机电式虚拟力觉提示装置 技术领域：
本发明涉及一种机电式虚拟力觉提示装置，是一种自行车仿真虚拟现实系统的后轮力觉提示装置，属于机电控制技术领域。背景技术：
自行车仿真虚拟现实系统由上层的力觉提示系统和下层的六维动感平台组成，在六维动感平台配合场景的变化作出相应的姿态动作的同时，力觉提示装置产生相应的力觉提示，模拟地面对自行车的作用力，使操作者产生身临其境的感觉。
国内在虚拟现实仿真系统方面的研究主要是关于下层运动平台的研究，关于类似的用于上层力觉提示装置的研究很少。其中上层的力觉系统包括前轮和后轮的力觉提示装置，这里介绍的都是指后轮力觉提示装置。后轮力觉提示装置中地难点在于模拟骑车的真实情况下，踏板给骑车者的被动力矩，即人踩动踏板时，踏板才产生对人的作用力矩，人停止时，踏板不会主动对人施以作用力，并且被动力矩的大小由模型得到的环境力觉控制，不受踏板转动速度的影响。而传统的力觉提示装置所提供的是主动力矩，不能满足控制的需要。
国外的一些机构对自行车仿真器进行了一些研究，例如韩国科技大学的KAIST自行车交互仿真系统(参照proceedings of 2001 IEEE conference onRobotics & Automation Seoul Korea May 21-26，2001)及新加坡南洋理工大学的自行车仿真系统(参照：http：//www.drc.ntu.edu.sg/groups/drc_www/projects_vr/bicycle_simulator/enter.epl)，其所用的后轮力觉提示装置一般为电机和磁力离合器相结合的形式，由电机产生主动力矩，磁力离合器产生被动力矩。这种实现形式既要控制电机又要控制磁力离合器，控制形式复杂，并且造价高。发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种机电式虚拟力觉提示装置，根据自行车仿真器的要求，实现力觉提示的功能，在此基础上力求结构简单、降低成本，可实现产品化。
为实现这样的目的，本发明的机电式虚拟力觉提示装置主要包括上位机、数字信号处理器DSP、电流控制电路和控制电机。上位机进行虚拟现实模型的计算，通过运动模型得出模拟场景所需给人的力觉提示，由DSP通过电流控制电路控制电机的电流从而控制电机的输出力矩，模拟实际情况中自行车受到的作用力，给人骑车的真实感受。
本发明具体实现结构为：上位机通过通讯接口总线与数字信号处理器DSP相连，数字信号处理器DSP的内部D/A输出通过电流控制电路与控制电机相连，电流控制电路的输出同时又经电流传感器反馈到电流控制电路的输入端，控制电机与负载相连，负载的信号通过电机上的编码器将转速采样信号传送到数字信号处理器DSP。
本发明将自行车后轮设计成一个大质量的转动惯性轮，模拟自行车行驶惯性，惯性轮通过齿轮传动带动电机。在电机的轴上装有编码器，进行转速采样。
上位机和数字信号处理器DSP通过通讯接口总线进行数据交换，把DSP反馈的数据(车轮转动速度)代入虚拟现实模型进行计算，产生运动场景，并得出力控制信息传给DSP。DSP把得到的力控制信息通过内部D/A输出到电流控制电路，其作用是通过控制电机的电流来控制电机的输出力矩。考虑到控制方式实现的效果、可靠性和难易程度，本发明采用的电流控制电路，包括PI闭环控制、电流放大和电流控制三部分。DSP的力控制信息与电流传感器的反馈信号连接闭环控制部分的输入端，其输出经电流放大部分连接到电流控制部分中功率管的基极。电流控制部分主要由一个功率管、一个功率电阻及两个截止二极管组成，功率管的集电极经功率电阻、二极管、电流传感器与控制电机相连，功率管的发射极经二极管与控制电机相连。
DSP的力控制信息与电流传感器的反馈信号进行PI闭环控制后得到电流控制部分的控制信号，由于其驱动电流不够大，不能直接驱动电流控制电路，因此，PI闭环控制电路的输出经电流放大电路放大后，再连接到电流控制电路的输入端，即功率管的基极。电流控制电路利用了三极管的输出特性，控制Ib即可控制Ic，从而控制电机的输出力矩。同时，DSP还采样后轮的转速，反馈给上位机，供其进行模型的计算。
本发明采用了机电结合的结构，控制形式简单，使用常用器件即可实现功能，满足了虚拟现实状态力觉提示的要求，同时又增加了装置的可靠性。简单实用的电机力控制电路，在一定范围内，可以产生线性输出力矩。采用闭环控制，工作状态稳定。本发明完全可以推广应用于其它类似的虚拟现实力觉提示系统。附图说明：
图1为本发明的虚拟力觉提示装置系统图。
图2为电机传动机械结构图。
图2中，1为踏板，2为大链轮，3为小链轮，4为惯性轮，5为带有编码器的电机。
图3为本发明电流控制电路原理图。
图3中，6为PI闭环控制部分、7为电流放大部分，8为电流控制部分。具体实施方式：
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
如图1所示，本发明的虚拟力觉提示装置主要包括上位机、数字信号处理器DSP、电流控制电路和控制电机。上位机通过通讯接口总线与数字信号处理器DSP相连，数字信号处理器DSP的内部D/A输出通过电流控制电路与控制电机相连，电流控制电路的输出同时又经电流传感器反馈到电流控制电路的输入端，控制电机与负载相连，负载的信号通过电机上的编码器将转速采样信号传送到数字信号处理器DSP。
上位机和数字信号处理器DSP通过通讯接口总线进行数据交换，把DSP得到的反馈数据(车轮转动速度)代入虚拟现实模型进行计算，产生运动场景，并得出力控制信息传给DSP。DSP把得到的力控制信息通过内部D/A输出到电流控制电路，其作用是通过控制电机的电流来控制电机的输出力矩。
操作者骑车时踩动脚踏板所提供的力作为负载，经过电机传动机械装置带动控制电机，如图2所示。本发明对原有的自行车结构进行了改造，自行车后轮是一个惯性轮4，以其外沿齿轮和控制电机5的轴上的齿轮相连接。操作者踩动踏板1带动大链轮2，大链轮2通过链条带动小链轮3，小链轮3带动同轴的惯性轮4。惯性轮4是一个大质量的转动圆盘，起到模拟自行车行驶惯性的目的。惯性轮4通过齿轮传动带动电机5。电机5的轴上装有编码器，进行转速采样。本发明保留了自行车的整体结构，以实现齿轮啮合等比较难实现的力觉，达到真实的感觉。
本发明考虑到控制方式实现的效果、可靠性和难易程度，采用的电流控制电路，包括PI闭环控制、电流放大和电流控制三部分。如图3所示。
Vi是输入的力控制信息，与DSP的D/A相连。Vf是电流传感器的反馈信号。Vf与Vi连接闭环控制部分的输入端，闭环控制部分的输出端经电流放大部分连接到电流控制部分的输入端，即功率管T2的基极。电流控制部分主要由功率管T2、功率电阻RP及两个截止二极管D1、D3组成，功率管T2的集电极与发射极并联一个滤波电容C5和稳压二极管D2，功率管T2的集电极经功率电阻RP、二极管D1、电流传感器与控制电机相连，功率管T2的发射极经二极管D3与控制电机相连。
Vf与Vi进行PI闭环控制后得到电流控制部分的控制信号，由于其驱动电流不够大，不能直接驱动电流控制电路，因此，PI闭环控制电路的输出经电流放大电路放大后，再连接到电流控制电路的功率管T2的基极。
电流控制电路的原理是利用了三极管的输出特性，三极管在放大区时，当基极电流Ib一定时，集电极电流Ic随集电极电压VCE变化很小，而且当Ib有一个变化量时，相应的Ic变化β倍，即：ΔIc＝βΔIb，因此控制Ib即可控制Ic，从而控制电机的输出力矩。并且只有人踩动踏板时才产生VCE，电路才打通产生Ic，电机才有作用力输出，解决了被动力矩产生的难点，满足了系统的要求。同时，DSP还采样后轮的转速，反馈给上位机，供其进行模型的计算。
用运放搭建的PI闭环控制部分将DSP的控制信号Vi和电流传感器反馈信号Vf进行比较，进行电流的闭环控制，原理同一般的PI调节电路。电流放大电路采用三极管放大PI调节器的输出信号来驱动电流控制电路。这里用的三极管是C9013。电流控制电路即电机的力控制电路。操作者骑车时，电机处于发电状态，产生电动势，在控制电压Vi的作用下，电机电枢电流恒定于相应值，由此电机输出力矩恒定于一定值，不随人作用力的变化而变化。操作者停止时，电流即为0，所以电机产生的力矩随外力作用而产生，称为被动力矩，适合模拟人骑车时的实际情况。电机产生的感应电动势随着操作者的骑车速度不同而变化，平均电动势最大时可达到150V，瞬时峰值电压上千伏，最高平均电流达到几个安培，因此对整个电路的耐功耗要求很高。除了元器件的选择外，本发明还采取了有效的散热措施。功率电阻RP用来分担功率管T2的功耗，同时对功率管T2和功率电阻RP配以散热块和风扇进行散热。功率管T2采用的是BU208A，耐压1500V，功率150W。功率电阻RP是10Ω，80W。由于要求电机长时间处于堵转状态，因此对电机的性能要求与普通电机不同，可采用永磁直流力矩电机，其额定转矩为4NM，额定转速为1000转/分。最后，由DSP通过D/A输出控制电压U的大小，闭环控制电流I，从而可以线性的控制电机的输出力矩。DSP采用的是TI公司的TMS320C2407，其是电机控制专用的一款DSP芯片。