质心控制系统以及质心控制方法与流程

本公开涉及机械控制技术领域，尤其涉及一种质心控制系统以及质心控制方法。

背景技术：

虚拟现实(virtualreality，vr)技术主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。其中，感知是指理想的vr设备应该具有人类所具有的一切感知，除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还应具有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，亦称为多感知。目前，vr技术主要获取的是视觉与听觉信息，但现实世界还有触觉与力觉等信息。例如一个杯子，当杯中的水晃动时，杯子的质心是变化的，此时若能对捧着杯子的手做一个相应的反馈，则可以增强vr体验的真实感。

除此之外，在其他领域例如机器人的抓握、感知、平衡训练等方面也会涉及到质心的变化。又如运动器械的设计，其可以用一种主动的方式以一定的规律去改变运动器械的质心，从而系统的训练到不同部位的肌肉。

基于上述可知，系统质心的控制技术在不同领域都有各自的应用，因此亟待设计一种可控制质心变化的系统，以满足不同领域的需求。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

本公开的目的在于提供一种质心控制系统以及质心控制方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。

根据本公开的一个方面，提供一种质心控制系统，包括：

沿第一方向排布的多个第一通道；

沿第二方向排布的多个第二通道；

多个磁性小球，运动轨迹沿所述第一通道或者沿所述第二通道；

多个电磁感应装置，位于所述第一通道与所述第二通道的交汇位置处；以及，

控制装置，用于根据系统质心的目标位置控制对应的所述电磁感应装置通电以使所述磁性小球沿所述第一通道或者沿所述第二通道运动。

本公开的一种示例性实施例中，所述第一方向和所述第二方向相互垂直。

本公开的一种示例性实施例中，所述第一通道和所述第二通道异层交错设置。

本公开的一种示例性实施例中，所述第一通道和所述第二通道均为多层结构。

本公开的一种示例性实施例中，相邻各层通道之间设有磁绝缘层。

本公开的一种示例性实施例中，同一层中相邻所述第一通道之间等间距排布，同一层中相邻所述第二通道之间等间距排布，且相邻所述第一通道之间的间距与相邻所述第二通道之间的间距相等。

本公开的一种示例性实施例中，所述第一通道和所述第二通道的层数相同，且每层所述第一通道和每层所述第二通道的个数相同，所述质心控制系统的质心移动区域为整个系统的中心1/4区域。

本公开的一种示例性实施例中，所述电磁感应装置包括电磁铁。

根据本公开的一个方面，提供一种质心控制方法，包括：

根据系统质心的目标位置控制对应的第一电磁感应装置通电以使磁性小球沿第一通道运动；

根据系统质心的目标位置控制对应的第二电磁感应装置通电以使磁性小球沿第二通道运动；

其中，所述电磁感应装置位于所述第一通道与所述第二通道的交汇位置处。

本公开的一种示例性实施例中，沿所述第一通道运动的磁性小球与沿所述第二通道运动的磁性小球同时运动。

本公开示例性实施方式所提供的质心控制系统中具有多个磁性小球，一旦该多个磁性小球之间的相对位置发生变化，便有可能引起系统质心位置的变化。基于此，本示例实施方式通过设置在第一通道与第二通道的交汇位置处的电磁感应装置来控制各个磁性小球在通道中的位置，从而达到调节系统质心位置的目的。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性示出本公开示例性实施例中质心控制系统的结构示意图一；

图2示意性示出本公开示例性实施例中质心控制系统的结构示意图二；

图3示意性示出本公开示例性实施例中磁性小球的运动原理图；

图4示意性示出本公开示例性实施例中质心移动区域的示意图；

图5示意性示出本公开示例性实施例中质心控制方法的流程图；

图6示意性示出本公开示例性实施例中4行5列单层结构的质心控制系统示意图。

附图标记：

101-第一通道；102-第二通道；103-磁性小球；104-电磁感应装置。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施例使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免使本公开的各方面变得模糊。

为易于描述，诸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…上方”、“上部”等的空间关系术语，在此处可用于描述如图所示的一个元件或特征与另一个元件或特征(或者其它元件或特征)的关系。应当理解，空间关系术语旨在包括使用中或操作中的装置除图中所示的方位之外的不同方位。例如，如果图中的设备被翻转，则被描述为位于其它元件或特征的“下面”或“下方”的元件将位于其它元件或特征的“上方”。因此，示例性术语“在…下面”可包括“在…上方”和“在…下面”两者的方位。可另外对设备进行定位(被旋转90度或在其它的方位)，并且相应地解释在此处使用的空间关系描述符。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。附图中各层的厚度和形状不反映真实比例，仅是为了便于说明本公开的内容。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

本示例实施方式提供了一种质心控制系统，如图1和图2所示，包括：

沿第一方向排布的多个第一通道101；

沿第二方向排布的多个第二通道102；

多个磁性小球103，其运动轨迹沿第一通道101或者沿第二通道102；

多个电磁感应装置104，位于第一通道101与第二通道102的交汇位置处，用于产生电磁场以控制磁性小球的运动轨迹；以及，

控制装置，用于根据系统质心的目标位置控制对应的电磁感应装置104通电以使磁性小球103沿第一通道101或者沿第二通道104运动。

需要说明的是：所述电磁感应装置104可以设置在第一通道101与第二通道102的所有交汇位置处，即每一个交汇点均有可能产生电磁场而吸引磁性小球103；或者，所述电磁感应装置104也可以根据需要仅设置在第一通道101与第二通道102的特定交汇位置处，只要其所产生的电磁场能够控制磁性小球103的运动轨迹即可。

本公开示例性实施方式所提供的质心控制系统中具有多个磁性小球103，一旦该多个磁性小球103之间的相对位置发生变化，便有可能引起系统质心位置的变化。基于此，本示例实施方式通过设置在第一通道101与第二通道102的交汇位置处的电磁感应装置104来控制各个磁性小球103在通道中的位置，从而达到调节系统质心位置的目的。

其中，所述电磁感应装置104可以为电磁铁，即带铁心的螺旋线圈。通电时，所述电磁铁可以产生磁场，从而吸引周围的磁性小球103；断电时，所述电磁铁的磁性消失，从而对周围的磁性小球103无影响。

示例的，如图3所示，在没有磁场作用的情况下，位于图中虚线位置处的磁性小球103受到重力和支撑力的作用而处于平衡状态；当相邻位置的电磁铁通电产生磁场时，便会对虚线位置处的磁性小球103产生一电磁引力，此时该磁性小球103除了受到重力和支撑力的作用以外，还会受到一指向该电磁铁的引力，且当重力的力矩小于引力的力矩时该磁性小球103便会向该电磁铁的方向移动，直到运动到该电磁铁的正上方时恢复平衡状态而静止。以上过程即为磁性小球103受控运动至指定位置并被固定静止的过程，通过这种方式即可实现对磁性小球103的运动轨迹的控制。

本示例实施方式中，考虑到系统质心位置的计算过程的复杂程度，本示例可使第一通道101和第二通道102相互垂直设置，即第一方向与第二方向相互垂直。当然，第一通道101和第二通道102之间也可以非垂直设置，只是计算过程相对复杂而已，因此本实施例优选采用垂直设置的技术方案。

在一种实施方式中，参考图1所示，第一通道101和第二通道102可以异层交错设置；即，一层仅设置第一通道101，另一层仅设置第二通道102，且二者之间相互交错。

在另一种实施方式中，参考图2所示，第一通道101和第二通道102也可以同层交错设置；即，同一层中同时包括第一通道101和第二通道102，且二者之间相互交错。

由于同层设置时所有通道之间相互贯通，多个磁性小球103之间发生碰撞的概率相对较大，因此在控制磁性小球103沿各个通道运动时还需考虑时间因素，从而避免由碰撞引起的系统达到稳定状态消耗时间过长等问题，故计算过程相对复杂。

基于此，本实施例优选采用图1所示的异层交错的方式设置第一通道101和第二通道102。这样一来，各层通道之间可以独立控制，无需考虑过多因素，因此能够简化计算过程并节约计算资源。

在此基础上，为了确保不同层之间的独立控制效果，防止相邻层的电磁感应装置104产生干扰，本示例实施方式还可在相邻各层通道之间设置磁绝缘层。

本示例实施方式中，第一通道101和第二通道102均可以为多层结构。例如，第一通道101可以设置为m层，每层包括i个通道，第二通道102可以设置为n层，每层包括j个通道，此时相邻各层通道之间也可以设置磁绝缘层。其中，m、n、i、j均为大于1的正整数。

这样一来，多层第一通道101可以共同作用以控制系统质心沿第一方向的位置，多层第二通道102也可以共同作用以控制系统质心沿第二方向的位置，该两个方向的共同作用即可获取最终需要的系统质心位置。由于本实施方式采用多层通道结构，且各层通道可以独立控制而互不干扰，因此这种设置方式不仅可以模拟多种质量体系，还能更加高效快捷的实现系统质心的调整与控制。

本示例实施方式中，为了简化系统质心的控制计算过程，还可使同一层中相邻第一通道101之间等间距排布，同一层中相邻第二通道102之间等间距排布，且相邻第一通道101之间的间距与相邻第二通道102之间的间距相等例如均等于单位距离1。

示例的，如图4所示，设单个磁性小球103的质量为1，第一通道101和第二通道102的层数相同例如均为n层，每层第一通道101和每层第二通道102的个数相同例如均为a个，相邻第一通道101之间的间距与相邻第二通道102之间的间距相等例如均为1，则该质心控制系统的质心单向移动分辨率为0.5/n/a，质心移动区域为整个系统的中心1/4区域(图中阴影部分)。

需要说明的是：本示例实施方式对于系统总质量的控制可以通过改变第一通道101的行数i、第二通道102的列数j、第一通道101的层数m、第二通道102的层数n、以及单个磁性小球103的质量来实现，而对于质心移动区域范围的控制可以通过改变第一通道101的行数i、第二通道102的列数j、以及第一通道101和第二通道102的层数比m/n来实现。

基于上述的质心控制系统，本示例实施方式还提供了一种质心控制方法，如图5所示，所述方法可以包括：

s1、根据系统质心的目标位置控制对应的第一电磁感应装置104通电以使磁性小球103沿第一通道101运动；

s2、根据系统质心的目标位置控制对应的第二电磁感应装置104通电以使磁性小球103沿第二通道102运动。

其中，所述电磁感应装置104位于第一通道101与第二通道102之间的交汇位置处。

本公开示例性实施方式所提供的质心控制方法，利用电磁感应原理通过各通道交汇位置处设置的电磁感应装置104来控制各磁性小球103在通道中的位置，从而达到控制系统质心位置的目的。

本示例实施方式中，第一通道101和第二通道102均可以为多层结构，且各层通道之间可以利用磁绝缘材料进行隔离，因此各层通道能够实现独立控制。基于此，上述步骤s1和s2可以同时进行，即沿第一通道101运动的磁性小球103和沿第二通道102运动的磁性小球103可以同时运动，从而快速的实现从一个状态到另一个状态的切换。

需要说明的是：所述质心控制方法的具体细节已经在对应的质心控制系统中进行了详细的描述，这里不再赘述。

下面以一具体的实施例对所述质心控制系统及其控制方法进行具体的描述。

参考图4所示，设每个磁性小球103的质量均为1，该质心控制系统的阵列结构中共有i个第一通道101例如横向通道和j个第二通道102例如纵向通道，且横向通道为m层，纵向通道为n层，则单点的质量最大为m+n、最小为0，系统的总质量为i*m+j*n。

当只存在横向通道时，系统质心的纵向位置可以固定在中间位置，而系统质心的横向位置可以从最左侧移动到最右侧。

当只存在纵向通道时，系统质心的横向位置可以固定在中间位置，而系统质心的纵向位置可以从最上侧移动到最下侧。

本实施例中的质心控制系统可以通过以下的六个方程式进行完整的描述。

设第i行第j列的质量为mij，则：

0≤mij≤m+n；

设第i行的总质量为mhi，则：

0≤mhi≤j×n+m；

设第j列的总质量为mvj，则：

0≤mvj≤i×m+n；

在此基础上，参考图6所示，以i＝4、j＝5为例对该系统的质心移动分辨率进行分析。其中，设磁性小球103一次移动的距离为1。

第一，考虑单层通道的情况。

(1)针对于横向通道，以左上角为坐标原点，向下为y轴正方向，向右为x轴正方向，则单层横向通道质心的y轴坐标必为i/2＝2，单层横向通道质心的x轴坐标范围为[1/2,j-1/2]＝[0.5,4.5]。

横向通道共包括i个磁性小球，单独将一磁性小球向x轴的正方向移动1，则系统的横向质心变动1/i。

例如：所有磁性小球在第一列，系统质心的x轴坐标为0.5；三个磁性小球在第一列，一个磁性小球在第二列，系统质心的x轴坐标为0.75；两个磁性小球在第一列，两个磁性小球在第二列，系统质心的x轴坐标为1；一个磁性小球在第一列，三个磁性小球在第二列，系统质心的x轴坐标为1.25……

其中，系统质心的x轴坐标变化情况有(j-1)×i+1＝17种。

(2)针对于纵向通道类似，单层纵向通道质心的x轴坐标必为j/2＝2.5，单层纵向通道质心的y轴坐标范围为[1/2,i-1/2]＝[0.5,3.5]。

其中，系统质心的y轴坐标变化情况有(i-1)×j+1种＝16种。

第二，考虑多层通道的情况。

m层横向通道的总质量为i×m，则横向通道的质心位置为：([0.5:1/(i×m):j-0.5],i/2)；

n层纵向通道的总质量为j×n，则纵向通道的质心位置为：(j/2,[0.5:1/(j×n):i-0.5])；

m层横向通道和n层纵向通道所组成的系统总质量为i×m+j×n，则整个系统的质心位置根据以下范围进行确定：

x轴坐标最小值为

x轴坐标最大值为

x轴分辨率为1/(j*n+i*m)；

x轴移动范围为最大值与最小值的差

y轴坐标最小值为

y轴坐标最大值为

y轴分辨率为1/(j*n+i*m)；

y轴移动范围为最大值与最小值的差

若m＝n且i＝j＝a，则该系统为完全对称的系统。此时，x轴坐标为[0.25*(a+1):0.5/n/a:0.25*(3*a-1)]，共(a-1)×n×n种情况。若n＝4、a＝5，则为64种。由于对称性，y轴坐标与x轴坐标一样，也包括(a-1)×n×n种情况。在此情况下，系统质心在平面上移动的步长为0.5/n/a，即质心移动分辨率为0.5/n/a。

考虑系统的精密性，可使a>10，则x轴与y轴的坐标范围可简化为[0.25×a:0.75×a]，则系统质心位置的可移动范围为整个系统平面的中间1/4区域。本实施例对于系统质心的控制精度很高，以10行10列10层为例，该系统质心的控制精度可达0.005单位。

基于上述描述，本实施例对于系统质心的控制方法如下：

针对横向通道，用一个i行j列的矩阵m来表示一层横向通道中磁性小球的状态。

该层横向通道状态1：

第i个横向通道的磁性小球在与第ki个纵向通道的交汇处，则：

m1为稀疏矩阵，且每一行只有一个值为1，其余为0。

该层横向通道状态2：

第i个横向通道的磁性小球在与第qi个纵向通道的交汇处，则：

m2为稀疏矩阵，且每一行只有一个值为1，其余为0。

md＝m2-m1。

若ki＝qi，则md的第i行全为0，不需要移动；

若ki≠qi，则md的第i行的qi列为1，ki列为-1，小球需要从第ki列移动到qi列；

若ki<qi，则依次给ki+1,ki+2,…,qi列的电磁铁通电，将小球从第ki列移动到qi列；

若ki>qi，则依次给ki-1,ki-2,…,qi列的电磁铁通电，将小球从第ki列移动到qi列。

针对纵向通道的操作方法类似，这里不再赘述。

基于上述过程即可实现对系统质心位置的控制。一方面，本示例实施方式所提供的质心控制系统及其控制方法可以应用于vr技术中涉及质心改变的场景，例如模拟液体的流动等，通过上述的状态转换算法可实现多层通道间的并行控制，从而快速的转换系统的质心位置，可增加模拟物体质心移动时的真实感。另一方面，本示例实施方式所提供的质心控制系统及其控制方法还可以应用于健身器材的设计，有助于研究健身器材的质心分布对肌肉锻炼的影响，例如可变质心的哑铃等；或者也可以应用于具有固定运动模式的平衡装置，例如改变平衡板的质心，其一侧下沉，此时用户需要自身协调以保持平衡，从而可以达到更好的锻炼效果。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。