然而,现代触觉技术并不仅仅指触觉传感技术,还包括一项全新的技术——触觉反馈(Haptic)技术。触觉反馈的英文单词Haptic来源于希腊语“haptein”,原意为“捆绑”。这个词语在发明后并没有广泛使用。在Haptic技术的领域范畴中,通过利用特殊的计算机输入/输出设备(如游戏杆,数码手套或者其他设备),用户可以通过与计算机程序交互来获得真实的触觉感受。基本上,现有的具备触觉功能的系统一般利用触觉震动来实现操作反馈。航空领域中最先采用了这种技术。将触觉反馈技术应用于模拟飞行器的手柄上,在飞行员进行虚拟现实的飞行训练时,Haptic技术可以让其在飞机起飞、发动机熄火时“感受”到操纵杆的模拟震动。近年来,Haptic技术已经扩展到电子产品和仿真领域。Immersion公司开发的Touch Sense力反馈技术被广泛应用在XBOX 360及PS3等游戏主机的震动手柄,并在游戏中编入了相应的程序,可以让玩家在使用过程中感受到游戏中真实的触觉感受,如按动扳机、汽车驶出公路时的震动以及在不同地形驾驶的震动感觉。当然,Haptic技术的应用远不止于在游戏主机等电子产品上,更多具有更大现实意义以及人性化的设计应用层出不穷。如新一代的医疗机器人完全依赖触觉反馈技术将机器手与人体器官或组织的接触感受精确地反馈给持操作杆的外科医生,从而实行精细度非常高、难度非常大的微创手术。再如,为了方便盲人或弱视群体对于计算机图形信息显示的完整应用,开发适用于盲人或弱视者的显示器,Haptic技术正在被应用于一种新型的一体化触摸屏,使用户能够在按动屏幕的各个区域时激活被按下区域处的菜单及其他图形图标,并且根据力学或电信号的反馈分辨出按下的图标。也就是说,在触觉反馈的领域范畴中,触觉信号不仅仅是被感应,也会根据外界给出的触觉信号,利用各种机构和材料,进行作动。也即可以将触觉反馈的过程理解为触觉传感的逆过程。

触觉反馈技术方兴未艾,使用什么样的设备来传递肌肉运动的感觉或是使用何种材料作为敏感元件来感应触觉信号并且进行触觉反馈的产生和传递成为了研究人员热衷的课题。由于触觉反馈设备往往要应用于小型手持设备中,因此该设备的小型化成为了亟待解决的问题。目前为止,人们提出的大部分触觉反馈设备采用交、直流电动机来产生各种运动感觉。但是,由于采用基于直流或交流电动机的驱动机构会增大触觉反馈设备的尺寸及耗电量,因此很难将这一类设备应用在小型电子产品上。为了取代电机以及其他主动形式的传动装置,一些研究人员将智能材料应用在小型触觉反馈设备中。2009年,Blake及Gurocak在为一种触觉手套技术设计了一个小型的磁流变减速闸。尽管这个磁流变刹车可以为触觉反馈产生足够转矩,但其尺寸(直径25毫米,高度15毫米)并不适用于手持设备。Jansen等人在2010年设计出一种由一系列电磁极以及磁流变液袋组成的设备,并为其取名为名为“MudPad”。 Yang等人在2010年采用磁流变液设计了一个小型刚度可调显示器,但由于它的尺寸(24mm×12mm×15mm)对于手持设备仍然不够小,因此没能实现广泛的生产应用。在2012年,Yang等人又设计了一个采用磁流变液的小型触觉按钮。通过采用磁流变液所具备的在磁场下产生相变的特性,该圆柱形作动器的尺寸可以在获得更高性能的同时进一步缩小。具体的研究成果可以参见引言部分的论述。

2.2 一种采用MRF的小型磁流变传感作动器简介

在研究过程中,磁流变材料以其优越的性能、特殊的相变过程以及较高的性价比在众多智能材料中脱颖而出。研究者们利用其特性,尤其是磁流变效应设计出各种触觉反馈的传感作动器。Yang[19]等人在2013年初制作出一种用于触觉技术的小型磁流变作动器,并且分析讨论了其阻抗感应机制。该结构尺寸小、反应速度快、能够准确的计算活塞行程并根据行程大小做出相应的触觉震动反馈,在未来很有可能实现生产和实际应用。以下,将简明的介绍该磁流变作动器的结构设计和工作原理。

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