磁流变液智能制动技术及其应用

近年来，智能材料技术得到了快速发展，其中如磁流变液、压电材料和形状记忆合金等在各种工程上得到了越来越广泛的应用。磁流变液作为一种新型磁智能流体材料，是由微米量级的软磁性颗粒均匀分散于基载液和添加剂中形成的一种特殊悬浮液。无磁场时表现为流动良好的液体状态，而在磁场作用下其黏度可在毫秒级时间内增加两个数量级以上，呈现出类似固体的力学特性，这种连续可控、响应迅速且可逆的液-固转换特性，称为磁流变效应。磁流变液巧妙地将固体粒子的强磁性和液体的流动性结合在一起，自诞生以来其潜力不断得到发挥，在建筑、汽车、康复医疗、机器人等领域具有广阔的应用前景，其应用形式主要有制动器、阻尼器、离合器、减震器和伺服阀等。
磁流变液制动技术是磁流变效应在制动领域的具体应用形式，它以调节电流为控制手段，具有连续可控、力矩/体积比大、动态响应快、控制简单且能耗低、工作部件磨损小等优点，在机电设备柔性制动、无级调速和刚度调节等方面具有广泛的应用前景。当前，针对磁流变液制动技术的相关研究主要集中于小扭矩、低滑差功率应用场合，如用于健身设备、虚拟现实、康复机器人、遥操作等领域。近年来，国内外学者也逐渐将其推向风机、带式输送机、车辆、电梯等大扭矩、高滑差功率应用场合。
本书着重介绍作者团队多年来在磁流变液制动器设计与优化、多物理场仿真分析、控制策略以及性能实验等方面的相关研究成果，并结合当前车辆电子化、智能化和集成化的发展需求，创新性地开展磁流变液制动技术在车辆线控制动和线控转向领域的应用研究。此外，以遥操作力反馈数据手套和康复训练机器人为例，介绍了磁流变液制动技术在机器人领域的具体应用，对于拓宽其应用范围具有重要的现实意义。
本书共分为10章，第1章绪论部分阐述了磁流变液及其制动技术的基本概念和发展现状，介绍了磁流变液制动器在车辆、机器人及其他工程领域的应用。第2章开展了小扭矩单盘式和大扭矩多盘式两种规格类型的磁流变液制动器的设计与优化，进行了制动力矩建模、磁场仿真、动态响应时间和瞬态温度场分析，在此基础上，对多盘式磁流变液制动器进行了多目标优化。第3章首先开展了磁流变液制动器电磁场仿真分析；其次以汽车处于不同制动模式为背景，对其进行热应力和热应变分析；后对制动器内部散热管路进行了流场仿真。第4章分别提出了基于常规PID和基于遗传算法优化的BP神经网络PID的制动力稳定控制策略，并通过仿真和实验对比了两种控制策略的控制效果。第5章研制了磁流变液制动器综合性能测试平台，并对其空载输出特性、制动性能、输出制动力矩特性、温度特性、速度跟随特性以及散热特性进行了实验研究。第6章搭建了一种路面附着系数实时可调的车辆制动模拟试验台，开展了单一路面和对接路面条件下汽车制动模拟和防抱死制动仿真与实验研究。第7章研制了一款基于磁流变液制动器的汽车制动踏板感觉模拟器，对其进行仿真分析和实验研究。第8章分析了汽车转向反馈力矩来源，设计了基于磁流变液制动器的汽车线控转向路感模拟装置。第9章设计了一款磁流变力反馈数据手套，开展了抓握角度测量、反馈力稳定性和反馈力跟踪等实验。第10章根据人体手指耦合运动规律和康复训练需求，研制了一款可穿戴式手部主被动康复训练机器人。
本书相关研究得到了国家自然科学基金项目“智能柔性驱动机器人理论、技术与装备”（51925502）、“高滑差工况下磁流变液制动稳定性影响机理及调控方法研究”（52175047）、“磁流变离合器多场耦合调速机理及其精确控制研究”（51505114），安徽省自然科学基金项目“面向高速重载车辆的磁流变制动器制动力跟踪控制研究”（2008085ME140）、“磁流变离合器动力传递不稳定机理及其补偿控制研究”（1608085QE116），中国博士后科学基金特别资助项目“基于磁流变制动器的电动汽车制动系统优化与控制技术”（2016T90561）等的资助，作者在此表示衷心的感谢。同时，感谢合肥工业大学姚兰、庞佳伟、曹子祥、时育杰、王彪、熊焰、罗洋均、董涛、方时瑞等研究生对于本书相关研究内容做出的贡献，也感谢作者所在课题组全体老师的大力支持。
本书由合肥工业大学王道明副教授、訾斌教授和王亚坤博士撰写，全书由王道明副教授统稿。在本书撰写过程中，引用了一些国内外文献资料，在此向有关参考文献的作者表示感谢。
由于作者水平有限，书中难免存在不妥之处，恳请读者批评指正。

作者2021年7月于合肥

本书系统、全面地介绍了磁流变液智能制动技术及其在车辆和机器人领域应用的*新研究成果。主要内容包括磁流变液制动器的设计与多目标优化、磁流变液制动器的多物理场仿真研究、磁流变液制动器的制动力稳定控制策略研究、磁流变液制动器的制动与散热性能实验研究、汽车磁流变液制动器的防抱死制动研究、基于磁流变液制动器的汽车制动踏板感觉模拟器、基于磁流变液制动器的汽车线控转向路感模拟装置、磁流变力反馈数据手套设计与反馈力控制研究、基于磁流变液制动器的手部主被动康复训练机器人。全书内容翔实、全面，理论与实践并重，既有理论水平和学术价值，也对工程实践具有指导意义。
本书可供从事磁流变液技术领域的科研人员、工程技术人员使用，也可作为高等院校机械工程、车辆工程、机器人工程等相关学科高年级本科生和研究生的参考用书。

近年来，主要从事智能机器人技术及应用、车辆先进制动技术、智能材料与结构等研究，主持或承担国家自然科学基金联合基金重点项目、国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、中国博士后科学基金特别资助等和省部级科研项目7项；在ASME汇刊、Mechanism and Machine Theory、仪器仪表学报等国内外期刊上发表SCI/EI检索论文30余篇（作者入选ESI高被引论文1篇），发明人授权国家发明专利16项、软件著作权2件，获安徽省科技进步一等奖（排3）、中国电子学会技术发明二等奖（排5）、中国机械工业科技进步二等奖（排7）等省部级科技奖励3项。受邀担任Mechanical Engineering Science期刊编委，IEEE/ASME Transactions on Mechatronics、中国科学？技术科学等20余个国际/国内期刊特邀审稿人。

前言

第1章绪论
1.1磁流变液的基本概念与发展概述
1.1.1磁流变液的基本组成
1.1.2磁流变液的主要特性
1.1.3磁流变液的发展概述
1.2磁流变液制动器的研究概述
1.2.1工作原理
1.2.2磁流变液制动器的研究现状
1.3磁流变液制动器的应用概述
1.3.1磁流变液制动器在车辆领域的应用
1.3.2磁流变液制动器在机器人领域的应用
1.3.3磁流变液制动器在其他领域的应用
参考文献

第2章磁流变液制动器的设计与多目标优化
2.1小扭矩单盘式磁流变液制动器设计与分析
2.1.1结构设计
2.1.2制动力矩建模
2.2大扭矩多盘式磁流变液制动器设计与多目标优化
2.2.1理论分析
2.2.2试验设计分析
2.2.3多目标优化设计
参考文献

第3章磁流变液制动器的多物理场仿真研究
3.1磁流变液制动器的电磁场仿真
3.1.1电磁场仿真模型建立
3.1.2材料属性设置与网格划分
3.1.3边界条件设置与载荷施加
3.2磁流变液制动器的温度场仿真分析
3.2.1瞬态温度场仿真数学模型
3.2.2瞬态温度场仿真模型
3.2.3瞬态温度场仿真结果及分析
3.3磁流变液制动器热应力与热应变场仿真分析
3.3.1热应力仿真结果及分析
3.3.2热应变仿真结果及分析
3.4磁流变液制动器散热管路流场仿真分析
3.4.1散热管路速度场仿真结果及分析
3.4.2散热管路压力场仿真结果及分析
参考文献

第4章磁流变液制动器的制动力稳定控制策略研究
4.1制动力控制数学模型
4.2基于Z-N法的常规PID控制器设计
4.2.1常规PID控制原理
4.2.2磁流变液制动器的PID控制器设计
4.2.3基于Z-N法的PID参数整定
4.3基于BP神经网络的PID控制器设计
4.3.1BP神经网络结构
4.3.2BP-PID控制器结构
4.3.3基于遗传算法优化BP神经网络
4.4仿真结果分析
4.4.1单位阶跃信号下的仿真结果
4.4.2扰动信号下的仿真结果
4.5磁流变液制动器输出制动力矩稳定控制实验
参考文献

第5章磁流变液制动器的制动与散热性能实验研究
5.1磁流变液制动器综合性能测试平台研制
5.1.1机械传动系统硬件设计
5.1.2数据采集与控制系统硬件设计
5.1.3主要仪器和设备
5.2磁流变液制动器制动力矩及响应性能实验
5.2.1空载输出特性测试
5.2.2制动性能实验
5.2.3输出制动力矩特性实验
5.2.4速度跟随实验
5.3磁流变液制动器温度特性与散热性能实验
5.3.1温度特性实验
5.3.2散热性能实验
参考文献

第6章汽车磁流变液制动器的防抱死制动研究
6.1车辆制动模拟试验台方案设计
6.1.1汽车行驶与制动基本原理
6.1.2车辆制动模拟试验台结构和原理
6.1.3车辆平动惯量计算与惯性飞轮设计
6.1.4磁粉离合器结构及路面模拟原理
6.2车辆制动模型仿真与路面模拟
6.2.1汽车单轮制动动力学模型
6.2.2轮胎路面模型
6.2.3磁流变液制动器控制模型
6.2.4防抱死制动系统控制器模型
6.2.5路面识别模型
6.2.6基于路面识别的单轮车辆制动仿真模型
6.2.7车辆制动仿真分析
6.3汽车磁流变液制动器防抱死制动仿真研究
6.3.1ABS制动控制策略
6.3.2ABS制动仿真分析
6.4汽车磁流变液制动器防抱死制动实验研究
6.4.1实验系统研制
6.4.2磁粉离合器标定实验
6.4.3路面附着系数跟踪控制实验
6.4.4车辆制动模拟实验
6.4.5ABS制动实验
参考文献

第7章基于磁流变液制动器的汽车制动踏板感觉模拟器
7.1汽车制动踏板感觉模拟器设计
7.1.1结构设计及工作原理
7.1.2制动踏板感觉模拟器性能要求
7.1.3主要零件选型计算
7.2基本性能实验及电流实时控制算法设计
7.2.1制动踏板感觉模拟器基本性能实验
7.2.2制动踏板感觉模拟控制算法
7.2.3踏板特性参数关系设计
7.3制动意图辨识及制动强度输出算法设计
7.3.1制动意图分类
7.3.2制动意图参数选取
7.3.3控制算法设计
7.4汽车制动踏板感觉模拟器实验研究
7.4.1制动踏板模拟器控制性能实验
7.4.2与汽车磁流变液制动模拟实验台联合控制实验
7.4.3基于LabVIEW的制动控制算法实验
参考文献

第8章基于磁流变液制动器的汽车线控转向路感模拟装置
8.1线控转向系统反馈力矩理论分析
8.1.1转向系统反馈力矩来源
8.1.2方向盘反馈力矩建模及SIMULINK仿真
8.2基于磁流变液制动器的汽车线控转向路感模拟装置设计
8.2.1基本结构与工作原理
8.2.2机械传动系统
8.2.3信息采集与控制系统
8.3方向盘转向模式识别与控制
8.3.1方向盘控制模式
8.3.2转向模式仿真与分析
8.4仿真与实验研究
8.4.1基于CarSim SIMULINK的转向反馈力矩联合仿真
8.4.2磁流变液制动器性能实验
8.4.3硬件在环实验
参考文献

第9章磁流变力反馈数据手套设计与反馈力控制研究
9.1磁流变力反馈数据手套设计
9.1.1手指的生物结构及耦合运动规律
9.1.2磁流变力反馈数据手套整体结构设计
9.2磁流变液力反馈数据手套电流控制器研究
9.2.1电流控制器总体结构
9.2.2磁流变液制动器励磁线圈驱动电路设计
9.2.3BUCK电路建模与分析
9.3反馈力跟踪控制策略研究
9.3.1磁流变力反馈装置传递函数的建立
9.3.2反馈力控制策略制定与仿真分析
9.4实验研究
9.4.1传感测量系统的标定实验
9.4.2磁流变液制动器的性能测试
9.4.3磁流变力反馈数据手套实验研究
参考文献

第10章基于磁流变液制动器的手部主被动康复训练机器人
10.1手部主被动康复训练机器人的结构设计
10.1.1手部生物学特性分析
10.1.2整体结构设计与样机研制
10.2手部主被动康复训练机器人运动学及力学分析
10.2.1运动学正解
10.2.2运动仿真分析
10.2.3力学分析
10.3手部康复训练机器人的控制系统设计
10.3.1控制系统结构
10.3.2气动回路设计
10.3.3控制系统硬件选择
10.3.4控制传递函数求解
10.4手部主被动康复训练机器人性能实验
10.4.1气动人工肌肉性能测试
10.4.2磁流变液制动器性能测试
10.4.3被动康复训练实验
10.4.4主动康复训练实验
10.5基于运动意图识别的手指主被动康复训练实验
10.5.1表面肌电信号预处理与特征提取
10.5.2基于肌电信号的抓握力解码
10.5.3基于肌电信号的康复训练实验
参考文献

本书系统、全面地介绍了磁流变液智能制动技术及其在车辆和机器人领域应用的*新研究成果。主要内容包括磁流变液制动器的设计与多目标优化、磁流变液制动器的多物理场仿真研究、磁流变液制动器的制动力稳定控制策略研究、磁流变液制动器的制动与散热性能实验研究、汽车磁流变液制动器的防抱死制动研究、基于磁流变液制动器的汽车制动踏板感觉模拟器、基于磁流变液制动器的汽车线控转向路感模拟装置、磁流变力反馈数据手套设计与反馈力控制研究、基于磁流变液制动器的手部主被动康复训练机器人。全书内容翔实、全面，理论与实践并重，既有理论水平和学术价值，也对工程实践具有指导意义。
本书可供从事磁流变液技术领域的科研人员、工程技术人员使用，也可作为高等院校机械工程、车辆工程、机器人工程等相关学科高年级本科生和研究生的参考用书。

近年来，主要从事智能机器人技术及应用、车辆先进制动技术、智能材料与结构等研究，主持或承担国家自然科学基金联合基金重点项目、国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、中国博士后科学基金特别资助等和省部级科研项目7项；在ASME汇刊、Mechanism and Machine Theory、仪器仪表学报等国内外期刊上发表SCI/EI检索论文30余篇（作者入选ESI高被引论文1篇），发明人授权国家发明专利16项、软件著作权2件，获安徽省科技进步一等奖（排3）、中国电子学会技术发明二等奖（排5）、中国机械工业科技进步二等奖（排7）等省部级科技奖励3项。受邀担任Mechanical Engineering Science期刊编委，IEEE/ASME Transactions on Mechatronics、中国科学？技术科学等20余个国际/国内期刊特邀审稿人。