[發明專利]一種人機交互虛擬訓練力反饋參數的控制方法

在審

• 申請號: 201710655331.2
• 申請日: 2017-08-03
• 公開（公告）號: CN107632701A
• 公開（公告）日: 2018-01-26
• 發明（設計）人: 李坤;邵斌澄;曾欣;胡素蕓;秦歡歡;宋愛國
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01;G06F17/50
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 向文

1.一種人機交互虛擬訓練力反饋參數的控制方法，其特征在于：包括如下具體步驟：

步驟1：根據虛擬場景的力反饋算法以及碰撞檢測結果計算所需輸出的反饋力和反饋力矩；

步驟2：根據電機和阻尼器的選型確定與輸出的反饋力和反饋力矩的輸入輸出關系；

步驟3：求解控制每個電機和阻尼器的控制參數，驅動電機和阻尼器在末端產生合適的力和力矩，從而模擬真實環境的力感。

2.根據權利要求1所述的一種人機交互虛擬訓練力反饋參數的控制方法，其特征在于：所述步驟1中通過計算反饋執行器從電機和阻尼器到力輸出端的力臂，然后計算出輸出端的反饋力和反饋力矩。

3.根據權利要求1或2所述的一種人機交互虛擬訓練力反饋參數的控制方法，其特征在于：所述計算所需輸出的反饋力和反饋力矩具體通過基于虛擬場景的力模型建模方法，使用虛擬場景的力反饋算法，求解剛體間的接觸力和力矩。

4.根據權利要求2所述的一種人機交互虛擬訓練力反饋參數的控制方法，其特征在于：所述反饋執行器從電機和阻尼器到力輸出端的力臂的計算具體為:首先確定電機和阻尼器輸出軸位置，然后通過輸出軸位置信息計算力反饋輸出端到電機和阻尼器輸出軸的距離，以此得到輸出端的力臂。

5.根據權利要求1所述的一種人機交互虛擬訓練力反饋參數的控制方法，其特征在于：所述步驟2的具體實現方式為：首先因為電機和阻尼器的輸出力矩跟其驅動器的驅動電流成正相關，利用相關器件可使電機和阻尼器的驅動器輸出電流與輸入PWM波占空比成正相關，從而確定電機和阻尼器與輸出的反饋力和反饋力矩的輸入輸出關系。

6.根據權利要求5所述的一種人機交互虛擬訓練力反饋參數的控制方法，其特征在于：所述步驟3中求解控制每個電機和阻尼器的控制參數具體為：將步驟1得到的反饋力和反饋力矩結合電機和阻尼器的工作手冊進行線性轉換，將反饋力或反饋力矩轉換為電流大小，再利用相關器件將電流大小轉換為PWM占空比大小，將電機和阻尼器的驅動器配置為電流輸出模式，即可以通過PWM占空比大小控制輸出電流的大小。

7.根據權利要求5所述的一種人機交互虛擬訓練力反饋參數的控制方法，其特征在于：所述步驟2中利用大電容或者MOS管器件可使電機和阻尼器的驅動器輸出電流與輸入PWM波占空比成正相關。

8.根據權利要求6所述的一種人機交互虛擬訓練力反饋參數的控制方法，其特征在于：所述PWM占空比通過交直流轉換模塊轉換成驅動電流大小，電機和阻尼器的驅動器通過驅動電流控制電機和阻尼器輸出端的輸出大小。

9.根據權利要求1所述的一種人機交互虛擬訓練力反饋參數的控制方法，其特征在于：所述步驟1中反饋力和反饋力矩的具體算法為：通過平動結構解算原理，平面A1B1C1D1、平面A2B2C2D2和末端平面互相平行，不會產生傾斜或者轉動，設軸1、軸2、軸3應輸出的力矩為M1、M2、M3，平動結構末端應輸出的反饋力在XYZ方向的分力分別為Fx、Fy、Fz，假設末端移動時，軸1和軸2的產生的轉動角度分別為α和β，菱形拉伸結構在軸3產生的轉動角度為γ，設并聯連桿結構中的四桿長度均為L1，菱形拉伸結構中的桿長均為L2，并且將平面A1B1C1D1的中點定為空間坐標系的原點O，電機和阻尼器輸出端的位置可看作為平動結構的末端位置，即點Q的位置；

對平動結構進行力學分析可得：

其中d是M1和M2的力臂，為Q點到平面A₁B₁C₁D₁的距離，即Q點的Z軸坐標，可得：

Fz取決于菱形拉伸機構的力學分析，采用虛位移原理進行求解。對菱形機構進行力學解算，假設在點P處安裝的兩個力矩電機和阻尼器產生力等價為M3/2，Q點受到沿Z軸的力Fz作用下移動了微小位移Δ，所做虛功大小為δ_W，則:

綜合上式可得：

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