專利名稱：機(jī)電式虛擬力覺提示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)電式虛擬力覺提示裝置，是一種自行車仿真虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的后輪力覺提示裝置，屬于機(jī)電控制技術(shù)領(lǐng)域。
國內(nèi)在虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)方面的研究主要是關(guān)于下層運動平臺的研究，關(guān)于類似的用于上層力覺提示裝置的研究很少。其中上層的力覺系統(tǒng)包括前輪和后輪的力覺提示裝置，這里介紹的都是指后輪力覺提示裝置。后輪力覺提示裝置中的難點在于模擬騎車的真實情況下，踏板給騎車者的被動力矩，即人踩動踏板時，踏板才產(chǎn)生對人的作用力矩，人停止時，踏板不會主動對人施以作用力，并且被動力矩的大小由模型得到的環(huán)境力覺控制，不受踏板轉(zhuǎn)動速度的影響。而傳統(tǒng)的力覺提示裝置所提供的是主動力矩，不能滿足控制的需要。
國外的一些機(jī)構(gòu)對自行車仿真器進(jìn)行了一些研究，例如韓國科技大學(xué)的KAIST自行車交互仿真系統(tǒng)(參照proceedings of 2001 IEEE conference onRobotics & Automation Seoul Korea May 21-26，2001)及新加坡南洋理工大學(xué)的自行車仿真系統(tǒng)(參照http//www.drc.ntu.edu.sg/groups/drc_www/projects_vr/bicycle_simulator/enter.epl)，其所用的后輪力覺提示裝置一般為電機(jī)和磁力離合器相結(jié)合的形式，由電機(jī)產(chǎn)生主動力矩，磁力離合器產(chǎn)生被動力矩。這種實現(xiàn)形式既要控制電機(jī)又要控制磁力離合器，控制形式復(fù)雜，并且造價高。
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種機(jī)電式虛擬力覺提示裝置，根據(jù)自行車仿真器的要求，實現(xiàn)力覺提示的功能，在此基礎(chǔ)上力求結(jié)構(gòu)簡單、降低成本，可實現(xiàn)產(chǎn)品化。
為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的機(jī)電式虛擬力覺提示裝置主要包括上位機(jī)、數(shù)字信號處理器DSP、電流控制電路和控制電機(jī)。上位機(jī)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實模型的計算，通過運動模型得出模擬場景所需給人的力覺提示，由DSP通過電流控制電路控制電機(jī)的電流從而控制電機(jī)的輸出力矩，模擬實際情況中自行車受到的作用力，給人騎車的真實感受。
本發(fā)明具體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)為上位機(jī)通過通訊接口總線與數(shù)字信號處理器DSP相連，數(shù)字信號處理器DSP的內(nèi)部D/A輸出通過電流控制電路與控制電機(jī)相連，電流控制電路的輸出同時又經(jīng)電流傳感器反饋到電流控制電路的輸入端，控制電機(jī)與負(fù)載相連，負(fù)載的信號通過電機(jī)上的編碼器將轉(zhuǎn)速采樣信號傳送到數(shù)字信號處理器DSP。
本發(fā)明將自行車后輪設(shè)計成一個大質(zhì)量的轉(zhuǎn)動慣性輪，模擬自行車行駛慣性，慣性輪通過齒輪傳動帶動電機(jī)。在電機(jī)的軸上裝有編碼器，進(jìn)行轉(zhuǎn)速采樣。
上位機(jī)和數(shù)字信號處理器DSP通過通訊接口總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，把DSP反饋的數(shù)據(jù)(車輪轉(zhuǎn)動速度)代入虛擬現(xiàn)實模型進(jìn)行計算，產(chǎn)生運動場景，并得出力控制信息傳給DSP。DSP把得到的力控制信息通過內(nèi)部D/A輸出到電流控制電路，其作用是通過控制電機(jī)的電流來控制電機(jī)的輸出力矩。考慮到控制方式實現(xiàn)的效果、可靠性和難易程度，本發(fā)明采用的電流控制電路，包括PI閉環(huán)控制、電流放大和電流控制三部分。DSP的力控制信息與電流傳感器的反饋信號連接閉環(huán)控制部分的輸入端，其輸出經(jīng)電流放大部分連接到電流控制部分中功率管的基極。電流控制部分主要由一個功率管、一個功率電阻及兩個截止二極管組成，功率管的集電極經(jīng)功率電阻、二極管、電流傳感器與控制電機(jī)相連，功率管的發(fā)射極經(jīng)二極管與控制電機(jī)相連。
DSP的力控制信息與電流傳感器的反饋信號進(jìn)行PI閉環(huán)控制后得到電流控制部分的控制信號，由于其驅(qū)動電流不夠大，不能直接驅(qū)動電流控制電路，因此，PI閉環(huán)控制電路的輸出經(jīng)電流放大電路放大后，再連接到電流控制電路的輸入端，即功率管的基極。電流控制電路利用了三極管的輸出特性，控制Ib即可控制Ic，從而控制電機(jī)的輸出力矩。同時，DSP還采樣后輪的轉(zhuǎn)速，反饋給上位機(jī)，供其進(jìn)行模型的計算。
本發(fā)明采用了機(jī)電結(jié)合的結(jié)構(gòu)，控制形式簡單，使用常用器件即可實現(xiàn)功能，滿足了虛擬現(xiàn)實狀態(tài)力覺提示的要求，同時又增加了裝置的可靠性。簡單實用的電機(jī)力控制電路，在一定范圍內(nèi)，可以產(chǎn)生線性輸出力矩。采用閉環(huán)控制，工作狀態(tài)穩(wěn)定。本發(fā)明完全可以推廣應(yīng)用于其它類似的虛擬現(xiàn)實力覺提示系統(tǒng)。
圖2為電機(jī)傳動機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。
圖2中，1為踏板，2為大鏈輪，3為小鏈輪，4為慣性輪，5為帶有編碼器的電機(jī)。
圖3為本發(fā)明電流控制電路原理圖。
圖3中，6為PI閉環(huán)控制部分、7為電流放大部分，8為電流控制部分。
如

圖1所示，本發(fā)明的虛擬力覺提示裝置主要包括上位機(jī)、數(shù)字信號處理器DSP、電流控制電路和控制電機(jī)。上位機(jī)通過通訊接口總線與數(shù)字信號處理器DSP相連，數(shù)字信號處理器DSP的內(nèi)部D/A輸出通過電流控制電路與控制電機(jī)相連，電流控制電路的輸出同時又經(jīng)電流傳感器反饋到電流控制電路的輸入端，控制電機(jī)與負(fù)載相連，負(fù)載的信號通過電機(jī)上的編碼器將轉(zhuǎn)速采樣信號傳送到數(shù)字信號處理器DSP。
上位機(jī)和數(shù)字信號處理器DSP通過通訊接口總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，把DSP得到的反饋數(shù)據(jù)(車輪轉(zhuǎn)動速度)代入虛擬現(xiàn)實模型進(jìn)行計算，產(chǎn)生運動場景，并得出力控制信息傳給DSP。DSP把得到的力控制信息通過內(nèi)部D/A輸出到電流控制電路，其作用是通過控制電機(jī)的電流來控制電機(jī)的輸出力矩。
操作者騎車時踩動腳踏板所提供的力作為負(fù)載，經(jīng)過電機(jī)傳動機(jī)械裝置帶動控制電機(jī)，如圖2所示。本發(fā)明對原有的自行車結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，自行車后輪是一個慣性輪4，以其外沿齒輪和控制電機(jī)5的軸上的齒輪相連接。操作者踩動踏板1帶動大鏈輪2，大鏈輪2通過鏈條帶動小鏈輪3，小鏈輪3帶動同軸的慣性輪4。慣性輪4是一個大質(zhì)量的轉(zhuǎn)動圓盤，起到模擬自行車行駛慣性的目的。慣性輪4通過齒輪傳動帶動電機(jī)5。電機(jī)5的軸上裝有編碼器，進(jìn)行轉(zhuǎn)速采樣。本發(fā)明保留了自行車的整體結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)齒輪嚙合等比較難實現(xiàn)的力覺，達(dá)到真實的感覺。
本發(fā)明考慮到控制方式實現(xiàn)的效果、可靠性和難易程度，采用的電流控制電路，包括PI閉環(huán)控制、電流放大和電流控制三部分。如圖3所示。
Vi是輸入的力控制信息，與DSP的D/A相連。Vf是電流傳感器的反饋信號。Vf與Vi連接閉環(huán)控制部分的輸入端，閉環(huán)控制部分的輸出端經(jīng)電流放大部分連接到電流控制部分的輸入端，即功率管T2的基極。電流控制部分主要由功率管T2、功率電阻RP及兩個截止二極管D1、D3組成，功率管T2的集電極與發(fā)射極并聯(lián)一個濾波電容C5和穩(wěn)壓二極管D2，功率管T2的集電極經(jīng)功率電阻RP、二極管D1、電流傳感器與控制電機(jī)相連，功率管T2的發(fā)射極經(jīng)二極管D3與控制電機(jī)相連。
Vf與Vi進(jìn)行PI閉環(huán)控制后得到電流控制部分的控制信號，由于其驅(qū)動電流不夠大，不能直接驅(qū)動電流控制電路，因此，PI閉環(huán)控制電路的輸出經(jīng)電流放大電路放大后，再連接到電流控制電路的功率管T2的基極。
電流控制電路的原理是利用了三極管的輸出特性，三極管在放大區(qū)時，當(dāng)基極電流Ib一定時，集電極電流Ic隨集電極電壓VCE變化很小，而且當(dāng)Ib有一個變化量時，相應(yīng)的Ic變化β倍，即ΔIc＝βΔIb，因此控制Ib即可控制Ic，從而控制電機(jī)的輸出力矩。并且只有人踩動踏板時才產(chǎn)生VCE，電路才打通產(chǎn)生Ic，電機(jī)才有作用力輸出，解決了被動力矩產(chǎn)生的難點，滿足了系統(tǒng)的要求。同時，DSP還采樣后輪的轉(zhuǎn)速，反饋給上位機(jī)，供其進(jìn)行模型的計算。
用運放搭建的PI閉環(huán)控制部分將DSP的控制信號Vi和電流傳感器反饋信號Vf進(jìn)行比較，進(jìn)行電流的閉環(huán)控制，原理同一般的PI調(diào)節(jié)電路。電流放大電路采用三極管放大PI調(diào)節(jié)器的輸出信號來驅(qū)動電流控制電路。這里用的三極管是C9013。電流控制電路即電機(jī)的力控制電路。操作者騎車時，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，產(chǎn)生電動勢，在控制電壓Vi的作用下，電機(jī)電樞電流恒定于相應(yīng)值，由此電機(jī)輸出力矩恒定于一定值，不隨人作用力的變化而變化。操作者停止時，電流即為0，所以電機(jī)產(chǎn)生的力矩隨外力作用而產(chǎn)生，稱為被動力矩，適合模擬人騎車時的實際情況。電機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢隨著操作者的騎車速度不同而變化，平均電動勢最大時可達(dá)到150V，瞬時峰值電壓上千伏，最高平均電流達(dá)到幾個安培，因此對整個電路的耐功耗要求很高。除了元器件的選擇外，本發(fā)明還采取了有效的散熱措施。功率電阻RP用來分擔(dān)功率管T2的功耗，同時對功率管T2和功率電阻RP配以散熱塊和風(fēng)扇進(jìn)行散熱。功率管T2采用的是BU208A，耐壓1500V，功率150W。功率電阻RP是10Ω，80W。由于要求電機(jī)長時間處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此對電機(jī)的性能要求與普通電機(jī)不同，可采用永磁直流力矩電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)矩為4NM，額定轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。最后，由DSP通過D/A輸出控制電壓U的大小，閉環(huán)控制電流I，從而可以線性的控制電機(jī)的輸出力矩。DSP采用的是TI公司的TMS320C2407，其是電機(jī)控制專用的一款DSP芯片。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)電式虛擬力覺提示裝置，其特征在于主要包括上位機(jī)、數(shù)字信號處理器、電流控制電路和控制電機(jī)，上位機(jī)通過通訊接口總線與數(shù)字信號處理器相連，數(shù)字信號處理器的輸出通過電流控制電路與控制電機(jī)相連，電流控制電路的輸出又經(jīng)電流傳感器反饋到電流控制電路的輸入端，控制電機(jī)與負(fù)載相連，電機(jī)軸上裝有轉(zhuǎn)速采樣編碼器連接數(shù)字信號處理器，電流控制電路包括PI閉環(huán)控制、電流放大和電流控制三部分，數(shù)字信號處理器的力控制信息Vi和電流傳感器的反饋信號Vf連接閉環(huán)控制部分的輸入端，閉環(huán)控制部分的輸出端經(jīng)電流放大部分連接到電流控制部分中功率管T2的基極，功率管T2的集電極與發(fā)射極并聯(lián)一個濾波電容C5和穩(wěn)壓二極管D2，功率管T2的集電極經(jīng)功率電阻RP、二極管D1、電流傳感器與控制電機(jī)相連，功率管T2的發(fā)射極經(jīng)二極管D3與控制電機(jī)相連。
全文摘要
一種機(jī)電式虛擬力覺提示裝置，主要包括上位機(jī)、數(shù)字信號處理器、電流控制電路與控制電機(jī)，負(fù)載后輪外沿齒輪和控制電機(jī)軸上的齒輪相連接，電機(jī)軸上裝有編碼器將轉(zhuǎn)速采樣信號傳送到數(shù)字信號處理器，電流控制電路包括PI閉環(huán)控制、電流放大和電流控制三部分，數(shù)字信號處理器的力控制信息和電流傳感器的反饋信號經(jīng)閉環(huán)控制、放大后再連接到電流控制電路的輸入端，電流控制電路利用了三極管的輸出特性控制電機(jī)的輸出力矩。本發(fā)明采用了機(jī)電結(jié)合的結(jié)構(gòu)，控制形式簡單，使用常用器件即可實現(xiàn)功能，滿足了虛擬現(xiàn)實狀態(tài)力覺提示的要求，同時又增加了裝置的可靠性。
文檔編號H02P3/14GK1463072SQ03129388
公開日2003年12月24日 申請日期2003年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月19日
發(fā)明者殷躍紅, 劉偉偉 申請人:上海交通大學(xué)