[發明專利]質心偏移和振動結合的力反饋方向指導系統及控制方法

有效

• 申請號: 201811065665.5
• 申請日: 2018-09-12
• 公開（公告）號: CN109144274B
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 燕學智;王子婷;王慶龍;孫曉穎;陳建;溫泉;趙煜;劉國紅;佴威至
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 魏征驥

1.一種質心偏移和振動結合的力反饋方向指導系統，其特征在于：上位機中的控制器三與無線通信模塊一連接，該無線通信模塊一與質心萬向運動單元中的無線通信模塊二無線連接，質心萬向運動單元中的九軸傳感器分別與無線通信模塊二、控制器一電連接，無線通信模塊二與控制器一電連接，無線通信模塊二與下半球中的控制器二無線連接，控制器一分別與馬達一和馬達二電連接，控制器二分別與位于下半球中的功率放大器一、功率放大器二和功率放大器三電連接，功率放大器一分別與位于上半球中音圈電機一和下半球中的音圈電機六電連接，功率放大器二分別與位于下半球中的音圈電機二和音圈電機四電連接，功率放大器三分別與位于下半球中的音圈電機三和音圈電機五電連接；

上半球與下半球螺紋連接，質心萬向運動單元位于上半球與下半球中并與下半球粘接，上半球的上半球殼的頂部中放置一個音圈電機一，下半球的下半球殼底部中放置一個音圈電機六，在下半球殼中部均布音圈電機二、音圈電機四、音圈電機三和音圈電機五，電路板二位于下半球殼中；

所述的質心萬向運動單元結構是：球形外殼內部設置載體，該載體的上部與彈簧一端連接，該彈簧另一端與球體連接，彈簧使球體和載體與球形外殼內壁頂接并與能內壁滑動，電路板一與載體的上方固定連接，電池與載體的下方固定連接，無線充電端口與電池電連接，馬達一和馬達二分別與載體下方固定連接，馬達一和馬達二分別通過聯連裝置與轉向輪一和轉向輪二連接，轉向輪一和轉向輪二分別與球形外殼的內壁滑動連接，馬達一，馬達二和轉向輪一，轉向輪二作為質心萬向運動驅動模塊；

所述上半球與下半球構成振動電機單元，振動電機單元與質心萬向運動單元構成觸覺球體。

2.根據權利要求1所述的一種質心偏移和振動結合的力反饋方向指導系統，其特征在于：所述電機二、電機四分別放置在X軸正，X軸負位置上，且電機二、電機四長邊平行于Y軸；電機三、電機五分別放置在Y軸正，Y軸負位置上，且電機三、電機五長邊平行于Z軸；電機六放置在Z軸負位置上，且電機六長邊平行于X軸，電機一放置在Z軸正位置上，且電機一長邊平行于X軸。

3.根據權利要求1所述的一種質心偏移和振動結合的力反饋方向指導系統，其特征在于：所述電路板一上有控制器一，九軸傳感器，無線通信模塊二。

4.根據權利要求1所述的一種質心偏移和振動結合的力反饋方向指導系統，其特征在于：所述球體與球形外殼內壁接觸點的位置在轉向輪一，轉向輪二與內壁接觸點的連線中點的徑向對應處。

5.根據權利要求1所述的一種質心偏移和振動結合的力反饋方向指導系統，其特征在于：所述電路板二包括控制器二，功率放大器一，功率放大器二和功率放大器三。

6.如權利要求1所述的一種質心偏移和振動結合的力反饋方向指導系統的控制方法，其特征在于包括：

(一)呈現旋轉觸覺的控制方法，包括以下步驟：

1)初始化

未給系統供電時，質心位于任意位置；供電時，九軸傳感器通過測量地球磁場得到質心G與球殼幾何中心O的連線相對于重力方向的夾角θ₀；

九軸傳感器輸出質心位于任意位置時的位置信息并傳輸至控制器一，控制器一接收位置信息并計算旋轉運動參數，生成萬向運動信息0，使馬達一，馬達二以角速度ω₀同向轉動，并判斷質心萬向運動驅動模塊旋轉角度是否達到θ₀；若未達到，則繼續運動；若達到，則馬達一，馬達二停止運動，過程結束；該過程使質心萬向運動驅動模塊沿質心萬向運動單元的球形外殼內壁轉動至重力方向，運動時間為t₀時長小于時間域值t，不會引起用戶旋轉的感覺；角速度ω₀為系統默認值；

2)計算旋轉運動所需參數

三維空間內任意方向的轉矩在XY平面上的分量為在Z軸分量為與Z軸的夾角為θ₂，與XY平面上Y軸夾角為θ₁，控制器一對轉矩進行受力分析，計算平移線索所需參數θ₁，θ₂；

3)旋轉至方向

a)由初始位置旋轉至方向

質心萬向運動單元球形外殼的幾何中心O與質心G的連線豎直向下，此時的位置設定為初始位置，在初始位置處，馬達一，馬達二分別以角速度ω₁反向轉動使轉向輪一和轉向輪二以轉向輪一和轉向輪二連接線中點為旋轉中心旋轉角度θ₁至方向，t₁為轉向輪一和轉向輪二旋轉時間，其中旋轉角度θ₁小于等于90度，ω₁為系統默認值；

t₁＝θ₁/ω₁

上位機端發送場景更新信息，質心萬向運動單元的無線通信模塊二接收場景更新信息然后傳輸至控制器一，九軸傳感器輸出質心初始位置信息并傳輸至控制器一，控制器一接收初始位置信息和場景更新信息，控制器一生成萬向運動驅動信息1使馬達一，馬達二以角速度ω₁反向旋轉并判斷此時質心萬向運動驅動模塊旋轉角度是否達到θ₁，若未達到，則繼續運動；若達到，則馬達一，馬達二停止運動，過程結束，其中轉向輪一和轉向輪二反向運動時間為t₁，t₁時長小于時間域值t，不會引起用戶旋轉的感覺；

b)從旋轉至方向

完成步驟a)后，馬達一，馬達二以角速度ω₂同向轉動，使轉向輪一和轉向輪二同時以角速度ω₂同向運動，即質心萬向運動驅動模塊以質心萬向運動單元球形外殼的幾何中心O為旋轉中心，角速度為ω₂運動，旋轉角度θ₂，其中θ₂為與Z軸的夾角，t₂為轉向輪一和轉向輪二旋轉時間，ω₂為系統默認值；

t₂＝θ₂/ω₂

九軸傳感器輸出質心位置信息至控制器一，控制器一接收位置信息，控制器一生成萬向運動驅動信息2使馬達一，馬達二以角速度ω₂同向旋轉并判斷此時質心萬向運動驅動模塊旋轉角度是否達到θ₂，若未達到，則繼續運動；若達到，則馬達一，馬達二停止運動，過程結束，其中轉向輪一和轉向輪二同向運動時間為t₂，t₂時長小于時間域值t，不會引起用戶旋轉的感覺；

4)呈現旋轉觸覺

完成步驟3)后，確定方向為旋轉軸，質心萬向運動單元持續旋轉呈現旋轉觸覺，馬達一，馬達二分別以角速度ω₃反向轉動使轉向輪一和轉向輪二以轉向輪一和轉向輪二連接線中點為旋轉中心持續旋轉時間t₃，其中，轉向輪一和轉向輪二的角速度為ω₃，t₃時長大于時間域值t以引起用戶感知旋轉，ω₃為用戶感知旋轉的觸覺效果最優的角速度，通過實驗測量；

其中，J是質心萬向運動驅動模塊的轉動慣量，通過實驗測得，質心萬向運動模塊產生的轉矩為其大小為用戶手持觸覺球體感知到內部物體的旋轉，并將內部物體旋轉方向作為自身旋轉線索；

九軸傳感器輸出質心位置信息3至控制器一，控制器一接收位置信息3，控制器一生成萬向運動驅動信息4使馬達一，馬達二以角速度ω₃反向旋轉并判斷此時轉向輪一和轉向輪二旋轉時間是否達到t₃，若未達到，則繼續運動；若到達，則馬達一，馬達二停止運動，過程結束；

(二)振動電機單元呈現平移線索的控制方法，包括以下步驟：

A)計算平移線索所需參數

為用戶手持觸覺球的標準位置，但是在人體運動時會引起觸覺球相對于標準位置的偏移，需要坐標變換，坐標變換方法如下：

對于存在任意旋轉變換的兩個空間坐標系O-XYZ和O'-X'Y'Z'，其中兩個空間坐標系坐標原點重合，通過依次繞自身三個坐標軸旋轉實現兩個坐標系對應坐標軸的重合；

坐標系O-XYZ依次繞自身X軸，Y軸，Z軸分別逆時針轉α，β，γ后與坐標系O'-X'Y'Z'重合，則空間中某點X，Y，Z在這兩個坐標系中的描述關系如下，變換后的坐標X'，Y'，Z'；

若坐標系O-XYZ繞自身的X軸逆時針轉α后與坐標系O'-X'Y'Z'重合，空間中某點在坐標系O-XYZ和O'-X'Y'Z'中的坐標描述存在以下關系：

若坐標系O-XYZ繞自身的Y軸逆時針轉β之后與坐標系O’-X'Y'Z'重合，則對應的坐標關系如下：

若坐標系O-XYZ繞自身的Z軸逆時針轉γ之后與坐標系O’-X'Y'Z'重合，則對應的坐標關系如下：

坐標系O-XYZ依次繞自身X軸，Y軸，Z軸分別逆時針轉α，β，γ后與坐標系O'-X'Y'Z'重合則對應的坐標關系如下：

R＝R_x(α)R_y(β)R_z(γ)

若在O-XYZ坐標系下合力坐標為(F_x，F_y，F_z)，故在O'-X'Y'Z'坐標系下坐標為(F_x'，F_y'，F_z')，(F_x'，F_y'，F_z')與(F_x，F_y，F_z)的變換關系如下：

九軸傳感器將位置信息發送到控制器二，控制器二計算平移運動所需參數U_x'，U_y'，U_z'，然后將所需參數發送到功率放大器一、功率放大器二、功率放大器三，其中U_x'為控制器二施加到功率放大器一的電壓U_y'為控制器二施加到功率放大器二的電壓U_z'為控制器二施加到功率放大器三的電壓，U_max為控制器的最大輸出電壓；

U_x'，U_y'，U_z'經功率放大器一、功率放大器二、功率放大器三轉換為I_x'，I_y'，I_z'，I_max為最大輸出電流，I_x'為電機一、電機六輸入電流；I_y'為電機二、電機四輸入電流；I_z'為電機三、電機五輸入電流；

B)電機振動提供力反饋

電機一、電機六的振動幅度，振動方向相同，分別提供力力平行于X'軸方向；電機二、電機四的振動幅度，振動方向相同，分別提供力力平行于Y'軸方向；電機三、電機五的振動幅度，振動方向相同，分別提供力力平行于Z'軸方向；

為三維空間內任意力矢量在X'軸上的分量，其大小等于與的和；為三維空間內任意力矢量在Y'軸上的分量，其大小等于與的和；為三維空間內任意力矢量在Z'軸上的分量，其大小等于與的和；

C)呈現平移觸覺

觸覺球體與用戶手掌接觸，用戶感受到球形外殼上的合力并將合力的方向為平移方向，通過力的矢量合成，振動電機單元能在三維空間內產生任意方向上的力。