[发明专利]力反馈控制方法和控制系统

说明书

本发明涉及虚拟现实的技术领域，公开了反馈控制方法和控制系统，其中力反馈控制方法包括以下步骤：运动学解算：采集设备末端各关节角度信号并设备位姿解算；在虚拟现实中根据运动学解算，显示并实时更新设备末端对应的代理点位置；反馈力输出解算：代理点在虚拟现实中与其他虚拟对象碰撞交互时，计算反馈力的大小和方向；根据反馈力输出解算获得各个电机的输入电流值，驱动对应电机运转，使设备末端输出所需的反馈力。本发明中提供的反馈控制方法和控制系统，在设备位姿解算中采用的角度信号为各设备关节的实际角度信号，消除了力反馈设备中常用的线传动系统引入的传动误差，使得代理点在虚拟环境中的位置更新更为精准，优化用户使用体验。

技术领域

本发明涉及虚拟现实的技术领域，尤其涉及力反馈控制方法。

背景技术

虚拟现实(VR)技术是一种通过一系列输入输出设备在计算机中所构建得 一个模拟现实的虚拟环境，用户能够通过输入设备在虚拟环境中进行漫游并与 虚拟环境中的对象进行交互；而输出设备能够把虚拟环境中的视听触等五官感 觉反馈给用户，使用户达到一种身临其境的沉浸式体验。

力/触觉作为人体五大感官中唯一具有信息双向传递性能的通道，在提高虚 拟现实人机交互的沉浸性上具有无可替代的作用。作为力/触觉的交互工具，力 反馈设备的性能成为了衡量力反馈系统人机交互性能的重要因素。在力反馈设 备中，包括具有一定自由度与用户交互的机械结构，而控制机械结构的控制系 统对于提高力反馈性能尤为关键。因此，对力反馈设备控制系统与方法的研究 具有举足轻重的意义。

现有技术中的力反馈设备，例如3D System公司的Touch X产品，为串联 式结构，有着刚度低、定位精确性不足等缺点；Force Dimensions公司的Delta 系列产品，开机需要校准，操作较为麻烦，此外，由于其采用的是电机角度， 在角度计算中需要增加一个转换过程，降低了准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供力反馈控制方法和控制系统，旨在解决现有技术中 虚拟现实力反馈设备具有定位准确度低，导致用户体验较差的问题。

本发明是这样实现的，提供力反馈控制方法，用于在虚拟现实系统中控制 设备末端，包括以下步骤：运动学解算：采集所述设备末端各关节角度信号并 设备位姿解算；在虚拟现实中根据运动学解算，显示并实时更新所述设备末端 对应的代理点位置；反馈力输出解算：所述代理点在所述虚拟现实中与其他虚 拟对象碰撞交互时，计算反馈力的大小和方向；根据反馈力输出解算获得各个 电机的输入电流值，驱动对应电机运转，使所述设备末端输出所需的反馈力。

进一步地，还包括以下步骤：根据设备位姿解算，计算在各位姿下平衡所 述设备末端所需要的电机电流值，并加入反馈力输出所需电流中。

进一步地，运动学解算中还包括：采集按键信号并抓取姿态分析。

进一步地，设备位姿解算具体包括：对并联平动部分的三元二次非线性方 程组，采用牛顿迭代法构建牛顿迭代方程计算出末端位置；对串联平动部分通 过D-H矩阵解算出末端姿态。

进一步地，计算反馈力的大小和方向具体包括：采用牛顿-欧拉法从所需要 输出的虚拟环境反馈力解算出设备末端的各杆件受力与各关节转矩。