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CN109144274B - 质心偏移和振动结合的力反馈方向指导系统及控制方法 - Google Patents

质心偏移和振动结合的力反馈方向指导系统及控制方法 Download PDF

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CN109144274B
CN109144274B CN201811065665.5A CN201811065665A CN109144274B CN 109144274 B CN109144274 B CN 109144274B CN 201811065665 A CN201811065665 A CN 201811065665A CN 109144274 B CN109144274 B CN 109144274B
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CN
China
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motor
axis
controller
steering wheel
vibration
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王子婷
王庆龙
孙晓颖
陈建
温泉
赵煜
刘国红
佴威至
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Jilin University
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Jilin University
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Abstract

本发明涉及一种质心偏移和振动结合的力反馈方向指导系统及控制方法，属于人机交互领域。包括质心万向运动单元和振动电机单元，质心万向运动单元提供质心偏移力反馈，振动电机单元提供振动力反馈，通过质心偏移力反馈呈现旋转触觉和振动电机单元呈现平移触觉。优点是用户可以快速，准确地感受到目标方向。触觉球体可移动，使用方便，可在三维空间上实现六自由度的方向指导，可应用于医疗康复，VR手柄，鼠标，手机，平板等装置。

Description

质心偏移和振动结合的力反馈方向指导系统及控制方法
技术领域
本发明属于人机交互领域，尤其涉及一种质心偏移和振动结合的力反馈方向指导系统及控制方法，通过质心偏移力反馈呈现旋转触觉和振动力反馈单元呈现平移触觉，用户可以快速，准确地感受到目标方向，触觉球体可移动，使用方便，可在三维空间上实现六自由度的方向指导，可应用于医疗康复，VR手柄，鼠标，手机，平板等装置，引导用户实现方向探索。
背景技术
康复医学这一概念诞生于20世纪中期，是一门以消除和减轻人的功能障碍，弥补和重建人的功能缺失，设法改善和提高人各方面功能的医学学科，涉及功能障碍的预防，诊断，评估，治疗，训练和处理。康复医疗一直是现代医学的重要组成部分。随着国外康复医疗发展经验的不断影响，国内政策的不断完善和开放，康复医疗的新模式，新技术层出不穷，为康复医疗带来重要发展契机。
我国人口众多，老龄人口，残疾人口，慢性病患者数量逐年递增，康复医疗的需求越来越大，而与潜在的康复需求形成鲜明对比的是供给端的相对惨淡。
当今，随着计算机产业的高速发展，便携式终端的数目与种类与日剧增，其功能也在不断丰富。
美国专利“Haptic information presentation system and method”(申请号US20170220112A1)该专利通过在x，y，z轴上分别放置一对偏心旋转器，控制每对偏心旋转器在每一个轴上产生力或转矩的方向，大小。通过矢量合成，实现三维空间六自由度的方向指导，但是装置体积大，使用不方便，仅可提供振动力反馈，触觉方式单一。
中国专利申请“一种手功能综合康复训练平台”(CN107928989A)该发明的目的是帮助患者增强肌肉力量，用于上肢肌力康复训练的手功能综合康复训练，但是康复训练时需要一定的场地，装置的体积大，质量重不具有便携性。
中国专利申请“一种电动辅助上肢医疗康复机构”(CN107320290A)该发明公开了一种电动辅助上肢医疗康复机构，包括座椅转轴，上摆动杆，辅助电机，通过上辅助电机带动上摆动杆运行，从而实现辅助康复病人的手部的康复运动。但是该装置的体积大，质量重不具有便携性。
发明内容
本发明提供一种质心偏移和振动结合的力反馈方向指导系统及控制方法，通过提供力反馈，用于手部以及手臂的医疗康复，帮助用户完成康复任务。
本发明采取的技术方案是：一种质心偏移和振动结合的力反馈方向指导系统，上位机中的控制器三与无线通信模块一连接，该无线通信模块一与质心万向运动单元中的无线通信模块二无线连接，质心万向运动单元中的九轴传感器分别与无线通信模块二、控制器一电连接，无线通信模块二与控制器一电连接，无线通信模块二与下半球中的控制器二无线连接，控制器一分别与马达一和马达二电连接，控制器二分别与位于下半球中的功率放大器一、功率放大器二和功率放大器三电连接，功率放大器一分别与位于上半球中音圈电机一和下半球中的音圈电机六电连接，功率放大器二分别与位于下半球中的音圈电机二和音圈电机四电连接，功率放大器三分别与位于下半球中的音圈电机三和音圈电机五电连接；
上半球与下半球螺纹连接，质心万向运动单元位于上半球与下半球中并与下半球粘接，上半球的上半球壳的顶部中放置一个音圈电机一，下半球的下半球壳底部中放置一个音圈电机六，在下半球壳中部均布音圈电机二、音圈电机四、音圈电机三和音圈电机五，电路板二位于下半球壳中。
所述电机二、电机四分别放置在X轴正，X轴负位置上，且电机二、电机四长边平行于Y轴；电机三、电机五分别放置在Y轴正，Y轴负位置上，且电机三、电机五长边平行于Z轴；电机六放置在Z轴负位置上，且电机六长边平行于X轴，电机一放置在Z轴正位置上，且电机一长边平行于X轴。
所述的质心万向运动单元结构是：球形外壳内部设置载体，该载体的上部与弹簧一端连接，该弹簧另一端与球体连接，弹簧使球体和载体与球形外壳内壁顶接并与能内壁滑动，电路板一与载体的上方固定连接，电池与载体的下方固定连接，无线充电端口与电池电连接，马达一和马达二分别与载体下方固定连接，马达一和马达二分别通过联连装置与转向轮一和转向轮二连接，转向轮一和转向轮二分别与球形壳体的内壁滑动连接。
所述电路板一上有控制器一，九轴传感器，无线通信模块二。
所述球体与球形外壳内壁接触点的位置在转向轮一，转向轮二与内壁接触点的连线中点的径向相对处。
所述马达一，马达二和转向轮一，转向轮二作为质心万向运动驱动模块。
所述电路二包括控制器二，功率放大器一，功率放大器二和功率放大器三。
所述上半球与下半球构成振动电机单元，振动电机单元与质心万向运动单元称为触觉球。
一种质心偏移和振动结合的力反馈方向指导系统的控制方法，包括：
(一)呈现旋转触觉的控制方法包括：
1)初始化
未给系统供电时，质心位于任意位置；供电时，九轴传感器通过测量地球磁场得到质心G与球壳几何中心O的连线相对于重力方向的夹角θ0；
九轴传感器输出质心位于任意位置时的位置信息并传输至控制器一，控制器一接收位置信息并计算旋转运动参数，生成万向运动信息0，使马达一，马达二以角速度ω0同向转动，并判断万向运动驱动模块旋转角度是否达到θ0；若未达到，则继续运动；若达到，则马达一，马达二停止运动，该过程结束；该过程使万向运动驱动模块沿质心万向运动单元的球壳内壁转动至重力方向，运动时间为
Figure BDA0001798034560000031
t0时长较短，不会引起用户旋转的感觉；角速度ω0为系统默认值；
2)计算旋转运动所需参数
三维空间内任意方向的转矩
Figure BDA0001798034560000032
在XY平面上的分量为
Figure BDA0001798034560000033
在Z轴分量为
Figure BDA0001798034560000034
Figure BDA0001798034560000035
与Z轴的夹角为θ2，
Figure BDA0001798034560000036
与XY平面上Y轴夹角为θ1，控制器一对转矩
Figure BDA0001798034560000037
进行受力分析，计算平移线索所需参数θ1，θ2；
3)旋转至
Figure BDA0001798034560000038
方向
a)由初始位置旋转至
Figure BDA0001798034560000039
方向
质心万向运动单元球形外壳的几何中心O与质心G的连线竖直向下，此时的位置设定为初始位置，在初始位置处，马达一，马达二分别以角速度ω1反向转动使转向轮一和转向轮二以两轮连接线中点为旋转中心旋转角度θ1至
Figure BDA00017980345600000310
方向，t1为两轮旋转时间，其中旋转角度θ1小于等于90度，ω1为系统默认值；
t1＝θ1/ω1
上位机端发送场景更新信息，质心万向运动单元的无线通信模块接收场景信息然后传输至控制器一，九轴传感器输出质心初始位置信息并传输至控制器一，控制器一接收初始位置信息和场景更新信息，控制器一生成万向运动驱动信息1使马达一，马达二以角速度ω1反向旋转并判断此时万向运动驱动模块旋转角度是否达到θ1，若未达到，则继续运动；若达到，则马达一，马达二停止运动，该过程结束，其中两轮反向运动时间为t1，t1时长较短，不会引起用户旋转的感觉；
b)从
Figure BDA0001798034560000041
旋转至
Figure BDA0001798034560000042
方向
完成步骤a)后，马达一，马达二以角速度ω2同向转动，使两轮同时以角速度ω2同向运动，即质心万向运动驱动模块以质心万向运动单元球形外壳的几何中心O为旋转中心，角速度为ω2运动，旋转角度θ2，其中θ2为
Figure BDA0001798034560000043
与Z轴的夹角，t2为两轮旋转时间，ω2为系统默认值；
t2＝θ2/ω2
九轴传感器输出质心位置信息至控制器一，控制器一接收位置信息2，控制器一生成万向运动驱动信息2使马达一，马达二以角速度ω2同向旋转并判断此时万向运动驱动模块旋转角度是否达到θ2，若未达到，则继续运动；若达到，则马达一，马达二停止运动，该过程结束，其中两轮反向运动时间为t2，t2时长较短，不会引起用户旋转的感觉；
4)呈现旋转触觉
完成步骤3)后，确定
Figure BDA0001798034560000044
方向为旋转轴，质心万向运动单元持续旋转呈现旋转触觉，马达一，马达二分别以角速度ω3反向转动使转向轮一和转向轮二以两轮连接线中点为旋转中心持续旋转时间t3，其中，转向轮一和转向轮二的角速度为ω3，t3足以引起用户感知旋转，ω3为用户感知旋转的触觉效果最优的角速度，可通过实验测量；
Figure BDA0001798034560000045
其中，J是万向运动驱动模块的转动惯量，可以通过实验测得，质心万向运动模块产生的转矩为
Figure BDA0001798034560000046
其大小为
Figure BDA0001798034560000047
用户手持触觉球体感知到内部物体的旋转，并将内部物体旋转方向作为自身旋转线索；
九轴传感器输出质心位置信息3至控制器一，控制器一接收位置信息3，控制器一生成万向运动驱动信息3使马达一，马达二以角速度ω1反向旋转并判断此时两轮旋转时间是否达到t3，若未达到，则继续运动；若到达，则马达一，马达二停止运动，该过程结束；
(二)振动电机单元呈现平移线索的控制方法包括：
1)计算平移线索所需参数
为用户手持触觉球的标准位置，但是在人体运动时会引起触觉球相对于标准位置的偏移，需要坐标变换，坐标变换方法如下：
对于存在任意旋转变换的两个空间坐标系O-XYZ和O'-X'Y'Z'，其中两坐标系坐标原点重合，可以通过依次绕三个坐标轴旋转一定角度实现两个坐标系对应坐标轴的重合；
坐标系O-XYZ依次绕自身X轴，Y轴，Z轴分别逆时针转α，β，γ后可以与坐标系O'-X'Y'Z'重合，则空间中某点X，Y，Z在这两个坐标系中的描述关系如下，变换后的坐标X'，Y'，Z'；
若坐标系O-XYZ绕自身的X轴逆时针转α后与坐标系O'-X'Y'Z'重合，空间中某点在坐标系O-XYZ和O'-X'Y'Z'中的坐标描述存在以下关系：
Figure BDA0001798034560000051
若坐标系O-XYZ绕自身的Y轴逆时针转β之后与坐标系O’-X'Y'Z'重合，则对应的坐标关系如下：
Figure BDA0001798034560000052
若坐标系O-XYZ绕自身的Z轴逆时针转γ之后与坐标系O’-X'Y'Z'重合，则对应的坐标关系如下：
Figure BDA0001798034560000053
坐标系O-XYZ依次绕自身X轴，Y轴，Z轴分别逆时针转α，β，γ后可以与坐标系O'-X'Y'Z'重合则对应的坐标关系如下：
R＝Rx(α)Ry(β)Rz(γ)
Figure BDA0001798034560000054
Figure BDA0001798034560000061
若在O-XYZ坐标系下
Figure BDA0001798034560000062
坐标为(Fx，Fy，Fz)，故在O'-X'Y'Z'坐标系下
Figure BDA0001798034560000063
坐标为(Fx，Fy，Fz)，(Fx，Fy，Fz)与(Fx，Fy，Fz)的变换关系如下：
Figure BDA0001798034560000064
九轴传感器将位置信息发送到控制器二，控制器二计算平移运动所需参数Ux'，Uy'，Uz'，然后将所需参数发送到功率放大器一、功率放大器二、功率放大器三，其中Ux'为控制器二施加到功率放大器一的电压
Figure BDA0001798034560000065
Uy'为控制器二施加到功率放大器二的电压
Figure BDA0001798034560000066
Uz'为控制器二施加到功率放大器三的电压，
Figure BDA0001798034560000067
Umax为控制器的最大输出电压；
Ux'，Uy'，Uz'经功率放大器一、功率放大器二、功率放大器三转换为Ix'，Iy'， Iz'，
Figure BDA0001798034560000068
Imax为最大输出电流，Ix为电机一、电机六输入电流；Iy为电机二、电机四输入电流；Iz为电机三、电机五输入电流；
2)电机振动提供力反馈
电机一、电机六的振动幅度，振动方向相同，分别提供力
Figure BDA0001798034560000069
力
Figure BDA00017980345600000610
平行于X'轴方向；电机二、电机四的振动幅度，振动方向相同，分别提供力
Figure BDA00017980345600000611
力
Figure BDA00017980345600000612
平行于Y'轴方向；电机三、电机五的振动幅度，振动方向相同，分别提供力
Figure BDA00017980345600000613
力
Figure BDA00017980345600000614
平行于Z'轴方向；
Figure BDA00017980345600000615
为三维空间内任意力矢量
Figure BDA00017980345600000616
在X'轴上的分量，其大小等于
Figure BDA00017980345600000617
与
Figure BDA00017980345600000618
的和；
Figure BDA00017980345600000619
为三维空间内任意力矢量
Figure BDA00017980345600000620
在Y'轴上的分量，其大小等于
Figure BDA00017980345600000621
与
Figure BDA00017980345600000622
的和；
Figure BDA00017980345600000623
为三维空间内任意力矢量
Figure BDA00017980345600000624
在Z'轴上的分量，其大小等于
Figure BDA00017980345600000625
与
Figure BDA00017980345600000626
的和；
Figure BDA00017980345600000627
Figure BDA0001798034560000071
Figure BDA0001798034560000072
Figure BDA0001798034560000073
3)呈现平移触觉
触觉球体与用户手掌接触，用户可以感受到振动电机球形外壳上的合力
Figure BDA0001798034560000074
并将合力
Figure BDA0001798034560000075
的方向为平移方向，通过力的矢量合成，振动电机单元能在三维空间内产生任意方向上的力。
本发明包括质心万向运动单元和振动电机单元。质心万向运动单元提供质心位置连续变化的质心偏移的力反馈，振动电机单元在固定偏移提供振动力反馈，通过结合振动和质心偏移的力反馈方法，用户可以快速，准确地感受到目标方向。触觉球体可移动，使用方便，体积小，质量轻可在三维空间上实现六自由度的方向指导，可应用于VR手柄，鼠标，手机，平板等装置。触觉球体使用方便，触感真实，方向识别正确率高，感知所需时间短。用户手持该触觉球时可以快速直观的感受到系统所产生的方向力，转矩。该系统可提供力反馈，用于手部以及手臂的医疗康复，帮助用户完成康复任务。
本发明优点在于：
1)融合了质心偏移与振动两种触觉方式，振动电机单元在上提供低频振动力反馈，万向驱动单元提供连续变化的，动态的质心偏移力反馈。通过结合振动和质心偏移的力反馈方法，扩展反馈力维度，提高触觉反馈真实性。
2)触觉球体可移动，使用方便，可在三维空间上实现六自由度的方向指导。
3)本系统可同时呈现旋转和平移的触觉。
4)本系统可以有效地呈现平移和旋转线索，不仅仅是应用于行人导航还可应用于医疗康复，教育，体育训练以及娱乐等方面，如用户的肘关节受伤时，可以在家使用我们的设备接受方向信息，用于加强肘部的康复；用户可以使用我们的设备接受实时信息纠正动作的错误；在学习写字时，触觉球体可以用于指导手部动作。
附图说明
图1是本发明的系统图；
图2是本发明触觉球体的结构示意图；
图3a是本发明质心万向运动单元的结构示意图；
图3b是本发明质心万向运动单元的电路板一的结构示意图；
图4a是本发明振动电机单元的结构示意图；
图4b是本发明电路二的结构示意图；
图5a是本发明电流波形图；
图5b是本发明翻转后电流波形图；
图6是本发明音圈电机的受力图；
图7万向运动驱动模块旋转角度θ0示意图；
图8是本发明万向运动驱动模块旋转旋转角度θ0流程图；
图9是本发明转矩矢量分解示意图；
图10a是本发明万向运动驱动模块旋转角度θ1示意图；
图10b是本发明万向运动驱动模块旋转角度θ1俯视图；
图11是本发明万向运动驱动模块旋转旋转角度θ1流程图；
图12是本发明万向运动驱动模块旋转角度θ2示意图；
图13是本发明万向运动驱动模块旋转角度θ2流程图；
图14是本发明万向运动驱动模块旋转时间t3示意图；
图15是本发明万向运动驱动模块旋转旋转时间t3流程图；
图16是本发明振动电机单元产生力
Figure BDA0001798034560000081
示意图；
图17是本发明用户感知平移触觉示意图。
具体实施方式
如图1所示，上位机4中的控制器三401与无线通信模块一402连接，该无线通信模块一402与质心万向运动单元1中的无线通信模块二1051无线连接，质心万向运动单元1中的九轴传感器1052分别与无线通信模块二1051、控制器一1053电连接，无线通信模块二1051与控制器一1053电连接，无线通信模块二1051与下半球2中的控制器二2012无线连接，控制器一1053分别与马达一110和马达二111电连接，控制器二2012分别与位于下半球2中的功率放大器一2011、功率放大器二2013和功率放大器三2014电连接，功率放大器一2011分别与位于上半球3中音圈电机一301和下半球2中的音圈电机六206电连接，功率放大器二2013分别与位于下半球2中的音圈电机二202和音圈电机四203电连接，功率放大器三2014分别与位于下半球2中的音圈电机三204和音圈电机五205电连接；
上半球3与下半球2螺纹连接，质心万向运动单元1位于上半球3与下半球2中并与下半球2粘接，上半球3的上半球壳302的顶部中放置一个音圈电机一301，下半球2的下半球壳207底部中放置一个音圈电机六206，在下半球壳207中部均布音圈电机二202、音圈电机四203、音圈电机三204和音圈电机五205，电路板二201位于下半球壳207中；
所述电机二202，电机四204分别放置在X轴正，X轴负位置上，且电机二202，电机四204长边平行于Y轴；电机三203，电机五205分别放置在Y轴正，Y轴负位置上，且电机三203，电机五205长边平行于Z轴；电机六206放置在Z轴负位置上，且电机六206长边平行于X轴，电机一301放置在Z轴正位置上，且电机一301长边平行于X轴；
如图2所示，上半球3中放置一个音圈电机；下半球2中放置5个音圈电机，电路二；上半球3与下半球2通过螺纹连接，质心万向运动单元1位于上半球3与下半球2中并与下半球2粘接，用于进行触觉方向指导；
如图3a所示，所述的质心万向运动单元1结构是：球形外壳106内部设置载体102，该载体102的上部与弹簧103一端连接，该弹簧另一端与球体104连接，弹簧103使球体104和载体102与球形外壳106内壁顶接并与能内壁滑动，电路板一105与载体 102的上方固定连接，电池101与载体102的下方固定连接，无线充电端口107与电池101电连接，马达一110和马达二111分别与载体102下方固定连接，马达一110和马达二111分别通过联连装置与转向轮一108和转向轮二109连接，转向轮一108和转向轮二109分别与球形壳体的内壁滑动连接；
质心万向运动单元1可以在三维空间内任意方向上引起质心的偏移，呈现给用户质心偏移力反馈，通过控制质心偏移的速度，方向提供给用户旋转的触觉；
所述电路板一105上有控制器一1053，九轴传感器1052，无线通信模块二1051；
所述球体104与球形外壳106内壁接触点的位置在转向轮一108，转向轮二109 与内壁接触点的连线中点的径向相对处；
质心万向运动单元球形外壳106：可使无线信号自由穿过，球形壳体106由两个半球壳构成，使得球形壳体可以打开，可以访问内部器件；
所述马达一110，马达二111和转向轮一108，转向轮二109作为质心万向运动驱动模块；
转向轮一108，转向轮二109与球形壳体的内壁接触，通过在转向轮一108，转向轮二109上涂覆橡胶材料以增加摩擦力，电动机的动力通过转向轮一108，转向轮二 109的旋转传递到球形壳体的外表面；
如图4b所示，所述电路二201包括控制器二2012，功率放大器一2011，功率放大器二2013，功率放大器三2014；
控制器二2012其作用是单独控制输入到每个功率放大器的电压(波形，幅度，时长)，每个功率放大器放大两个电机的输入电流。功率放大器一2011，功率放大器二 2013，功率放大器三2014其作用是将电压转换为电流，放大电流，最终放大信号的功率。功率放大器2011的增益为G(A/V)，其中G为增益，增益的单位是A/V；
所述上半球3与下半球2构成振动电机单元，振动电机单元与质心万向运动单元称为触觉球。
本发明工作流程，如图1所示，将用户选择的场景作为输入信息，上位机4中的控制器三进行场景更新、姿态变换。上位机4通过无线通信模块402将场景更新，姿态变换信息发送到触觉球体的无线通信模块1051。触觉球体的九轴传感器1052将位置信息发送到触觉球体的无线通信模块1051和控制器一1053。触觉球体的控制器一 1053从无线通信模块1051获得场景更新，姿态变换信息，从九轴传感器1052获得位置信息。控制器一1053计算出旋转运动所需要的参数包括马达一110，马达二111的旋转方向，角速度，角度，时长，控制器一1053使质心万向运动驱动模块1108旋转呈现旋转触觉；触觉球体的控制器二2012从无线通信模块1051获得场景更新，姿态变换信息和位置信息。控制器二2012计算出平移线索所需要的参数，包括输出电压的波形，方向，幅值，电压经功率放大器一2011放大后输入到音圈电机一301，电机六 206；电压经功率放大器二2013放大后输入音圈电机二202，音圈电机四203；电压经功率放大器三2014放大后输入音圈电机三204，音圈电机五205后使电机振动呈现平移触觉。
质心万向运动单元1呈现三维空间内任意方向上的转矩，使用户感知旋转触觉，振动电机单元振动使触觉球呈现三维空间任意方向上的力，用户依据受力方向判断平移运动线索。
一种质心偏移和振动结合的力反馈方向指导系统的控制方法，包括：
(一)呈现旋转触觉的控制方法包括：
1)初始化
如图7，8所示，未给系统供电时，质心位于任意位置；供电时，九轴传感器1052 通过测量地球磁场得到质心G与球壳几何中心O的连线相对于重力方向的夹角θ0；
如图8所示，九轴传感器1052输出质心位于任意位置时的位置信息并传输至控制器一1053，控制器一1053接收位置信息并计算旋转运动参数，生成万向运动信息0，使马达一110，马达二111以角速度ω0同向转动，并判断万向运动驱动模块旋转角度是否达到θ0；若未达到，则继续运动；若达到，则马达一，马达二停止运动，该过程结束；该过程使万向运动驱动模块沿质心万向运动单元的球壳内壁转动至重力方向，运动时间为
Figure BDA0001798034560000111
t0时长较短，不会引起用户旋转的感觉；角速度ω0为系统默认值；
2)计算旋转运动所需参数
如图9所示，三维空间内任意方向的转矩
Figure BDA0001798034560000112
在XY平面上的分量为
Figure BDA0001798034560000113
在Z 轴分量为
Figure BDA0001798034560000114
Figure BDA0001798034560000115
与Z轴的夹角为θ2，
Figure BDA0001798034560000116
与XY平面上Y轴夹角为θ1，控制器一 1053对转矩
Figure BDA0001798034560000117
进行受力分析，计算平移线索所需参数θ1，θ2；
3)旋转至
Figure BDA0001798034560000118
方向
a)由初始位置旋转至
Figure BDA0001798034560000119
方向
如图10a，10b所示，质心万向运动单元球形外壳的几何中心O与质心G的连线竖直向下，此时的位置设定为初始位置，在初始位置处，马达一，马达二分别以角速度ω1反向转动使转向轮一108和转向轮二109以两轮连接线中点为旋转中心旋转角度θ1至
Figure BDA00017980345600001110
方向，t1为两轮旋转时间，其中旋转角度θ1小于等于90度，ω1为系统默认值；
t1＝θ1/ω1
如图11所示，上位机4端发送场景更新信息，质心万向运动单元的无线通信模块接收场景信息然后传输至控制器一1053，九轴传感器1052输出质心初始位置信息并传输至控制器一1053，控制器一1053接收初始位置信息和场景更新信息，控制器一 1053生成万向运动驱动信息1使马达一，马达二以角速度ω1反向旋转并判断此时万向运动驱动模块旋转角度是否达到θ1，若未达到，则继续运动；若达到，则马达一，马达二停止运动，该过程结束，其中两轮反向运动时间为t1，t1时长较短，不会引起用户旋转的感觉；
b)从
Figure BDA00017980345600001111
旋转至
Figure BDA00017980345600001112
方向
完成步骤a)后，如图12所示，马达一110，马达二111以角速度ω2同向转动，使两轮同时以角速度ω2同向运动，即质心万向运动驱动模块以质心万向运动单元球形外壳106的几何中心O为旋转中心，角速度为ω2运动，旋转角度θ2。其中θ2为
Figure BDA0001798034560000121
与Z轴的夹角，t2为两轮旋转时间，ω2为系统默认值；
t2＝θ2/ω2
如图13所示，九轴传感器1052输出质心位置信息2至控制器一1053，控制器一1053接收位置信息2，控制器一1053生成万向运动驱动信息2使马达一，马达二以角速度ω2同向旋转并判断此时万向运动驱动模块旋转角度是否达到θ2，若未达到，则继续运动；若达到，则马达一，马达二停止运动，该过程结束，其中两轮反向运动时间为t2，t2时长较短，不会引起用户旋转的感觉；
4)呈现旋转触觉
如图14所示，完成步骤3)后，确定
Figure BDA0001798034560000122
方向为旋转轴，质心万向运动单元持续旋转呈现旋转触觉，马达一110，马达二111分别以角速度ω3反向转动使转向轮一108 和转向轮二109以两轮连接线中点为旋转中心持续旋转时间t3，其中，转向轮一108 和转向轮二109的角速度为ω3，t3足以引起用户感知旋转，ω3为用户感知旋转的触觉效果最优的角速度，可通过实验测量；
Figure BDA0001798034560000123
其中，J是万向运动驱动模块的转动惯量，可以通过实验测得，质心万向运动模块产生的转矩为
Figure BDA0001798034560000124
其大小为
Figure BDA0001798034560000125
用户手持触觉球体感知到内部物体的旋转，并将内部物体旋转方向作为自身旋转线索；
如图15所示，九轴传感器1052输出质心位置信息3至控制器一1053，控制器一1053接收位置信息3，控制器一1053生成万向运动驱动信息3使马达一110，马达二 111以角速度ω1反向旋转并判断此时两轮旋转时间是否达到t3，若未达到，则继续运动；若到达，则马达一110，马达二111停止运动，该过程结束；
(二)振动电机单元呈现平移线索的控制方法包括：
1)计算平移线索所需参数
如图16所示，为用户手持触觉球的标准位置，但是在人体运动时会引起触觉球相对于标准位置的偏移，为解决此问题需要坐标变换，坐标变换方法如下：
对于存在任意旋转变换的两个空间坐标系O-XYZ和O'-X'Y'Z'，其中两坐标系坐标原点重合，可以通过依次绕三个坐标轴旋转一定角度实现两个坐标系对应坐标轴的重合；
坐标系O-XYZ依次绕自身X轴，Y轴，Z轴分别逆时针转α，β，γ后可以与坐标系O'-X'Y'Z'重合，则空间中某点X，Y，Z在这两个坐标系中的描述关系如下，变换后的坐标X'，Y'，Z'；
若坐标系O-XYZ绕自身的X轴逆时针转α后与坐标系O'-X'Y'Z'重合，空间中某点在坐标系O-XYZ和O'-X'Y'Z'中的坐标描述存在以下关系：
Figure BDA0001798034560000131
若坐标系O-XYZ绕自身的Y轴逆时针转β之后与坐标系O’-X'Y'Z'重合，则对应的坐标关系如下：
Figure BDA0001798034560000132
若坐标系O-XYZ绕自身的Z轴逆时针转γ之后与坐标系O’-X'Y'Z'重合，则对应的坐标关系如下：
Figure BDA0001798034560000133
坐标系O-XYZ依次绕自身X轴，Y轴，Z轴分别逆时针转α，β，γ后可以与坐标系O'-X'Y'Z'重合则对应的坐标关系如下：
R＝Rx(α)Ry(β)Rz(γ)
Figure BDA0001798034560000134
Figure BDA0001798034560000135
若在O-XYZ坐标系下
Figure BDA0001798034560000136
坐标为(Fx，Fy，Fz)，故在O'-X'Y'Z'坐标系下
Figure BDA0001798034560000137
坐标为(Fx，Fy，Fz)，(Fx，Fy，Fz)与(Fx，Fy，Fz)的变换关系如下：
Figure BDA0001798034560000141
九轴传感器1052将位置信息发送到控制器二2012，控制器二2012计算平移运动所需参数Ux'，Uy'，Uz'，然后将所需参数发送到功率放大器一2011、功率放大器二 2013、功率放大器三2014，其中Ux'为控制器二2012施加到功率放大器一2011的电压
Figure BDA0001798034560000142
Uy'为控制器二2012施加到功率放大器二2013的电压
Figure BDA0001798034560000143
Uz'为控制器二2012施加到功率放大器三2014的电压，
Figure BDA0001798034560000144
Umax为控制器的最大输出电压；
Ux'，Uy'，Uz'经功率放大器一2011、功率放大器二2013、功率放大器三2014 转换为Ix'，Iy'，Iz'
Figure BDA0001798034560000145
Imax为最大输出电流。Ix为电机一301，电机六206输入电流；Iy为电机二202，电机四204输入电流；Iz为电机三203，电机五205输入电流；
2)电机振动提供力反馈
电机一301，电机六206的振动幅度，振动方向相同，分别提供力
Figure BDA0001798034560000146
力
Figure BDA0001798034560000147
平行于X'轴方向；电机二202，电机四204的振动幅度，振动方向相同，分别提供力
Figure BDA0001798034560000148
力
Figure BDA0001798034560000149
平行于Y'轴方向；电机三203，电机五205的振动幅度，振动方向相同，分别提供力
Figure BDA00017980345600001410
力
Figure BDA00017980345600001411
平行于Z'轴方向；
Figure BDA00017980345600001412
为三维空间内任意力矢量
Figure BDA00017980345600001413
在X'轴上的分量，其大小等于
Figure BDA00017980345600001414
与
Figure BDA00017980345600001415
的和；
Figure BDA00017980345600001416
为三维空间内任意力矢量
Figure BDA00017980345600001417
在Y'轴上的分量，其大小等于
Figure BDA00017980345600001418
与
Figure BDA00017980345600001419
的和；
Figure BDA00017980345600001420
为三维空间内任意力矢量
Figure BDA00017980345600001421
在Z'轴上的分量，其大小等于
Figure BDA00017980345600001422
与
Figure BDA00017980345600001423
的和；
Figure BDA00017980345600001424
Figure BDA00017980345600001425
Figure BDA00017980345600001426
Figure BDA0001798034560000151
3)呈现平移触觉
如图17所示，触觉球体与用户手掌接触，用户可以感受到振动电机球形外壳上的合力
Figure BDA0001798034560000152
并将合力
Figure BDA0001798034560000153
的方向为平移方向，通过力的矢量合成，振动电机单元能在三维空间内产生任意方向上的力。

Claims (6)

1.一种质心偏移和振动结合的力反馈方向指导系统，其特征在于：上位机中的控制器三与无线通信模块一连接，该无线通信模块一与质心万向运动单元中的无线通信模块二无线连接，质心万向运动单元中的九轴传感器分别与无线通信模块二、控制器一电连接，无线通信模块二与控制器一电连接，无线通信模块二与下半球中的控制器二无线连接，控制器一分别与马达一和马达二电连接，控制器二分别与位于下半球中的功率放大器一、功率放大器二和功率放大器三电连接，功率放大器一分别与位于上半球中音圈电机一和下半球中的音圈电机六电连接，功率放大器二分别与位于下半球中的音圈电机二和音圈电机四电连接，功率放大器三分别与位于下半球中的音圈电机三和音圈电机五电连接；
上半球与下半球螺纹连接，质心万向运动单元位于上半球与下半球中并与下半球粘接，上半球的上半球壳的顶部中放置一个音圈电机一，下半球的下半球壳底部中放置一个音圈电机六，在下半球壳中部均布音圈电机二、音圈电机四、音圈电机三和音圈电机五，电路板二位于下半球壳中；
所述的质心万向运动单元结构是：球形外壳内部设置载体，该载体的上部与弹簧一端连接，该弹簧另一端与球体连接，弹簧使球体和载体与球形外壳内壁顶接并与能内壁滑动，电路板一与载体的上方固定连接，电池与载体的下方固定连接，无线充电端口与电池电连接，马达一和马达二分别与载体下方固定连接，马达一和马达二分别通过联连装置与转向轮一和转向轮二连接，转向轮一和转向轮二分别与球形外壳的内壁滑动连接，马达一，马达二和转向轮一，转向轮二作为质心万向运动驱动模块；
所述上半球与下半球构成振动电机单元，振动电机单元与质心万向运动单元构成触觉球体。
2.根据权利要求1所述的一种质心偏移和振动结合的力反馈方向指导系统，其特征在于：所述电机二、电机四分别放置在X轴正，X轴负位置上，且电机二、电机四长边平行于Y轴；电机三、电机五分别放置在Y轴正，Y轴负位置上，且电机三、电机五长边平行于Z轴；电机六放置在Z轴负位置上，且电机六长边平行于X轴，电机一放置在Z轴正位置上，且电机一长边平行于X轴。
3.根据权利要求1所述的一种质心偏移和振动结合的力反馈方向指导系统，其特征在于：所述电路板一上有控制器一，九轴传感器，无线通信模块二。
4.根据权利要求1所述的一种质心偏移和振动结合的力反馈方向指导系统，其特征在于：所述球体与球形外壳内壁接触点的位置在转向轮一，转向轮二与内壁接触点的连线中点的径向对应处。
5.根据权利要求1所述的一种质心偏移和振动结合的力反馈方向指导系统，其特征在于：所述电路板二包括控制器二，功率放大器一，功率放大器二和功率放大器三。
6.如权利要求1所述的一种质心偏移和振动结合的力反馈方向指导系统的控制方法，其特征在于包括：
(一)呈现旋转触觉的控制方法，包括以下步骤：
1)初始化
未给系统供电时，质心位于任意位置；供电时，九轴传感器通过测量地球磁场得到质心G与球壳几何中心O的连线相对于重力方向的夹角θ0；
九轴传感器输出质心位于任意位置时的位置信息并传输至控制器一，控制器一接收位置信息并计算旋转运动参数，生成万向运动信息0，使马达一，马达二以角速度ω0同向转动，并判断质心万向运动驱动模块旋转角度是否达到θ0；若未达到，则继续运动；若达到，则马达一，马达二停止运动，过程结束；该过程使质心万向运动驱动模块沿质心万向运动单元的球形外壳内壁转动至重力方向，运动时间为
Figure FDA0003038539310000021
t0时长小于时间域值t，不会引起用户旋转的感觉；角速度ω0为系统默认值；
2)计算旋转运动所需参数
三维空间内任意方向的转矩
Figure FDA0003038539310000022
在XY平面上的分量为
Figure FDA0003038539310000023
在Z轴分量为
Figure FDA0003038539310000024
Figure FDA0003038539310000025
与Z轴的夹角为θ2，
Figure FDA0003038539310000026
与XY平面上Y轴夹角为θ1，控制器一对转矩
Figure FDA0003038539310000027
进行受力分析，计算平移线索所需参数θ1，θ2；
3)旋转至
Figure FDA0003038539310000028
方向
a)由初始位置旋转至
Figure FDA0003038539310000029
方向
质心万向运动单元球形外壳的几何中心O与质心G的连线竖直向下，此时的位置设定为初始位置，在初始位置处，马达一，马达二分别以角速度ω1反向转动使转向轮一和转向轮二以转向轮一和转向轮二连接线中点为旋转中心旋转角度θ1至
Figure FDA00030385393100000210
方向，t1为转向轮一和转向轮二旋转时间，其中旋转角度θ1小于等于90度，ω1为系统默认值；
t1＝θ1/ω1
上位机端发送场景更新信息，质心万向运动单元的无线通信模块二接收场景更新信息然后传输至控制器一，九轴传感器输出质心初始位置信息并传输至控制器一，控制器一接收初始位置信息和场景更新信息，控制器一生成万向运动驱动信息1使马达一，马达二以角速度ω1反向旋转并判断此时质心万向运动驱动模块旋转角度是否达到θ1，若未达到，则继续运动；若达到，则马达一，马达二停止运动，过程结束，其中转向轮一和转向轮二反向运动时间为t1，t1时长小于时间域值t，不会引起用户旋转的感觉；
b)从
Figure FDA0003038539310000031
旋转至
Figure FDA0003038539310000032
方向
完成步骤a)后，马达一，马达二以角速度ω2同向转动，使转向轮一和转向轮二同时以角速度ω2同向运动，即质心万向运动驱动模块以质心万向运动单元球形外壳的几何中心O为旋转中心，角速度为ω2运动，旋转角度θ2，其中θ2为
Figure FDA0003038539310000033
与Z轴的夹角，t2为转向轮一和转向轮二旋转时间，ω2为系统默认值；
t2＝θ2/ω2
九轴传感器输出质心位置信息至控制器一，控制器一接收位置信息，控制器一生成万向运动驱动信息2使马达一，马达二以角速度ω2同向旋转并判断此时质心万向运动驱动模块旋转角度是否达到θ2，若未达到，则继续运动；若达到，则马达一，马达二停止运动，过程结束，其中转向轮一和转向轮二同向运动时间为t2，t2时长小于时间域值t，不会引起用户旋转的感觉；
4)呈现旋转触觉
完成步骤3)后，确定
Figure FDA0003038539310000034
方向为旋转轴，质心万向运动单元持续旋转呈现旋转触觉，马达一，马达二分别以角速度ω3反向转动使转向轮一和转向轮二以转向轮一和转向轮二连接线中点为旋转中心持续旋转时间t3，其中，转向轮一和转向轮二的角速度为ω3，t3时长大于时间域值t以引起用户感知旋转，ω3为用户感知旋转的触觉效果最优的角速度，通过实验测量；
Figure FDA0003038539310000035
其中，J是质心万向运动驱动模块的转动惯量，通过实验测得，质心万向运动模块产生的转矩为
Figure FDA0003038539310000036
其大小为
Figure FDA0003038539310000037
用户手持触觉球体感知到内部物体的旋转，并将内部物体旋转方向作为自身旋转线索；
九轴传感器输出质心位置信息3至控制器一，控制器一接收位置信息3，控制器一生成万向运动驱动信息4使马达一，马达二以角速度ω3反向旋转并判断此时转向轮一和转向轮二旋转时间是否达到t3，若未达到，则继续运动；若到达，则马达一，马达二停止运动，过程结束；
(二)振动电机单元呈现平移线索的控制方法，包括以下步骤：
A)计算平移线索所需参数
为用户手持触觉球的标准位置，但是在人体运动时会引起触觉球相对于标准位置的偏移，需要坐标变换，坐标变换方法如下：
对于存在任意旋转变换的两个空间坐标系O-XYZ和O'-X'Y'Z'，其中两个空间坐标系坐标原点重合，通过依次绕自身三个坐标轴旋转实现两个坐标系对应坐标轴的重合；
坐标系O-XYZ依次绕自身X轴，Y轴，Z轴分别逆时针转α，β，γ后与坐标系O'-X'Y'Z'重合，则空间中某点X，Y，Z在这两个坐标系中的描述关系如下，变换后的坐标X'，Y'，Z'；
若坐标系O-XYZ绕自身的X轴逆时针转α后与坐标系O'-X'Y'Z'重合，空间中某点在坐标系O-XYZ和O'-X'Y'Z'中的坐标描述存在以下关系：
Figure FDA0003038539310000041
若坐标系O-XYZ绕自身的Y轴逆时针转β之后与坐标系O’-X'Y'Z'重合，则对应的坐标关系如下：
Figure FDA0003038539310000042
若坐标系O-XYZ绕自身的Z轴逆时针转γ之后与坐标系O’-X'Y'Z'重合，则对应的坐标关系如下：
Figure FDA0003038539310000043
坐标系O-XYZ依次绕自身X轴，Y轴，Z轴分别逆时针转α，β，γ后与坐标系O'-X'Y'Z'重合则对应的坐标关系如下：
R＝Rx(α)Ry(β)Rz(γ)
Figure FDA0003038539310000051
Figure FDA0003038539310000052
若在O-XYZ坐标系下合力
Figure FDA0003038539310000053
坐标为(Fx，Fy，Fz)，故在O'-X'Y'Z'坐标系下
Figure FDA0003038539310000054
坐标为(Fx'，Fy'，Fz')，(Fx'，Fy'，Fz')与(Fx，Fy，Fz)的变换关系如下：
Figure FDA0003038539310000055
九轴传感器将位置信息发送到控制器二，控制器二计算平移运动所需参数Ux'，Uy'，Uz'，然后将所需参数发送到功率放大器一、功率放大器二、功率放大器三，其中Ux'为控制器二施加到功率放大器一的电压
Figure FDA0003038539310000056
Uy'为控制器二施加到功率放大器二的电压
Figure FDA0003038539310000057
Uz'为控制器二施加到功率放大器三的电压，
Figure FDA0003038539310000058
Umax为控制器的最大输出电压；
Ux'，Uy'，Uz'经功率放大器一、功率放大器二、功率放大器三转换为Ix'，Iy'，Iz'，
Figure FDA0003038539310000059
Imax为最大输出电流，Ix'为电机一、电机六输入电流；Iy'为电机二、电机四输入电流；Iz'为电机三、电机五输入电流；
B)电机振动提供力反馈
电机一、电机六的振动幅度，振动方向相同，分别提供力
Figure FDA00030385393100000510
力
Figure FDA00030385393100000511
平行于X'轴方向；电机二、电机四的振动幅度，振动方向相同，分别提供力
Figure FDA00030385393100000512
力
Figure FDA00030385393100000513
平行于Y'轴方向；电机三、电机五的振动幅度，振动方向相同，分别提供力
Figure FDA00030385393100000514
力
Figure FDA00030385393100000515
平行于Z'轴方向；
Figure FDA0003038539310000061
为三维空间内任意力矢量
Figure FDA0003038539310000062
在X'轴上的分量，其大小等于
Figure FDA0003038539310000063
与
Figure FDA0003038539310000064
的和；
Figure FDA0003038539310000065
为三维空间内任意力矢量
Figure FDA0003038539310000066
在Y'轴上的分量，其大小等于
Figure FDA0003038539310000067
与
Figure FDA0003038539310000068
的和；
Figure FDA0003038539310000069
为三维空间内任意力矢量
Figure FDA00030385393100000610
在Z'轴上的分量，其大小等于
Figure FDA00030385393100000611
与
Figure FDA00030385393100000612
的和；
Figure FDA00030385393100000613
Figure FDA00030385393100000614
Figure FDA00030385393100000615
Figure FDA00030385393100000616
C)呈现平移触觉
触觉球体与用户手掌接触，用户感受到球形外壳上的合力
Figure FDA00030385393100000617
并将合力
Figure FDA00030385393100000618
的方向为平移方向，通过力的矢量合成，振动电机单元能在三维空间内产生任意方向上的力。
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