CN107632701A - 一种人机交互虚拟训练力反馈参数的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种人机交互虚拟训练力反馈参数的控制方法，包括如下具体步骤：步骤1：根据虚拟场景的力反馈算法以及碰撞检测结果计算所需输出的反馈力和反馈力矩；步骤2：根据电机和阻尼器的选型确定与输出的反馈力和反馈力矩的输入输出关系；步骤3：求解控制每个电机和阻尼器的控制参数，驱动电机和阻尼器在末端产生合适的力和力矩，从而模拟真实环境的力感。本发明将实际力反馈控制与理论力反馈计算分离，分块进行，得以精确计算虚拟场景中力反馈理论产生力和力矩，并使用电流到PWM占空比再到电机和阻尼器的线性控制路径，控制实现简单有效，面向人机交互领域，结合电机和阻尼器实现力感输出，可以较好的还原虚拟场景产生的力反馈，可用于发生力觉交互的使用场景，有较高的交互真实度。
Description
技术领域
本发明属于实现人与计算机之间力觉信息交互技术领域，具体涉及一种人机交互虚拟训练力反馈参数的控制方法。
背景技术
力反馈系统，是一种计算机力觉感知/接口设备，该设备能够通过控制发出的力/力矩的大小和方向提高操作人员控制作业的临场感，同时利用自身携带的传感器(如位置编码器，力/力矩传感器)向操作系统传送当前的作业位置和受力情况。力反馈系统增强了人与计算机之间的耦合，方便了操作人员对信息的接受和处理，有利于提高操作过程的安全性和效率。当前现有的力反馈系统种类多达几十乃至上百种，广泛地应用于极端环境下的遥控作业、深空探测、远程医疗、虚拟现实、柔性制造等领域。
公知的力反馈系统从系统组成上可以分为机械部分和控制部分，其中的控制部分通过驱动电机和阻尼器带动机械部分实现反馈力的输出。因此，控制部分的人机交互虚拟训练力反馈参数的控制方法关系到反馈力输出能力和交互过程的操作临场感。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种结合电机和阻尼器、计算出力反馈参数，实现力感输出，可以较好的还原虚拟场景产生的力反馈的人机交互虚拟训练力反馈参数的控制方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种人机交互虚拟训练力反馈参数的控制方法，包括如下具体步骤：
步骤1：根据虚拟场景的力反馈算法以及碰撞检测结果计算所需输出的反馈力和反馈力矩；
步骤2：根据电机和阻尼器的选型确定与输出的反馈力和反馈力矩的输入输出关系；
步骤3：求解控制每个电机和阻尼器的控制参数，驱动电机和阻尼器在末端产生合适的力和力矩，从而模拟真实环境的力感。
进一步地，所述步骤1中通过计算反馈执行器从电机和阻尼器到力输出端的力臂，然后计算出输出端的反馈力和反馈力矩。
进一步地，所述计算所需输出的反馈力和反馈力矩具体通过基于虚拟场景的力模型建模方法，使用虚拟场景的力反馈算法，求解刚体间的接触力和力矩。
进一步地，所述反馈执行器从电机和阻尼器到力输出端的力臂的计算具体为:首先确定电机和阻尼器输出轴位置，然后通过输出轴位置信息计算力反馈输出端到电机和阻尼器输出轴的距离，以此得到输出端的力臂。
进一步地，所述步骤2的具体实现方式为：首先因为电机和阻尼器的输出力矩跟其驱动器的驱动电流成正相关，利用相关器件可使电机和阻尼器的驱动器输出电流与输入PWM波占空比成正相关，从而确定电机和阻尼器与输出的反馈力和反馈力矩的输入输出关系。
进一步地，所述步骤3中求解控制每个电机和阻尼器的控制参数具体为：将步骤1得到的反馈力和反馈力矩结合电机和阻尼器的工作手册进行线性转换，将反馈力或反馈力矩转换为电流大小，再利用相关器件将电流大小转换为PWM占空比大小，将电机和阻尼器的驱动器配置为电流输出模式，即可以通过PWM占空比大小控制输出电流的大小。
进一步地，所述步骤2中利用大电容或者MOS管器件可使电机和阻尼器的驱动器输出电流与输入PWM波占空比成正相关。
进一步地，所述PWM占空比通过交直流转换模块转换成驱动电流大小，电机和阻尼器的驱动器通过驱动电流控制电机和阻尼器输出端的输出大小。
有益效果：本发明与现有技术相比，将实际力反馈控制与理论力反馈计算进行分离，分块进行，得以精确计算虚拟场景中力反馈理论产生力和力矩，并使用驱动电流到PWM占空比再到电机和阻尼器的线性控制路径，控制实现简单有效，实现了力感输出，可以较好的还原虚拟场景产生的力反馈，可用于发生力觉交互的使用场景，有较高的交互真实度。
附图说明
图1为本发明的系统示意图；
图2为本发明的控制流程图；
图3为平动结构解算原理图1；
图4为菱形结构力学解算分析图；
图5为平动结构解算原理图2。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明提到的一种人机交互虚拟训练力反馈参数的控制方法，根据图1和图2所示，本发明具体的实现步骤如下：
步骤1：根据虚拟场景的力反馈算法以及碰撞检测结果计算所需输出的反馈力和反馈力矩，其具体为：首先确定电机和阻尼器输出轴位置，然后通过输出轴位置信息计算力反馈输出端到电机和阻尼器输出轴的距离，以此得到输出端的力臂，计算所需输出的反馈力和反馈力矩具体通过基于虚拟场景的力模型建模方法，使用虚拟场景的力反馈算法，求解刚体间的接触力和力矩，通过得到的反馈执行器从电机和阻尼器到力输出端的力臂，计算出输出端的反馈力和反馈力矩；
步骤2：根据电机和阻尼器的选型确定与输出的反馈力和反馈力矩的输入输出关系，其具体为：首先因为电机和阻尼器的输出力矩跟其驱动器的驱动电流成正相关，利用MOS管器件可使电机和阻尼器的驱动器输出电流与输入PWM波占空比成正相关，从而确定电机和阻尼器与输出的反馈力和反馈力矩的输出和输入PWM波占空比的关系；
步骤3：求解控制每个电机和阻尼器的控制参数，其具体为：将步骤1得到的反馈力和反馈力矩结合电机和阻尼器的工作手册进行线性转换，将反馈力或反馈力矩转换为电流大小，再利用MOS管器件将电流大小转换为PWM占空比大小，将电机和阻尼器的驱动器配置为电流输出模式，所述PWM占空比通过交直流转换模块转换成驱动电流大小，即可以通过PWM占空比大小控制输出电流的大小，电机和阻尼器的驱动器通过驱动电流控制电机和阻尼器输出端的输出大小，驱动电机和阻尼器在末端产生合适的力和力矩，从而模拟真实环境的力感。
下面结合图3、图4和图5，本发明的具体工作流程为：
如图3和图5所示为平动结构解算原理图，平面A1B1C1D1、平面A2B2C2D2和末端平面互相平行，不会产生倾斜或者转动，设轴1、轴2、轴3应输出的力矩为M1、M2、M3，平动结构末端应输出的反馈力在XYZ方向的分力分别为Fx、Fy、Fz，假设末端移动时，轴1和轴2的产生的转动角度分别为α和β，菱形拉伸结构在轴3产生的转动角度为γ，设并联连杆结构中的四杆长度均为L1，菱形拉伸结构中的杆长均为L2，并且将平面A1B1C1D1的中点定为空间坐标系的原点O，电机和阻尼器输出端的位置可看作为平动结构的末端位置，即点Q的位置。
对平动结构进行力学分析可得：
其中d是M1和M2的力臂，为Q点到平面A1B1C1D1的距离，即Q点的Z轴坐标，可得：
Fz取决于菱形拉伸机构的力学分析，采用虚位移原理进行求解。对菱形机构进行力学解算，如图4所示，假设在点P处安装的两个力矩电机和阻尼器产生力等价为M3/2，Q点受到沿Z轴的力Fz作用下移动了微小位移，所做虚功大小为，则:
综合上式可得：
计算出电机和阻尼器所需输出力后，参照其工作手册，可以计算出当前力反馈下执行器所需要的驱动电流大小；根据驱动器的特性参数，可以计算出当前驱动电流下所输入的PWM波占空比。利用简单的处理模块，可将理论力反馈值转变为特定占空比PWM波，将其输入电机和阻尼器的驱动器，转化为电流输出，从而控制电机和阻尼器的力反馈输出。
Claims (9)
1.一种人机交互虚拟训练力反馈参数的控制方法，其特征在于：包括如下具体步骤：
步骤1：根据虚拟场景的力反馈算法以及碰撞检测结果计算所需输出的反馈力和反馈力矩；
步骤2：根据电机和阻尼器的选型确定与输出的反馈力和反馈力矩的输入输出关系；
步骤3：求解控制每个电机和阻尼器的控制参数，驱动电机和阻尼器在末端产生合适的力和力矩，从而模拟真实环境的力感。
2.根据权利要求1所述的一种人机交互虚拟训练力反馈参数的控制方法，其特征在于：所述步骤1中通过计算反馈执行器从电机和阻尼器到力输出端的力臂，然后计算出输出端的反馈力和反馈力矩。
3.根据权利要求1或2所述的一种人机交互虚拟训练力反馈参数的控制方法，其特征在于：所述计算所需输出的反馈力和反馈力矩具体通过基于虚拟场景的力模型建模方法，使用虚拟场景的力反馈算法，求解刚体间的接触力和力矩。
4.根据权利要求2所述的一种人机交互虚拟训练力反馈参数的控制方法，其特征在于：所述反馈执行器从电机和阻尼器到力输出端的力臂的计算具体为:首先确定电机和阻尼器输出轴位置，然后通过输出轴位置信息计算力反馈输出端到电机和阻尼器输出轴的距离，以此得到输出端的力臂。
5.根据权利要求1所述的一种人机交互虚拟训练力反馈参数的控制方法，其特征在于：所述步骤2的具体实现方式为：首先因为电机和阻尼器的输出力矩跟其驱动器的驱动电流成正相关，利用相关器件可使电机和阻尼器的驱动器输出电流与输入PWM波占空比成正相关，从而确定电机和阻尼器与输出的反馈力和反馈力矩的输入输出关系。
6.根据权利要求5所述的一种人机交互虚拟训练力反馈参数的控制方法，其特征在于：所述步骤3中求解控制每个电机和阻尼器的控制参数具体为：将步骤1得到的反馈力和反馈力矩结合电机和阻尼器的工作手册进行线性转换，将反馈力或反馈力矩转换为电流大小，再利用相关器件将电流大小转换为PWM占空比大小，将电机和阻尼器的驱动器配置为电流输出模式，即可以通过PWM占空比大小控制输出电流的大小。
7.根据权利要求5所述的一种人机交互虚拟训练力反馈参数的控制方法，其特征在于：所述步骤2中利用大电容或者MOS管器件可使电机和阻尼器的驱动器输出电流与输入PWM波占空比成正相关。
8.根据权利要求6所述的一种人机交互虚拟训练力反馈参数的控制方法，其特征在于：所述PWM占空比通过交直流转换模块转换成驱动电流大小，电机和阻尼器的驱动器通过驱动电流控制电机和阻尼器输出端的输出大小。
9.根据权利要求1所述的一种人机交互虚拟训练力反馈参数的控制方法，其特征在于：所述步骤1中反馈力和反馈力矩的具体算法为：通过平动结构解算原理，平面A1B1C1D1、平面A2B2C2D2和末端平面互相平行，不会产生倾斜或者转动，设轴1、轴2、轴3应输出的力矩为M1、M2、M3，平动结构末端应输出的反馈力在XYZ方向的分力分别为Fx、Fy、Fz，假设末端移动时，轴1和轴2的产生的转动角度分别为α和β，菱形拉伸结构在轴3产生的转动角度为γ，设并联连杆结构中的四杆长度均为L1，菱形拉伸结构中的杆长均为L2，并且将平面A1B1C1D1的中点定为空间坐标系的原点O，电机和阻尼器输出端的位置可看作为平动结构的末端位置，即点Q的位置；
对平动结构进行力学分析可得：
其中d是M1和M2的力臂，为Q点到平面A1B1C1D1的距离，即Q点的Z轴坐标，可得：
Fz取决于菱形拉伸机构的力学分析，采用虚位移原理进行求解。对菱形机构进行力学解算，假设在点P处安装的两个力矩电机和阻尼器产生力等价为M3/2，Q点受到沿Z轴的力Fz作用下移动了微小位移Δ，所做虚功大小为δW，则:
综合上式可得：
。
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