三線圈姿態可調的電磁力反饋裝置及其姿態計算與電流智能控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及人機交互領域，尤其涉及三線圈姿態可調的電磁力反饋裝置及其姿態 計算與電流智能控制方法。
【背景技術】
[0002] 上世紀90年代Berkelman等人已經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。
[0003] 近年來，Berkelman和Hu所在的兩個團隊分別發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，以此為理論依據實現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[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[9]。然而，Berkelman和Hu并沒有對電磁 線圈的姿態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域里，并且兩人均使用了遠遠超出所需的電磁線 圈數量。
[0004] 而事實上，雖然冗余的線圈數量可以在求解電流時提供更多選擇，但線圈數量越 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，線圈的姿態會對求解的電流產生影響，合理的姿態可使交互過程 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 佳的線圈姿態尤其重要。然而，脫離交互應用需求僅談最佳姿態是沒有意義的，如何針對交 互應用需求找到線圈最佳姿態是值得研究的問題。
[0005] 參考文獻
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[0010] [5]Berkelman Pj 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.
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[0012] [7]Peter Berkelmanj Sebastian Bozleej and Muneaki Miyasaka. Interactive rigid-body dynamics and deformable surface simulations with co-located maglev haptic and 3d graphic display. International Journal On Advances in Intelligent Systems, 6 (3 and 4):289 - 299,2013.
[0013] [8]Peter Berkelmanj Sebastian Bozleej and Muneaki Miyasaka. Interactive dynamic simulations with co-located maglev haptic and 3d graphic display. In ACHI2013, The Sixth International Conference on Advances in Computer-Human Interactions，pages 324 - 329, 2013.
[0014] [9]Hu J. Magnetic haptic feedback systems and methods for virtual reality environments:U. S. Patent Application 11/141,828[P].2005-6-1.

【發明內容】

[0015] 針對以往電磁力反饋設備線圈擺放姿態不嚴謹的問題，本發明引入了線圈位置擺 放與交互應用需求相關的概念，建立了描述交互應用對電磁場需求的模型，并給出了根據 交互應用需求計算線圈姿態的方法。此外，本發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] 本發明采用如下技術方案實現：
[0017] -種三線圈姿態可調的電磁力反饋裝置，包括底座1、三個滑動支架2、3個線圈容 器3、3個線圈4以及線圈驅動電路12 ;底座1上設置有滑軌，滑動支架2設置在滑軌上， 線圈容器3設置在滑動支架2上，線圈4固定在線圈容器3上，線圈驅動電路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節，通過調節線圈的方向和位 置，適應不同空間范圍及不同電磁力大小和方向的交互應用需求（即：裝置空間可調范圍 為300mmX300mmX300mm，反饋力大小范圍為0-4N)。
[0018] 所述可調線圈姿態的計算方法包括以下內容：
[0019] (2a).引入概率云描述適應不同空間范圍及不同電磁力大小和方向的交互應用需 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)需要產生磁場B(t)，并且L(t)、 B (t)均為關于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的聯合概率密度，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]內滿足以下條件的區域集合：
[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).針對電磁力交互應用需求的電磁線圈最佳姿態計算模型，
[0029] 定義優化評價函數E :
[0030]
[0031] 其中，A(L)是三個線圈在位置L處的系數矩陣，d(L，B)是L，B空間中的積分微元。
[0032] 在線圈姿態的參數空間中，采用優化評價函數對E進行尋優，找到線圈的最佳姿 ??τ O
[0033] 所述的線圈驅動電路12用于線圈電流的智能控制，該驅動電路12包括嵌入式微 控制器、電源模塊、H橋驅動模塊、電流采樣模塊、智能PID電流調節模塊、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系為：嵌入式微控制器ARM C〇rtex-M3產生的PffM信號經H橋驅動模塊驅動電磁線圈陣列產生電流，為實現電流精確控 制，采用電流采樣模塊對線圈中的電流進行采樣，并將采樣信號轉換為數字PWM信號，最后