三線圈姿態(tài)可調(diào)的電磁力反饋裝置及其姿態(tài)計算與電流智能控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及人機交互領(lǐng)域，尤其涉及三線圈姿態(tài)可調(diào)的電磁力反饋裝置及其姿態(tài) 計算與電流智能控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 上世紀90年代Berkelman等人已經(jīng)對電磁力反饋技術(shù)展開了研究，但其設(shè)計的設(shè) 備非常原始、笨重，手柄被約束在框架內(nèi)，活動范圍很小[1] [2]。Salcudean[3]和Brink[4] 等人對通過電磁力反饋模擬固體墻面及摩擦力的觸感的方法進行了研究，但Brink只研究 了單線圈的情形，Salcudean則制作了一個很大的設(shè)備。
[0003] 近年來，Berkelman和Hu所在的兩個團隊分別發(fā)表了在電磁力反饋中的新成果。 Berkelman完善了電磁線圈的電流與電磁力的線性模型，以測量線圈在空間中的系數(shù)矩陣 為基礎(chǔ)，得出了磁體在線圈陣列中的受力模型，以此為理論依據(jù)實現(xiàn)了小磁體在電磁線圈 陣列上的懸浮[5] [6]，并制作了一套觸覺反饋系統(tǒng)[7] [8]。Hu從虛擬手術(shù)入手，從設(shè)備整 體的角度描述了一個電磁力反饋虛擬手術(shù)系統(tǒng)[9]。然而，Berkelman和Hu并沒有對電磁 線圈的姿態(tài)給出嚴密的解釋一一Berkelman簡單地將線圈成六邊形蜂窩陣列式擺放，Hu只 是直觀地將電磁線圈分散地擺放在碗形區(qū)域里，并且兩人均使用了遠遠超出所需的電磁線 圈數(shù)量。
[0004] 而事實上，雖然冗余的線圈數(shù)量可以在求解電流時提供更多選擇，但線圈數(shù)量越 少，對電流的求解和控制越方便。理論上講，三個線圈就能提供一定大小及范圍的三維電磁 力反饋所需的磁場。此外，線圈的姿態(tài)會對求解的電流產(chǎn)生影響，合理的姿態(tài)可使交互過程 中線圈的功耗大大減小，反之會導致交互過程達不到實際需求甚至無法完成。因此，尋找最 佳的線圈姿態(tài)尤其重要。然而，脫離交互應(yīng)用需求僅談最佳姿態(tài)是沒有意義的，如何針對交 互應(yīng)用需求找到線圈最佳姿態(tài)是值得研究的問題。
[0005] 參考文獻
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 針對以往電磁力反饋設(shè)備線圈擺放姿態(tài)不嚴謹?shù)膯栴}，本發(fā)明引入了線圈位置擺 放與交互應(yīng)用需求相關(guān)的概念，建立了描述交互應(yīng)用對電磁場需求的模型，并給出了根據(jù) 交互應(yīng)用需求計算線圈姿態(tài)的方法。此外，本發(fā)明為電磁力反饋裝置提出了一種高精度的 線圈電流智能控制方法。
[0016] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0017] -種三線圈姿態(tài)可調(diào)的電磁力反饋裝置，包括底座1、三個滑動支架2、3個線圈容 器3、3個線圈4以及線圈驅(qū)動電路12 ;底座1上設(shè)置有滑軌，滑動支架2設(shè)置在滑軌上， 線圈容器3設(shè)置在滑動支架2上，線圈4固定在線圈容器3上，線圈驅(qū)動電路12與線圈4 連接；三個線圈能在與滑軌平行、與地面垂直的平面上自由調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)線圈的方向和位 置，適應(yīng)不同空間范圍及不同電磁力大小和方向的交互應(yīng)用需求（即：裝置空間可調(diào)范圍 為300mmX300mmX300mm，反饋力大小范圍為0-4N)。
[0018] 所述可調(diào)線圈姿態(tài)的計算方法包括以下內(nèi)容：
[0019] (2a).引入概率云描述適應(yīng)不同空間范圍及不同電磁力大小和方向的交互應(yīng)用需 求的量，定義在t時刻的量Q為：
[0020] Q(t) = (L(t), B(t))
[0021] 其中，L(t)和B(t)分別表示t時刻在位置L(t)需要產(chǎn)生磁場B(t)，并且L(t)、 B (t)均為關(guān)于t的三維矢量；
[0022] 定義概率云f(L，B)為Q(t)所在的六維空間中每個點出現(xiàn)的聯(lián)合概率密度，對任 意位置和磁場L。，B。，其計算公式為：
[0023]
[0024] 其中，LQx，LQy，LQz，B Qx，BQy，別為L。，B。在空間三個維度上的分量，
。G(UBid)為時間范圍t e [0，T]內(nèi)滿足以下條件的區(qū)域集合：
[0025] Lx(t) ^L0xH Ly(t) ^L0yH Lz(t) ^L0zH Bx(t) ^B0xH By(t) ^B0yH Bz(t) ^B0z
[0026] 其中，符號Π 表不并且。
[0027] m(G(L0，B。)）為集合G的測度，測度表示集合G的大小，即在時間范圍t e [0，T]中 所占的時間長度；
[0028] (2b).針對電磁力交互應(yīng)用需求的電磁線圈最佳姿態(tài)計算模型，
[0029] 定義優(yōu)化評價函數(shù)E :
[0030]
[0031] 其中，A(L)是三個線圈在位置L處的系數(shù)矩陣，d(L，B)是L，B空間中的積分微元。
[0032] 在線圈姿態(tài)的參數(shù)空間中，采用優(yōu)化評價函數(shù)對E進行尋優(yōu)，找到線圈的最佳姿 ??τ O
[0033] 所述的線圈驅(qū)動電路12用于線圈電流的智能控制，該驅(qū)動電路12包括嵌入式微 控制器、電源模塊、H橋驅(qū)動模塊、電流采樣模塊、智能PID電流調(diào)節(jié)模塊、通信模塊、電磁線 圈過溫保護模塊、功率電源過壓欠壓過流保護模塊、異常報警模塊等。其中，嵌入式微控制 器采用ARM Cortex-M3作為核心控制芯片。上述模塊間的連接關(guān)系為：嵌入式微控制器ARM C〇rtex-M3產(chǎn)生的PffM信號經(jīng)H橋驅(qū)動模塊驅(qū)動電磁線圈陣列產(chǎn)生電流，為實現(xiàn)電流精確控 制，采用電流采樣模塊對線圈中的電流進行采樣，并將采樣信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字PWM信號，最后