三线圈姿态可调的电磁力反馈装置及其姿态计算与电流智能控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及人机交互领域，尤其涉及三线圈姿态可调的电磁力反馈装置及其姿态 计算与电流智能控制方法。
【背景技术】
[0002] 上世纪90年代Berkelman等人已经对电磁力反馈技术展开了研究，但其设计的设 备非常原始、笨重，手柄被约束在框架内，活动范围很小[1] [2]。Salcudean[3]和Brink[4] 等人对通过电磁力反馈模拟固体墙面及摩擦力的触感的方法进行了研究，但Brink只研究 了单线圈的情形，Salcudean则制作了一个很大的设备。
[0003] 近年来，Berkelman和Hu所在的两个团队分别发表了在电磁力反馈中的新成果。 Berkelman完善了电磁线圈的电流与电磁力的线性模型，以测量线圈在空间中的系数矩阵 为基础，得出了磁体在线圈阵列中的受力模型，以此为理论依据实现了小磁体在电磁线圈 阵列上的悬浮[5] [6]，并制作了一套触觉反馈系统[7] [8]。Hu从虚拟手术入手，从设备整 体的角度描述了一个电磁力反馈虚拟手术系统[9]。然而，Berkelman和Hu并没有对电磁 线圈的姿态给出严密的解释一一Berkelman简单地将线圈成六边形蜂窝阵列式摆放，Hu只 是直观地将电磁线圈分散地摆放在碗形区域里，并且两人均使用了远远超出所需的电磁线 圈数量。
[0004] 而事实上，虽然冗余的线圈数量可以在求解电流时提供更多选择，但线圈数量越 少，对电流的求解和控制越方便。理论上讲，三个线圈就能提供一定大小及范围的三维电磁 力反馈所需的磁场。此外，线圈的姿态会对求解的电流产生影响，合理的姿态可使交互过程 中线圈的功耗大大减小，反之会导致交互过程达不到实际需求甚至无法完成。因此，寻找最 佳的线圈姿态尤其重要。然而，脱离交互应用需求仅谈最佳姿态是没有意义的，如何针对交 互应用需求找到线圈最佳姿态是值得研究的问题。
[0005] 参考文献
[0006] [1] Berkelman P J，Hollis R L，Salcudean S E. Interacting with virtual environments using a magnetic levitation haptic interface [C]// Intelligent Robots and Systems 95. ' Human Robot Interaction and Cooperative Robots ! ，Proceedings.1995IEEE/RSJ International Conference on. IEEE，1995, 1:117-122.
[0007] [2]Berkelman P J，Hollis R L，Baraff D. Interaction with a real time dynamic environment simulation using a magnetic levitation haptic interface device [C]//Robotics and Automation, 1999. Proceedings. 1999 IEEE International Conference on. IEEE, 1999,4:3261-3266.
[0008] [3]Salcudean S Ej Vlaar T D. On the emulation of stiff walls and static friction with a magnetically levitated input/output device[J]. Journal of dynamic systems, measurement, and control,1997,119(1):127-132.
[0009] [4]Brink J B，Petruska A J，Johnson D E，et al.Factors affecting the design of untethered magnetic haptic interfaces[C]//Haptics Symposium(HAPTICS)，2014IEEE. IEEE，2014:107-114.
[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.
[0011] [6]Berkelman PjDzadovsky M. Magnetic levitation over large translation and rotation ranges in all directions[J]. MechatronicsjIEEE/ASME Transactions on，2013, 18(1) :44-52.
[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.
【发明内容】
[0015] 针对以往电磁力反馈设备线圈摆放姿态不严谨的问题，本发明引入了线圈位置摆 放与交互应用需求相关的概念，建立了描述交互应用对电磁场需求的模型，并给出了根据 交互应用需求计算线圈姿态的方法。此外，本发明为电磁力反馈装置提出了一种高精度的 线圈电流智能控制方法。
[0016] 本发明采用如下技术方案实现：
[0017] -种三线圈姿态可调的电磁力反馈装置，包括底座1、三个滑动支架2、3个线圈容 器3、3个线圈4以及线圈驱动电路12 ;底座1上设置有滑轨，滑动支架2设置在滑轨上， 线圈容器3设置在滑动支架2上，线圈4固定在线圈容器3上，线圈驱动电路12与线圈4 连接；三个线圈能在与滑轨平行、与地面垂直的平面上自由调节，通过调节线圈的方向和位 置，适应不同空间范围及不同电磁力大小和方向的交互应用需求（即：装置空间可调范围 为300mmX300mmX300mm，反馈力大小范围为0-4N)。
[0018] 所述可调线圈姿态的计算方法包括以下内容：
[0019] (2a).引入概率云描述适应不同空间范围及不同电磁力大小和方向的交互应用需 求的量，定义在t时刻的量Q为：
[0020] Q(t) = (L(t), B(t))
[0021] 其中，L(t)和B(t)分别表示t时刻在位置L(t)需要产生磁场B(t)，并且L(t)、 B (t)均为关于t的三维矢量；
[0022] 定义概率云f(L，B)为Q(t)所在的六维空间中每个点出现的联合概率密度，对任 意位置和磁场L。，B。，其计算公式为：
[0023]
[0024] 其中，LQx，LQy，LQz，B Qx，BQy，别为L。，B。在空间三个维度上的分量，
。G(UBid)为时间范围t e [0，T]内满足以下条件的区域集合：
[0025] Lx(t) ^L0xH Ly(t) ^L0yH Lz(t) ^L0zH Bx(t) ^B0xH By(t) ^B0yH Bz(t) ^B0z
[0026] 其中，符号Π 表不并且。
[0027] m(G(L0，B。)）为集合G的测度，测度表示集合G的大小，即在时间范围t e [0，T]中 所占的时间长度；
[0028] (2b).针对电磁力交互应用需求的电磁线圈最佳姿态计算模型，
[0029] 定义优化评价函数E :
[0030]
[0031] 其中，A(L)是三个线圈在位置L处的系数矩阵，d(L，B)是L，B空间中的积分微元。
[0032] 在线圈姿态的参数空间中，采用优化评价函数对E进行寻优，找到线圈的最佳姿 ??τ O
[0033] 所述的线圈驱动电路12用于线圈电流的智能控制，该驱动电路12包括嵌入式微 控制器、电源模块、H桥驱动模块、电流采样模块、智能PID电流调节模块、通信模块、电磁线 圈过温保护模块、功率电源过压欠压过流保护模块、异常报警模块等。其中，嵌入式微控制 器采用ARM Cortex-M3作为核心控制芯片。上述模块间的连接关系为：嵌入式微控制器ARM C〇rtex-M3产生的PffM信号经H桥驱动模块驱动电磁线圈阵列产生电流，为实现电流精确控 制，采用电流采样模块对线圈中的电流进行采样，并将采样信号转换为数字PWM信号，最后