[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

技術領域

本發明屬于實現人與計算機之間力覺信息交互技術領域，具體涉及一種人機交互虛擬訓練力反饋參數的控制方法。

背景技術

力反饋系統，是一種計算機力覺感知/接口設備，該設備能夠通過控制發出的力/力矩的大小和方向提高操作人員控制作業的臨場感，同時利用自身攜帶的傳感器(如位置編碼器，力/力矩傳感器)向操作系統傳送當前的作業位置和受力情況。力反饋系統增強了人與計算機之間的耦合，方便了操作人員對信息的接受和處理，有利于提高操作過程的安全性和效率。當前現有的力反饋系統種類多達幾十乃至上百種，廣泛地應用于極端環境下的遙控作業、深空探測、遠程醫療、虛擬現實、柔性制造等領域。

公知的力反饋系統從系統組成上可以分為機械部分和控制部分，其中的控制部分通過驅動電機和阻尼器帶動機械部分實現反饋力的輸出。因此，控制部分的人機交互虛擬訓練力反饋參數的控制方法關系到反饋力輸出能力和交互過程的操作臨場感。

發明內容

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，提供一種結合電機和阻尼器、計算出力反饋參數，實現力感輸出，可以較好的還原虛擬場景產生的力反饋的人機交互虛擬訓練力反饋參數的控制方法。

技術方案：為實現上述目的，本發明提供一種人機交互虛擬訓練力反饋參數的控制方法，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。

進一步地，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。

進一步地，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。

進一步地，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。

進一步地，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。

進一步地，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。

進一步地，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。

進一步地，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。

有益效果：本發明與現有技術相比，將實際力反饋控制與理論力反饋計算進行分離，分塊進行，得以精確計算虛擬場景中力反饋理論產生力和力矩，并使用驅動電流到PWM占空比再到電機和阻尼器的線性控制路徑，控制實現簡單有效，實現了力感輸出，可以較好的還原虛擬場景產生的力反饋，可用于發生力覺交互的使用場景，有較高的交互真實度。

附圖說明

圖1為本發明的系統示意圖；

圖2為本發明的控制流程圖；

圖3為平動結構解算原理圖1；

圖4為菱形結構力學解算分析圖；

圖5為平動結構解算原理圖2。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。

本發明提到的一種人機交互虛擬訓練力反饋參數的控制方法，根據圖1和圖2所示，本發明具體的實現步驟如下：