来越重要的、不可替代的作用，一般的无人机遥控器长时间操作会造成疲劳且需要较高的操作水平；另外，利用无人机防治农作物病虫害是一种新技术新手段，然而无人机远程变量喷雾控制方面仍采用一般的遥控控制，操作者在远处操作时对喷雾量控制缺乏感性认识。

发明内容

为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供一种基于磁流变液的二自由度触觉遥控器，不仅易于实现无人机的飞行操控，而且能够实现远程变量喷雾，具有良好的用户体验效果，通用性强，使用方便且安全可靠。

本发明还提供基于磁流变液的二自由度触觉遥控器的操控方法。

本发明遥控器采用如下技术方案：基于磁流变液的二自由度触觉遥控器，包括手柄、球形壳体、电磁制动器、用于控制手柄前后转动的第一磁流变液阻尼器、第一角度传感器、第二角度传感器和两个底座，以及用于控制手柄左右转动的第二磁流变液阻尼器和第三磁流变液阻尼器；球形壳体的球心与供手柄前后转动及左右转动的两个旋转轴的交点重合，第一磁流变液阻尼器两端分别通过第一角度传感器、电磁制动器与球形壳体的内侧连接；第二磁流变液阻尼器和第三磁流变液阻尼器分别设置在球形壳体的两外侧，第二磁流变液阻尼器与一个底座直接相连，第三磁流变液阻尼器与第二角度传感器相连后与另外一个底座连接。

优选地，所述第二磁流变液阻尼器或第三磁流变液阻尼器包括轴、线圈、阻尼器左侧壳体、阻尼器右侧壳体、中间盘片、与阻尼器左侧壳体配合的内盘片以及与阻尼器右侧壳体配合的盘片；线圈绕设在内盘片一端的轴肩上，内盘片外端伸出的圆环形盘片与阻尼器左侧壳体内表面的圆环形凹槽相配合，阻尼器左侧壳体固定到球形壳体的外侧；与阻尼器右侧壳体相配合的盘片通过轴夹紧，且该盘片的内端面与中间盘片、线圈贴紧，阻尼器右侧壳体与第二角度传感器连接；中间盘片嵌套在线圈侧面；磁流变液充满中间盘片、内盘片以及与阻尼器右侧壳体配合的盘片与阻尼器壳体之间的间隙中。

优选地，所述中间盘片两侧设有圆环形盘片；位于中间盘片两侧的圆环形盘片的外环设有若干个用于将圆环形盘片固定在阻尼器壳体的凸起，圆环形盘片外环上的凸起由外环的局部边缘沿圆环形盘片的径向向外延伸而成；中间盘片包括第一圆环形盘片和第二圆环形盘片，第一圆环形盘片的外环半径等于第二圆环形盘片的内环半径，第一圆环形盘片嵌套于第二圆环形盘片内，第一圆环形盘片的轴向高度大于第二圆环形盘片的轴向高度，第一圆环形盘片上设有若干个用于将中间盘片固定在阻尼器壳体的凸起，凸起从第一圆环形盘片端面的局部边缘沿第一圆环形盘片的轴向向外延伸而成。

优选地，所述与阻尼器左侧壳体配合的内盘片包括一底片，以及设置在底片上的转轴，底片上设有多个半径不等的圆环形盘片，内盘片通过转轴与轴承连接后与阻尼器壳体连接，圆环形盘片及底片与磁流变液接触。

优选地，所述与阻尼器右侧壳体配合的盘片包括一圆环形底片，以及从该圆环形底片的表面沿轴向延伸出来的多个半径不等的圆环形盘片，圆环形底片及圆环形盘片均与磁流变液接触。

优选地，所述第一磁流变液阻尼器包括两个盘片轴、线圈、阻尼器壳体，线圈绕设在两个盘片轴相配合的两段轴上，盘片轴的两端面分别通过轴承与阻尼器壳体连接，盘片轴的盘片分别与阻尼器壳体内表面配合，线圈的侧面嵌套有中间盘片，中间盘片被两个盘片轴夹紧，并通过设置在中间盘片边缘的凸起固定；中间盘片的两侧分别设有圆环形盘片，圆环形盘片固定在阻尼器壳体上，其轴向位置通过设置在圆环形盘片边缘的凸起固定；磁流变液充满中间盘片、圆环形盘片与阻尼器壳体之间的间隙中。

本发明操控方法基于上述基于磁流变液的二自由度触觉遥控器，其中手柄包括左手柄和右手柄，操控方法的步骤如下：

S1、左手柄向前摇，无人机垂直起飞；

S2、右手柄向前摇，无人机向前飞行；

S3、右手柄向后摇，无人机向后飞行；

S4、右手柄向左摇，无人机向左飞行；

S5、右手柄向右摇，无人机向右飞行；

S6、左手柄向左摇，无人机左旋；

S7、左手柄向右摇，无人机右旋；

在左手柄或右手柄的操作过程中，根据第一角度传感器或第二角度传感器检测的手柄旋转角的大小来控制第一磁流变液阻尼器、第二磁流变液阻尼器的线圈电流，从而控制旋转阻尼力的大小，旋转角度越大，电流越大，磁场强度越大，旋转阻尼力增加，手柄上感受的力将越大；另外通过第三磁流变液阻尼器及电磁制动器来制动手柄转动，这样无人机在定高、匀速飞行或自旋时可以松开手柄。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1.本发明利用手柄旋转角控制磁流变液阻尼器电磁线圈电流，利用力的再现实现触觉控制，控制简单，可操作性强。

2.本发明利用磁流变液在磁场作用下会变成固体或半固体状态，在撤去磁场后又恢复液体状态，且该过程迅速可逆的特点，可以实现快速控制，时滞性低，安全可靠。

3.本发明能够实现无人机的飞行控制，在定高匀速飞行时双手可以稍作休息，并且可以实现远程变量喷雾，操作时让人在触觉上有所感受，使操作者具有感性认识，实现人机交互，具有良好的用户体验效果，增加了操作的趣味性。

附图说明

图1是本发明基于磁流变液的二自由度触觉遥控器的结构示意图；

图2是本发明基于磁流变液的二自由度触觉遥控器的爆炸图；

图3是本发明用于控制手柄左右转动的磁流变液阻尼器的剖切图；

图4是本发明用于控制手柄左右转动的磁流变液阻尼器的环形盘片的结构示意图；

图5是本发明用于控制手柄左右转动的磁流变液阻尼器的中间盘片的结构示意图；

图6是本发明用于控制手柄左右转动的磁流变液阻尼器的内盘片的结构示意图；

图7是本发明用于控制手柄左右转动的磁流变液阻尼器的壳体的结构示意图；

图8是本发明用于控制手柄左右转动的磁流变液阻尼器的工作原理图；

图9是本发明用于控制手柄前后转动的磁流变液阻尼器的剖切图；

图10是本发明用于控制手柄前后转动的磁流变液阻尼器的工作原理图；

图11、12是本发明的操控流程图；

其中：1—底板；2、10—底座；3、5、8—磁流变液阻尼器；4—球形壳体；6—电磁制动器；7—手柄；9、11—角度传感器；301、501、515、801—螺母；306、307、313、805、813、512、504、302—轴承；303、502、514、802—轴承盖；304、710、718、803—M3螺钉；305、316、505、513、804、817—磁流变液阻尼器壳体；308、511、806、503—环形磁铁；506、510—盘片轴；318、808-轴；309、310、312、507、509、807、809、811—盘片；311、508、810—中间盘片；314、815—内盘片；315、816—M4螺钉；317、818—扇热扇；516、819—磁感线；517、820—磁流变液；518、821—线圈；701、702—导杆；703—活塞；704、709—弹簧；705—滑块；706—手柄；707—复位按钮；708—销钉；711、713—密封垫片；712、716—电磁线圈；714—环形芯管；715—圆柱形外壳；717—底盖。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本发明为一种无人机飞行的遥控器，利用磁流变液的磁流变效应及其可逆特性，手柄旋转不同角度时，能够感受到不同大小的力，其结构如图1、2所示，包括底板1，以及设置在底板上的手柄7、球形壳体4、电磁制动器6、第一磁流变液阻尼器5、第二磁流变液阻尼器3、第三磁流变液阻尼器8、第一角度传感器11及第二角度传感器9，第一磁流变液阻尼器5用于控制手柄前后转动，第二磁流变液阻尼器3和第三磁流变液阻尼器8用于控制手柄左右转动，手柄设有供前后转动和左右转动的两个旋转轴。球形壳体为半球形，内部挖空，球形壳体的球心与手柄的两个旋转轴交点重合，球形壳体的两侧面安装有扇热扇317和扇热扇818，且球形壳体两侧面开有通风槽。手柄7与第一磁流变液阻尼器5顶端通过燕尾槽连接，第一磁流变液阻尼器5两端分别通过第一角度传感器11、电磁制动器6与球形壳体4的内侧连接；手柄7位于球形壳体内，在第一角度传感器11与电磁制动器6之间。第二磁流变液阻尼器3和第三磁流变液阻尼器8分别设置在球形壳体的两外侧，第二磁流变液阻尼器3与底座2直接相连，第三磁流变液阻尼器8与第二角度传感器9相连后与另外一个底座10连接，两个底座通过螺钉固定在底板上。

与球形壳体外侧相连的两个磁流变液阻尼器，即第二磁流变液阻尼器3和第三磁流变液阻尼器8，内部盘片结构相同，内部安装有微型温度传感器，采用磁流变液密封，阻尼器外壳上开设有孔，与磁流变液腔室连通，可通过该孔添加磁流变液。如图3-8所示，以第三磁流变液阻尼器为例，为包括内盘片815、轴、线圈821的多片式磁流变液阻尼器，线圈821绕设在内盘片815的轴肩上，内盘片815外端伸出的两个圆环形盘片与磁流变液阻尼器壳体817(也叫磁流变液阻尼器左侧壳体)内表面的两个圆环形凹槽相配合，磁流变液阻尼器壳体817通过螺钉816固定到球形壳体的外侧面；盘片807与磁流变液阻尼器壳体804(也叫磁流变液阻尼器右侧壳体)相配合，外端面通过轴808的凸肩压紧且内端面与中间盘片810、线圈821贴紧，盘片807外端伸出的两个圆环形盘片与磁流变液阻尼器壳体804内表面的两个圆环形凹槽相配合，磁流变液阻尼器壳体804与第二角度传感器9连接；磁流变液阻尼器壳体817上还固定有盘片809、811和中间盘片810，盘片809和盘片811位于中间盘片810的两侧，盘片809、810、811嵌套在线圈821的侧面。另外，内盘片815左侧面伸出一段短轴，通过内部的轴承轴向定位，该内盘片另一端开设有磁流变液电磁线圈引线槽；轴808为空心轴，一端通过螺纹与内盘片815连接，另外一端通过轴承805和轴承盖802定位；磁流变液电磁线圈的引线通过空心轴引出。磁流变液820充满盘片809、810、811、815、807与磁流变液阻尼器壳体之间的间隙中，位于磁感线819的分布区域，盘片增加了磁流变液阻尼器与磁流变液的接触面积。

盘片809和盘片811均为圆环形盘片，外环设有若干个用于将盘片固定在磁流变液阻尼器壳体的凸起(如3个或4个)，凸起由外环的局部边缘沿圆环形盘片的径向向外延伸而成。而中间盘片810包括两个相叠加的第一圆环形盘片和第二圆环形盘片，第一圆环形盘片的外环半径等于第二圆环形盘片的内环半径，第一圆环形盘片嵌套于第二圆环形盘片内，第一圆环形盘片的轴向高度大于第二圆环形盘片的轴向高度；第一圆环形盘片上设有若干个用于将中间盘片固定在磁流变液阻尼器壳体的凸起(3-4个)，凸起从第一圆环形盘片端面的局部边缘沿第一圆环形盘片的轴向向外延伸而成。中间盘片810可一体成型，第二圆环形盘片从第一圆环形盘片的外侧沿径向向外延伸形成。内盘片815包括一底片，以及设置在底片上的转轴，底片上设有多个半径不等的圆环形盘片，内盘片通过转轴与轴承813连接后与磁流变液阻尼器左侧壳体817连接，圆环形盘片及底片与磁流变液接触。盘片807包括一圆环形底片，以及从该圆环形底片的表面沿轴向延伸出来的多个半径不等的圆环形盘片，圆环形底片及圆环形盘片均与磁流变液接触，增加接触面积。

与手柄相连的磁流变液阻尼器，即第一磁流变液阻尼器5，为包括盘片轴506、510、线圈518的多片式磁流变液阻尼器，线圈绕设在盘片轴506、510相配合的两段轴上，如图9、10所示，盘片轴506、510的盘片分别与磁流变液阻尼器壳体505、513内表面配合，线圈的侧面嵌套有中间盘片508，中间盘片被两个盘片轴506、510夹紧，并通过设置在中间盘片边缘的凸起固定，防止中间盘片旋转。中间盘片508的两侧分别设有圆环形盘片509和圆环形盘片507，圆环形盘片507、509固定在磁流变液阻尼器壳体505、513上，其轴向位置通过设置在圆环形盘片边缘的凸起固定，盘片轴的位置通过轴承及轴承盖来固定，并且可以通过添加轴承盖垫片来调节。磁流变液517充满盘片507、508、509与磁流变液阻尼器壳体之间的间隙中，位于磁感线516的分布区域，盘片增加了磁流变液阻尼器与磁流变液的接触面积。磁流变液阻尼器采用磁流变液密封，磁流变液阻尼器壳体在与盘片轴接触的位置设有内螺纹，在该内螺纹相邻处安装环形磁铁，磁流变液从内部流出经过盘片轴与壳体内表面缝隙时会固化从而起到密封作用。

如图11、12，在本实施例中，二自由度手柄装置包括两个，即左手柄和右手柄，控制无人机时分别用左右手操纵两个手柄，手柄的轴线通过遥控器的两个旋转轴交点，这样旋转时，旋转方向两边的受力对称，左手柄旋转一个角度，角度传感器检测到角度变化，利用角度变化来控制磁流变液阻尼器中的线圈电流，旋转角度越大，电流越大，磁场强度越大，盘片间隙中的磁流变液固化，盘片间旋转阻尼力增加，感受到阻力即是触觉，此时可以控制无人机垂直起飞，无人机高度越高，向前推动手柄的阻力越大，即有不一样的触觉，无人机飞到指定高度时，给磁流变液阻尼器线圈加一个大电流，磁流变液阻尼器中的磁流变液由液态转变为固态，粘度增大，此时磁流变液阻尼器起制动的作用，左手柄难以用手转动，可以松开左手柄，此时，无人机在空中悬停。向前转动右手柄，无人机向前飞行，同理，随着旋转角度增大，飞行速度增加，转动手柄的力增加，给磁流变液阻尼器的电磁线圈加上一个大电流，用手难以转动右手柄，无人机以特定速度向前飞行，此时可以松开右手，去掉磁流变液阻尼器电磁线圈的电流，磁流变液恢复液体状态，转动右手柄回到中间位置，无人机悬停，控制无人机向后飞行与向前飞行同理，只是向后旋转手柄。无人机悬停时，转动右手柄向左旋转，无人机向左飞行，此时角度传感器检测角度变化，利用角度大小来控制磁流变液阻尼器中的线圈电流，与向前飞行同理，旋转角度越大，飞行速度越快，转动手柄的力越大，即人有不一样的触觉，此时利用电磁制动器制动，右手柄无法左右旋转，无人机以特定速度向左飞行，无人机向右飞行与向左飞行控制方法一样；无人机悬停时，向左旋转左手柄，无人机左旋，旋转角度越大，角度传感器检测的角度越大，磁流变液阻尼器线圈的电流越大，转动左手柄的力越大，此时无人机左旋速度越大，无人机右旋与左旋同理；无人机悬停时，断开磁流变液阻尼器线圈的电流，向后转动左手柄，无人机慢慢降落，当无人机着地时，左手柄复位。

在操控飞机飞行时，飞机需要定高飞行时，左手柄向前摇到一个位置，与球形壳体相连的其中一个磁流变液阻尼器线圈通上较大电流，手柄不能前后旋转，保持定高飞行，当飞机达到一个飞行速度时，采用电磁制动器磁流变液阻尼器制动手柄旋转，飞机便可保持这个速度飞行，这样可以让双手得到放松休息。

本发明所用轴承都选用橡胶轴承，以免磁流变液泄露进入轴承内部而被磁化，造成堵转。在无人机手柄的操作过程中，根据角度传感器检测的手柄旋转角的大小来控制磁流变液阻尼器线圈电流，从而控制旋转阻尼力的大小，旋转角度越大，手柄上感受的力越大，即有不一样的触觉，根据触觉感受就能判断无人机飞行高度及飞行速度的大小，当磁流变液阻尼器线圈发热量过多时，温度传感器测得温度超过预警时扇热扇启动，进行散热。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于磁流变液的二自由度触觉遥控器，其特征在于，包括手柄、球形壳体、电磁制动器、用于控制手柄前后转动的第一磁流变液阻尼器、第一角度传感器、第二角度传感器和两个底座，以及用于控制手柄左右转动的第二磁流变液阻尼器和第三磁流变液阻尼器；球形壳体的球心与供手柄前后转动及左右转动的两个旋转轴的交点重合，第一磁流变液阻尼器两端分别通过第一角度传感器、电磁制动器与球形壳体的内侧连接；第二磁流变液阻尼器和第三磁流变液阻尼器分别设置在球形壳体的两外侧，第二磁流变液阻尼器与一个底座直接相连，第三磁流变液阻尼器与第二角度传感器相连后与另外一个底座连接。

2.根据权利要求1所述的基于磁流变液的二自由度触觉遥控器，其特征在于，所述第二磁流变液阻尼器或第三磁流变液阻尼器包括轴、线圈、阻尼器左侧壳体、阻尼器右侧壳体、中间盘片、与阻尼器左侧壳体配合的内盘片以及与阻尼器右侧壳体配合的盘片；线圈绕设在内盘片一端的轴肩上，内盘片外端伸出的圆环形盘片与阻尼器左侧壳体内表面的圆环形凹槽相配合，阻尼器左侧壳体固定到球形壳体的外侧；与阻尼器右侧壳体相配合的盘片通过轴夹紧，且该盘片的内端面与中间盘片、线圈贴紧，阻尼器右侧壳体与第二角度传感器连接；中间盘片嵌套在线圈侧面；磁流变液充满中间盘片、内盘片以及与阻尼器右侧壳体配合的盘片与阻尼器壳体之间的间隙中。

3.根据权利要求2所述的基于磁流变液的二自由度触觉遥控器，其特征在于，所述中间盘片的两侧设有圆环形盘片；位于中间盘片两侧的圆环形盘片的外环设有若干个用于将圆环形盘片固定在阻尼器壳体的凸起，圆环形盘片外环上的凸起由外环的局部边缘沿圆环形盘片的径向向外延伸而成。

4.根据权利要求2所述的基于磁流变液的二自由度触觉遥控器，其特征在于，所述中间盘片包括第一圆环形盘片和第二圆环形盘片，第一圆环形盘片的外环半径等于第二圆环形盘片的内环半径，第一圆环形盘片嵌套于第二圆环形盘片内，第一圆环形盘片的轴向高度大于第二圆环形盘片的轴向高度，第一圆环形盘片上设有若干个用于将中间盘片固定在阻尼器壳体的凸起，凸起从第一圆环形盘片端面的局部边缘沿第一圆环形盘片的轴向向外延伸而成。

5.根据权利要求4所述的基于磁流变液的二自由度触觉遥控器，其特征在于，所述中间盘片一体成型，第二圆环形盘片从第一圆环形盘片的外侧沿径向向外延伸形成。

6.根据权利要求2所述的基于磁流变液的二自由度触觉遥控器，其特征在于，所述与阻尼器左侧壳体配合的内盘片包括一底片，以及设置在底片上的转轴，底片上设有多个半径不等的圆环形盘片，内盘片通过转轴与轴承连接后与阻尼器壳体连接，圆环形盘片及底片与磁流变液接触。

7.根据权利要求2所述的基于磁流变液的二自由度触觉遥控器，其特征在于，所述与阻尼器右侧壳体配合的盘片包括一圆环形底片，以及从该圆环形底片的表面沿轴向延伸出来的多个半径不等的圆环形盘片，圆环形底片及圆环形盘片均与磁流变液接触。

8.根据权利要求1所述的基于磁流变液的二自由度触觉遥控器，其特征在于，所述第一磁流变液阻尼器包括两个盘片轴、线圈、阻尼器壳体，线圈绕设在两个盘片轴相配合的两段轴上，盘片轴两端面分别通过轴承与阻尼器壳体连接，盘片轴的盘片分别与阻尼器壳体内表面配合，线圈的侧面嵌套有中间盘片，中间盘片被两个盘片轴夹紧，并通过设置在中间盘片边缘的凸起固定；中间盘片的两侧分别设有圆环形盘片，圆环形盘片固定在阻尼器壳体上，其轴向位置通过设置在圆环形盘片边缘的凸起固定；磁流变液充满中间盘片、圆环形盘片与阻尼器壳体之间的间隙中。

9.基于权利要求1所述基于磁流变液的二自由度触觉遥控器的操控方法，其特征在于，所述手柄包括左手柄和右手柄，操控方法的步骤如下：

S1、左手柄向前摇，无人机垂直起飞；

S2、右手柄向前摇，无人机向前飞行；

S3、右手柄向后摇，无人机向后飞行；

S4、右手柄向左摇，无人机向左飞行；

S5、右手柄向右摇，无人机向右飞行；

S6、左手柄向左摇，无人机左旋；

S7、左手柄向右摇，无人机右旋；

在左手柄或右手柄的操作过程中，根据第一角度传感器或第二角度传感器检测的手柄旋转角的大小来控制第一磁流变液阻尼器、第二磁流变液阻尼器的线圈电流，从而控制旋转阻尼力的大小，旋转角度越大，电流越大，磁场强度越大，旋转阻尼力增加，手柄上感受的力将越大；另外通过第三磁流变液阻尼器及电磁制动器来制动手柄转动。