基于组合电磁铁的三维局部励磁式力触觉再现系统及方法技术方案

本发明专利技术公开基于组合电磁铁的三维局部励磁式力触觉再现系统及方法，该方法通过调节三维组合背景电磁铁及指尖微型电磁铁的激励电流，实现操作者指尖力触觉再现。组合电磁铁阵列包括内层层叠式线圈一维电磁铁和外层阵列式线圈二维电磁铁，内层一维电磁铁产生X方向一维磁场，外层二维电磁铁产生YZ方向可旋转二维磁场。操作者佩戴指尖电磁铁在组合电磁铁内部操作空间中进行交互，系统基于虚拟交互模型及手指位置检测结果确定当前位置手指所需电磁作用力；根据三维局部励磁式力触觉再现方法，结合有限元仿真分析方法所得离散数据，确定内外层电磁铁和指尖电磁铁的激励方案，用最少的激励线圈组合产生所需梯度磁场，实现单个或多个指尖的力触觉再现。或多个指尖的力触觉再现。或多个指尖的力触觉再现。

【技术实现步骤摘要】
基于组合电磁铁的三维局部励磁式力触觉再现系统及方法


[0001]本专利技术属于人机交互中的三维力触觉再现
，尤其涉及一种基于组合电磁铁阵列的三维局部励磁式的力触觉再现方法。

技术介绍

[0002]力触觉再现技术基于人体触觉感知通道，旨在传递真实、丰富的触觉信息，实现力触觉再现。相较于视觉、听觉再现技术，力触觉再现技术能够在人机之间实现信息的双向传递，带给人机交互用户与真实世界相似的沉浸式体验，有助于人们感知力、形状等多维度物理信息。因而广泛应用于AR、VR等人机交互领域及虚拟医学触诊、STEM教育应用等新兴研究领域。
[0003]力触觉再现技术的实现主要依赖于力触觉再现设备，早期的力触觉再现设备包括穿戴式、机械结构式、基于操作杆式等，此类设备虽然能够实现较为精确的力触觉反馈，但往往受限于复杂的操作装置，使触觉交互过程变得复杂化。与此相较，非接触的力触觉再现能够实现更为自然、无负担的力触觉再现而不再局限于操作装置本身，因而成为近年来的研究热点。现阶段非接触式的力触觉再现技术包括，基于空气压力的力触觉再现，基于声辐射力的力触觉再现，基本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于组合电磁铁的三维局部励磁式力触觉再现系统，其特征在于，所述系统包括三维背景电磁场激励模块，三维指尖微型电磁铁模块，背景电磁铁驱动模块，指尖电磁铁驱动模块，中央控制模块及位置检测模块；其中，所述三维背景电磁场激励模块包括内层层叠式线圈一维电磁铁、外层阵列式线圈二维电磁铁，基于所述一维电磁铁和二维电磁铁的空间结构建立坐标系，产生X、Y、Z方向磁场，所述X、Y、Z方向磁场用于与所述三维指尖微型电磁铁模块进行交互；所述背景电磁铁驱动模块包括内层电磁铁驱动模块和外层电磁铁驱动模块，内层电磁铁驱动模块用于驱动内层层叠式线圈，外层电磁铁驱动模块用于驱动外层阵列式线圈单元，背景电磁驱动模块由中央控制模块控制。2.根据权利要求1所述的基于组合电磁铁的三维局部励磁式力触觉再现系统，其特征在于，所述三维背景电磁场激励模块包括内层层叠式线圈一维电磁铁、外层阵列式线圈二维电磁铁和支撑底座，内外层线圈电磁铁嵌套为圆柱筒状结构，由支撑底座支撑，筒内为操作空间；以所述操作空间中心为原点O，轴向为系统X轴方向，径向任意方向为Y轴方向，根据右手原则建立背景电磁体坐标系，即系统坐标系；所述内层层叠式线圈一维电磁铁由N个圆盘状线圈EM
Xi
层叠构成，i＝1，2，
…
N，通过控制层叠式线圈的激励电流，产生所需大小和方向可控的X方向磁场；所述外层阵列式线圈二维电磁铁包含N1
×
N2个一维线圈单元，其中，径向截面N1个一维径向线圈单元，轴向截面N2个一维径向线圈单元，一维线圈单元EM
YZjk
围绕内层层叠式线圈排列而成，j＝1，2，
…
N1，k＝1，2，
…
N2，各线圈单元的磁矩方向指向所在径向截面中心点，从而实现在N2个径向截面区域，通过控制对应的N1个线圈单元的激励电流，产生所需大小和方向可控的YZ方向磁场。3.根据权利要求1所述的基于组合电磁铁的三维局部励磁式力触觉再现系统，其特征在于，所述三维指尖微型电磁铁模块包括三维正交电磁铁和穿戴式骨架，所述三维正交电磁铁由漆包铜线正交绕制而成，穿戴式骨架用于固定电磁铁并方便操作者穿戴。4.根据权利要求1所述的基于组合电磁铁的三维局部励磁式力触觉再现系统，其特征在于，所述指尖微型电磁铁驱动模块包括指尖电磁铁驱动模块、第二无线通信模块、电源模块，所述驱动模块控制及驱动三维正交电磁铁，所述第二无线通信模块用于与中央控制模块通信，获取相应指尖电磁铁的控制驱动参数，所述电源模块用于向整个指尖电磁铁及控制驱动装置供电。5.根据权利要求1所述的基于组合电磁铁的三维局部励磁式力触觉再现系统，其特征在于，所述中央控制模块包括嵌入式中央控制系统、PC机和第一无线通信模块，所述嵌入式中央控制系统负责接收PC机指令，产生背景电磁铁驱动模块所需要的PWM信号；所述PC机用于运行操作者手指位置检测算法，运行力触觉设备底层控制算法，计算产生背景电磁铁驱动模块和指尖微型电磁铁驱动模块所需的激励信号参数；所述第一无线通信模块，作为中央控制模块的无线通信接口，用于与第二无线通信模块通信。6.基于组合电磁铁的三维局部励磁式力触觉再现方法，其特征在于，该方包含以下步骤：步骤一，虚拟工作场景和力触觉再现模型构建；基于背景电磁体内真实操作空间，构建虚拟工作场景，包括虚拟操作空间、虚拟物体和虚拟人手，力触觉再现模型反应人手和虚拟
物体交互时，人手位置与作用力的映射关系；步骤二，基于磁场叠加原理的电磁作用力仿真离散数据获取；使用有限元仿真方法分析指尖电磁铁所受电磁力与背景电磁铁激励电流、多个指尖电磁铁激励电流、指尖电磁铁位姿信息的对应关系，获取相应离散数据；步骤三，手指位置检测；操作空间内部摄像头模块实时检测多个指尖电磁铁EM
FTi
，i为指尖电磁铁编号，的位姿信息(Px
i
，Py
i
，Pz
i
，α，β，γ)，并反馈给中央控制模块；步骤四，指尖电磁铁所需电磁力计算；基于构建的虚拟工作场景及力触觉再现模型，中央控制模块根据指尖电磁铁EM
FTi
当前位置(Px
i
，Py
i
，Pz
i
，α
i
，β
i
，γ
i
)，确定指尖电磁铁与虚拟物体交互时所需电磁作用力，作为力触觉再现方法中的指尖电磁铁的目标电磁作用力i为指尖电磁铁编号，步骤五，采用组合电磁铁阵列三维局部励磁式力触觉再现方法控制产生背景电磁场，实现基于指尖电磁铁的、人手非接触式的力触觉再现；中央控制模块根据步骤四中的指尖电磁铁目标电磁作用力结合步骤二中的仿真离散数据，通过力触觉再现方法激励背景电磁铁和指尖电磁铁，在指尖电磁铁产生电磁作用力，实现力触觉再现；重复至步骤三。7.根据权利要求6所述的基于组合电磁铁的三维局部励磁式力触觉再现方法，其特征在于，所述指尖电磁铁所受电磁作用力其中，为指尖电磁铁磁矩，为梯度算子，为指尖电磁铁EM
FTi
所在位置背景电磁场的磁感应强度，根据麦克斯韦方程，改变背景电磁场磁感应强度和指尖电磁铁磁矩，实现对指尖电磁铁EM
FTi
所受电磁作用力的调控，所述指尖电磁铁EM
FTi
所受力矩8.根据权利要求7所述的基于组合电磁铁的三维局部励磁式力触觉再现方法，其特征在于，指尖电磁铁磁矩方向和背景电磁场磁感应强度梯度方向相同时，指尖磁铁所受力矩最小，指尖电磁铁磁矩方向与磁感应强度方向角度差越小，指尖电磁铁所受力矩越小。9.根据权利要求7所述的基于组合电磁铁的三维局部励磁式力触觉再现方法，其特征在于，首先设置指尖电磁铁激励电流为最大，确定指尖电磁铁磁矩，然后根据当前指尖电磁铁的位置，按照由近及远的方式依次对内外层背景电磁铁线圈施加激励电流，至指尖电磁铁所受电磁力等于目标电磁力，确定此时各线圈的激励电流。10.根据权利要求9所述的基于组合电磁铁的三维局部励磁式力触觉再现方法，其特征在于，实现单点力触觉再现时，确定指尖电磁铁位置(Px，Py，Pz，α，β，γ)，设置指尖电磁铁激励电流为最大，确定指尖电磁铁磁矩为实现指尖电磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆熊，刘娇娇，许华方，鄢昱星，黄晓梅，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：