[发明专利]质心偏移和振动结合的力反馈方向指导系统及控制方法

权利要求书

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在XY平面上的分量为在Z轴分量为与Z轴的夹角为θ₂，与XY平面上Y轴夹角为θ₁，控制器一对转矩进行受力分析，计算平移线索所需参数θ₁，θ₂；

3)旋转至方向

a)由初始位置旋转至方向

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)从旋转至方向

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；

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其大小为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：

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：

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：

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＝R_x(α)R_y(β)R_z(γ)

若在O-XYZ坐标系下合力坐标为(F_x，F_y，F_z)，故在O'-X'Y'Z'坐标系下坐标为(F_x'，F_y'，F_z')，(F_x'，F_y'，F_z')与(F_x，F_y，F_z)的变换关系如下：

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U_x'，U_y'，U_z'，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U_x'为控制器二施加到功率放大器一的电压U_y'为控制器二施加到功率放大器二的电压U_z'为控制器二施加到功率放大器三的电压，U_max为控制器的最大输出电压；

U_x'，U_y'，U_z'经功率放大器一、功率放大器二、功率放大器三转换为I_x'，I_y'，I_z'，I_max为最大输出电流，I_x'为电机一、电机六输入电流；I_y'为电机二、电机四输入电流；I_z'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，分别提供力力平行于X'轴方向；电机二、电机四的振动幅度，振动方向相同，分别提供力力平行于Y'轴方向；电机三、电机五的振动幅度，振动方向相同，分别提供力力平行于Z'轴方向；

为三维空间内任意力矢量在X'轴上的分量，其大小等于与的和；为三维空间内任意力矢量在Y'轴上的分量，其大小等于与的和；为三维空间内任意力矢量在Z'轴上的分量，其大小等于与的和；

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并将合力的方向为平移方向，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。