[發(fā)明專利]三線圈姿態(tài)可調的電磁力反饋裝置及其姿態(tài)計算與電流智能控制方法

有效

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• 申請日: 2015-09-28
• 公開（公告）號: CN105137761B
• 公開（公告）日: 2018-03-13
• 發(fā)明（設計）人: 袁志勇;童倩倩;朱煒煦;廖祥云
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G06F3/01
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 趙麗影

技術領域

本發(fā)明涉及人機交互領域，尤其涉及三線圈姿態(tài)可調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

上世紀90年代Berkelman等人已經(jīng)對電磁力反饋技術展開了研究，但其設計的設備非常原始、笨重，手柄被約束在框架內，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備。

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，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從虛擬手術入手，從設備整體的角度描述了一個電磁力反饋虛擬手術系統(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——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。

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，脫離交互應用需求僅談最佳姿態(tài)是沒有意義的，如何針對交互應用需求找到線圈最佳姿態(tài)是值得研究的問題。

參考文獻

[1]Berkelman P J,Hollis R L,Salcudean S E.Interacting with virtual environments using a magnetic levitation haptic interface[C]//Intelligent Robots and Systems 95.′Human Robot Interaction and Cooperative Robots′,Proceedings.1995IEEE/RSJ International Conference on.IEEE,1995,1:117-122.

[2]Berkelman P J,Hollis R L,Baraff D.Interaction with a real time dynamic environment simulation using a magnetic levitation haptic interface device[C]//Robotics and Automation,1999.Proceedings.1999 IEEE International Conference on.IEEE,1999,4:3261-3266.

[3]Salcudean S E,Vlaar T D.On the emulation of stiff walls and static friction with a magnetically levitated input/output device[J].Journal of dynamic systems,measurement,and control,1997,119(1):127-132.

[4]Brink J B,Petruska A J,Johnson D E,et al.Factors affecting the design of untethered magnetic haptic interfaces[C]//Haptics Symposium(HAPTICS),2014IEEE.IEEE,2014:107-114.

[5]Berkelman P,Dzadovsky M.Magnet levitation and trajectory following motion control using a planar array of cylindrical coils[C]//ASME 2008 Dynamic Systems and Control Conference.American Society of Mechanical Engineers,2008:923-930.