[发明专利]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

说明书

技术领域

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

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。

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——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。

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。

参考文献

[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.

[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.

[3]Salcudean S E,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.

[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.

[5]Berkelman P,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.