基于电磁场控制的力觉和触觉融合再现装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供的基于电磁场控制的力觉和触觉融合再现装置和方法，基于电磁场控制原理，在绕有线圈的立方箱体中产生大小和方向都可控的三维背景电磁场；使用带有磁性模块的穿戴式手套，其掌心处的电磁铁模块用于力觉再现，手指指端处的电磁铁模块用于纹理触觉再现，各磁性模块与三维背景磁场进行交互；同时通过实时检测人手部三维位置信息，控制人手部相应位置磁性模块处电磁作用力的变化；本发明专利技术所设计的装置以及力觉和触觉融合再现方法,创新地实现了力觉和触觉融合的、多点交互的、非接触式的新型力觉和触觉融合再现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于人机交互中的力触觉再现
，尤其涉及一种基于电磁场控制的力觉和触觉融合的再现装置和方法。
技术介绍
力触觉再现技术作为一种新兴的人机交互技术，借助于力触觉再现设备和计算仿真环境使得操作者可以触摸、感知和操纵虚拟物体，实现其它感知系统无法完成的(人类与环境之间的)双向信息和能量交互，因而具有非常独特和极其重要的地位。在力触觉再现技术中，力触觉设备作为操作者与虚拟环境之间的接口，是力触觉再现系统得以实现的必要条件；人的力触觉感知特性是力触觉设备的设计依据；而力触觉建模方法则依赖力触觉再现设备，它们一起决定了系统的真实性和稳定性等性能指标。相应地，力触觉再现也分为力觉再现和触觉再现，力觉再现主要研究如何产生作用力反馈给操作者，再现操作者与虚拟物体之间交互的动态特性。Force Dimension公司的Omega系列和Delta系列设备，是基于地面/桌面固定式的，由于采用了独特的Delta结构，能够实现较高的作用力输出和再现刚度，且操作者可以基于该力反馈设备与虚拟物体进行非接触式交互。触觉再现研究主要集中在纹理触觉的再现，这类触觉再现系统一般通过采用各种方法来刺激操作者皮肤的触觉感受器，如空气风箱或喷嘴、各种方式产生的振动、微型针阵列、直流电脉冲、功能性的神经肌肉刺激等等。Li Man Li等人的“三维雕塑输入装置”(“3D Sculpturing Input Device”)专利中(专利号为US6483499B1)，使用四个相同的电磁铁，两两相对放置在同一高度平面上，在四个电磁铁围成的空间正中间的底面也放置一个电磁铁，相互之间输出排斥作用力；使用一个顶端装有永磁铁的杆状装置，在操作空间内运动，实现力觉感知。这种装置只能实现单一方向的力觉输出。此外，操作者需要借助于杆状感知工具才能实现力觉感知，不是基于自然交互的力触觉再现。Jianjuen Hu等人的“虚拟现实环境中的磁触觉反馈系统和方法”(“Magnetic Haptic Feedback Systems and Methods for Virtual Reality Environments”)专利中(专利号为US20060209019A1)，其所提到的力/触觉再现系统，将电磁铁阵列安置在底座上，可以通过中央控制器控制电磁铁阵列，产生大小和方向可控的磁场；同时通过尖端粘贴有永磁铁的细圆柱形力觉感知工具，实现操作者的力觉感知。与此类似，武汉大学申请的名为“一种多线圈电磁式力触觉反馈装置及方法”专利中(专利号为CN104598033A)，其所提到的力触觉反馈装置中，多个电磁线圈分布在底座上，线圈的姿态和位置可以随着人机交互应用需要而调整和改变；操作杆由磁铁和手柄构成，用于在线圈产生的有效磁场空间中与磁场交互。以上两种设计都是借助于间接的力反馈装置(如杆状手柄等)，增大了操作范围，避免了机械式力反馈装置中机械摩擦和机械耦合的问题。但由于借助操纵杆，也不是基于自然交互的力触觉再现。力反馈设备旨在实现力觉的反馈，但也有学者使用它来间接地实现触觉再现。东南大学的李佳璐和宋爱国等基于Phantom手控器，提出了基于虚拟物体表面三维轮廓信息，再现虚拟物体表面的形状和纹理的方法。基于力反馈的触觉再现方法的优势在于能在力觉再现设备的基础上增加触觉再现，然而这种触觉再现方法不够直观，其作用机制类似于操作者使用棒类工具划过物体表面所获得的力觉来间接感知触觉信息。Weiss等人采用19×12的电磁铁阵列合成了一个一维电磁场，并将永磁铁粘贴在操作者手指指尖上，构建了FingerFlux系统。该系统通过控制一维电磁场的变化进而控制操作者手指感受到的电磁作用力。阵列式触觉再现系统的优势在于比较直观、非接触而且能主动对操作者施加触觉刺激，但是也有一定的局限性，即功耗和成本高、难以微型化等。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对前述
技术介绍
中的缺陷和不足，提供一种基于电磁场控制的力觉和触觉融合再现装置。本专利技术提供的一种基于电磁场控制的力觉和触觉融合再现装置，包含立方箱体，三个螺线管线圈，三维背景磁场驱动和控制模块、电源模块、带磁性模块的穿戴式手套、磁性模块的驱动和控制模块、摄像头组模块和人手三维位置检测系统；所述立方箱体，其中一个面上开有一个操作孔，箱体的其它五个面封闭；所述立方箱体外表面绕有螺线管线圈；所述三维背景磁场驱动和控制模块，包含第一微控制器系统、螺线管线圈驱动电路和第一无线通讯模块，所述第一微控制器系统通过螺线管线圈驱动电路驱动和控制螺线管线圈，且通过第一无线通讯模块与磁性模块的驱动和控制模块连接通信；所述螺线管线圈分别与三维背景磁场驱动和控制模块中的螺线管线圈驱动电路连接；所述电源模块用于给螺线管线圈供电；所述带磁性模块的穿戴式手套包括掌心处的电磁铁和手指指端处的电磁铁，用于调节每个电磁铁模块所受到的电磁作用力；所述掌心处的电磁铁，内部为导磁铁芯、外部缠绕铜线，用于力觉再现，与掌心电磁铁驱动电路连接；所述指端处的电磁铁，内部为导磁铁芯、外部缠绕铜线，用于触觉再现，与指端电磁铁驱动电路连接；所述磁性模块的驱动和控制模块包含第二微控制器系统、掌心电磁铁驱动电路、指端电磁铁驱动电路和第二无线通讯模块，所述第二微控制器系统通过两个磁铁驱动电路分别驱动和控制掌心处的电磁铁和指端处的电磁铁，且通过第二无线通讯模块与三维背景磁场驱动和控制模块连接通信；所述摄像头组模块包含若干摄像头，摄像头分布在立方箱体的角落；所述摄像头连接到人手三维位置检测系统，用于实时获取无遮挡的人手部三维位置信息；所述人手三维位置检测系统用于实时检测人手部三维位置信息，并将人手部的三维位置信息传递到虚拟环境的场景中，且通过通讯接口与三维背景磁场驱动和控制模块连接通信。作为一种优选，以所述立方箱体的其中一个顶点作为原点，建立空间坐标系，所述操作孔位于立方箱体与x轴垂直的面上。作为一种优选，所述摄像头组模块采用8组摄像头，分别分布在空间坐标系8个坐标点处，每组摄像头包括1个双目摄像头和1个深度摄像头，每组摄像头的双目摄像头和深度摄像头朝向同一空间方向。作为一种优选，所述螺线管线圈与空间坐标轴相垂直，设有三组，每组线圈均匀间隔缠绕在立方箱体的三组沿同一方向延伸的外表面上，其中与y轴和z轴垂直的线圈在经过操作孔时绕线贴着孔外侧分布。作为一种优选，所述三维背景磁场驱动和控制模块中的第一微控制器系统，是基于TI公司的ARM Cortex M4处理器TM4C129构建，并采用PWM的方式，调节三个螺线管线圈产生的电磁场；其第一无线通讯模块通过2.4G蓝牙与第二无线通讯模块连接通信。作为一种优选，所述磁性模块的驱动和控制模块中的第二微控制器系统，是基于TI公司的ARM Cortex M4处理器TM4C123构建，并采用PWM的方式，调节穿戴式手套中磁性模块所受的电磁作用力；其第二无线通讯模块通过2.4G蓝牙与第一无线通讯模块连接通信。作为一种优选，所述电源模块，采用直流电源KXN6060D，用于给三个螺线管线圈供电。基于电磁场控制的力觉和触觉融合再现装置的再现方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：步骤1)建立虚拟场景；步骤2)通过摄像头组模块实时获取人手三维位置信息P(x,y,z,α,β,γ)，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电磁场控制的力觉和触觉融合再现装置，其特征在于：包含立方箱体，螺线管线圈，三维背景磁场驱动和控制模块、电源模块、带磁性模块的穿戴式手套、磁性模块的驱动和控制模块、摄像头组模块和人手三维位置检测系统；所述立方箱体，其中一个面上开有一个操作孔，箱体的其它五个面封闭；所述立方箱体外表面绕有螺线管线圈；所述三维背景磁场驱动和控制模块，包含第一微控制器系统、螺线管线圈驱动电路和第一无线通讯模块，所述第一微控制器系统通过螺线管线圈驱动电路驱动和控制螺线管线圈，且通过第一无线通讯模块与磁性模块的驱动和控制模块连接通信；所述螺线管线圈分别与三维背景磁场驱动和控制模块中的螺线管线圈驱动电路连接；所述电源模块用于给螺线管线圈供电；所述带磁性模块的穿戴式手套包括掌心处的电磁铁和手指指端处的电磁铁，用于调节每个电磁铁模块所受到的电磁作用力；所述掌心处的电磁铁，内部为导磁铁芯、外部缠绕铜线，用于力觉再现，与掌心电磁铁驱动电路连接；所述指端处的电磁铁，内部为导磁铁芯、外部缠绕铜线，用于触觉再现，与指端电磁铁驱动电路连接；所述磁性模块的驱动和控制模块包含第二微控制器系统、掌心电磁铁驱动电路、指端电磁铁驱动电路和第二无线通讯模块，所述第二微控制器系统通过两个磁铁驱动电路分别驱动和控制掌心处的电磁铁和指端处的电磁铁，且通过第二无线通讯模块与三维背景磁场驱动和控制模块连接通信；所述摄像头组模块包含若干摄像头，摄像头分布在立方箱体的角落；所述摄像头连接到人手三维位置检测系统，用于实时获取无遮挡的人手部三维位置信息；所述人手三维位置检测系统用于实时检测人手部三维位置信息，并将人手部的三维位置信息传递到虚拟环境的场景中，且通过通讯接口与三维背景磁场驱动和控制模块连接通信。...

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁场控制的力觉和触觉融合再现装置，其特征在于：包含立方箱体，螺线管线圈，三维背景磁场驱动和控制模块、电源模块、带磁性模块的穿戴式手套、磁性模块的驱动和控制模块、摄像头组模块和人手三维位置检测系统；所述立方箱体，其中一个面上开有一个操作孔，箱体的其它五个面封闭；所述立方箱体外表面绕有螺线管线圈；所述三维背景磁场驱动和控制模块，包含第一微控制器系统、螺线管线圈驱动电路和第一无线通讯模块，所述第一微控制器系统通过螺线管线圈驱动电路驱动和控制螺线管线圈，且通过第一无线通讯模块与磁性模块的驱动和控制模块连接通信；所述螺线管线圈分别与三维背景磁场驱动和控制模块中的螺线管线圈驱动电路连接；所述电源模块用于给螺线管线圈供电；所述带磁性模块的穿戴式手套包括掌心处的电磁铁和手指指端处的电磁铁，用于调节每个电磁铁模块所受到的电磁作用力；所述掌心处的电磁铁，内部为导磁铁芯、外部缠绕铜线，用于力觉再现，与掌心电磁铁驱动电路连接；所述指端处的电磁铁，内部为导磁铁芯、外部缠绕铜线，用于触觉再现，与指端电磁铁驱动电路连接；所述磁性模块的驱动和控制模块包含第二微控制器系统、掌心电磁铁驱动电路、指端电磁铁驱动电路和第二无线通讯模块，所述第二微控制器系统通过两个磁铁驱动电路分别驱动和控制掌心处的电磁铁和指端处的电磁铁，且通过第二无线通讯模块与三维背景磁场驱动和控制模块连接通信；所述摄像头组模块包含若干摄像头，摄像头分布在立方箱体的角落；所述摄像头连接到人手三维位置检测系统，用于实时获取无遮挡的人手部三维位置信息；所述人手三维位置检测系统用于实时检测人手部三维位置信息，并将人手部的三维位置信息传递到虚拟环境的场景中，且通过通讯接口与三维背景磁场驱动和控制模块连接通信。2.根据权利要求1所述的基于电磁场控制的力觉和触觉融合再现装置，其特征在于，以所述立方箱体的其中一个顶点作为原点，建立空间坐标系，所述操作孔位于立方箱体与x轴垂直的面上。3.根据权利要求2所述的基于电磁场控制的力觉和触觉融合再现装置，其特征在于，所述摄像头组模块采用8组摄像头，分别分布在空间坐标系8个坐标点处，每组摄像头包括1个双目摄像头和1个深度摄像头，每组摄像头的双目摄像头和深度摄像头朝向同一空间方向。4.根据权利要求2所述的基于电磁场控制的力觉和触觉融合再现装置，其特征在于，所述螺线管线圈与空间坐标轴相垂直，设有三组，每组线圈均匀间隔缠绕在立方箱体的三组沿同一方向延伸的外表面上，其中与y轴和z轴垂直的线圈在经过操作孔时绕线贴着孔外侧分布。5.根据权利要求1至4所述的任意一种基于电磁场控制的力觉和触觉融合再现装置，其特征在于，所述三维背景磁场驱动和控制模块中的第一微控制器系统，是基于TI公司的ARM Cortex M4处理器TM4C129构建，并采用PWM的方式，调节三个螺线管线圈产生的电磁场；其第一无线通讯模块通过2.4G蓝牙与第二无线通讯模块连接通信。6.根据权利要求1至4所述的任意一种基于电磁场控制的力觉和触觉融合再现装置，其特征在于，所述磁性模块的驱动和控制模块中的第二微控制器系统，是基于TI公司的ARM Cortex M4处理器TM4C123构建，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆熊，赵丽萍，胡叙胜，李沅泽，陈晓丽，孙浩浩，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32