【技术实现步骤摘要】
基于海尔贝克阵列的多点力触觉再现方法及系统
[0001]本专利技术属于人机交互中的力触觉再现
，尤其涉及一种基于海尔贝克阵列的多点 力触觉再现方法及系统。
技术介绍
[0002]力触觉再现作为一种新型的人机交互模式，它能提供人与外界环境之间双向的能量和信 息交互的通道，弥补了仅有视觉和听觉交互的局限性，大大增加了人机交互的真实性和沉浸 感，正受到了越来越多的关注。近年来，随着力触觉再现技术的发展，力触觉再现的应用场 景也不断扩展，在医疗培训、教育仿真、娱乐游戏等领域都有广泛的应用。
[0003]目前，力触觉再现技术已经取得了很多成果，各种不同结构的力触觉再现设备被研制出 来，部分已商品化，然而与真实的自然的力触觉交互相比仍有不足。传统的基于机械连杆或 者穿戴式的触觉再现设备往往会约束手部活动，使操作者难以真实的与环境交互，而大多数 商业化的力触觉再现设备不仅价格昂贵且只能提供单点的交互。为了克服传统的力触觉再现 设备结构复杂、限制手部活动等缺点，非接触式的力触觉再现方法被提出，主要分为基于空 气压力、基于声辐射...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.基于海尔贝克阵列的多点力触觉再现系统，其特征在于，所述多点力触觉再现系统包括三维背景电磁铁模块、背景电磁铁驱动模块、指尖微型电磁铁模块、指尖微型电磁铁驱动模块、系统中央控制模块、摄像头模块；所述三维背景电磁铁模块基于海尔贝克阵列，所述基于海尔贝克阵列用于增强操作空间内部的电磁场，减弱操作空间外部的电磁场；所述背景电磁铁驱动模块用于接收系统中央控制模块发出的控制指令，驱动所述三维背景电磁铁模块中电磁铁产生相应的磁场；所述指尖微型电磁铁模块包含多个指尖微型电磁铁，用于向人手指提供反馈力；所述指尖微型电磁铁驱动模块用于驱动指尖微型电磁铁模块产生所需电磁作用力；所述系统中央控制模块根据需要选择实施单点力触觉再现或多点力触觉再现控制策略，计算出背景电磁铁模块和指尖微型电磁铁模块需要的激励信号值，控制背景电磁铁驱动模块和指尖微型电磁铁驱动模块输出激励电流，在指尖微型电磁铁模块上产生所需电磁作用力，形成单点或多点力触觉再现；所述摄像头模块用于实时采集指尖位置信息，发送给所述系统中央控制模块。2.根据权利要求1所述的基于海尔贝克阵列的多点力触觉再现系统，其特征在于，所述三维背景电磁铁模块由内层一维层叠式电磁铁和外层二维阵列式电磁铁组成；所述一维层叠式电磁铁包含多个同轴的空心盘状层叠式线圈单元，所述同轴的空心盘状层叠式线圈单元内部为内部圆柱体空间，内部圆柱体空间为力触觉再现操作空间；所述外层二维阵列式电磁铁位于一维层叠式电磁铁的外部，所述外层二维阵列式电磁铁包含二维阵列式线圈和位于二维阵列式线圈内部的磁介质材料；所述二维阵列式线圈由M1
×
M2个二维方形线圈单元组成，其中M1个二维方形线圈单元在一维电磁铁外部环绕一圈，形成一组二维线圈，其内部空间为与一维层叠式电磁铁同轴的正棱柱体，将M2组二维线圈沿轴向方向依次排列，构成外层二维阵列式电磁铁；所述二维方形线圈单元由两个正交的方形线圈嵌套构成，其中外层方形线圈的中心轴线的方向与内部圆柱体操作空间相切，称为切向线圈单元，与之正交的内层方形线圈称为径向线圈单元。3.根据权利要求1所述的基于海尔贝克阵列的多点力触觉再现系统，其特征在于，所述指尖微型电磁铁模块由多个指尖微型电磁铁EM
FTn
组成，每个指尖微型电磁铁EM
FTn
由中心轴线两两正交的三层线圈以层叠式结构组合而成，用于向人手指提供反馈力。4.根据权利要求1所述的基于海尔贝克阵列的多点力触觉再现系统，其特征在于，所述三维背景电磁铁产生的三维可控背景电磁场是由所述一维层叠式电磁铁产生的X方向的一维电磁场与所述外层二维阵列式电磁铁产生的YZ方向的二维背景电磁场叠加而成；所述一维层叠式电磁铁通过调控N个同轴的一维线圈单元EM
Xi
，i＝1,2
…
N，实现多个局部区域可调的一维电磁场；对于所述外层二维阵列式电磁铁，调节其切向线圈单元EM
Tjk
和径向线圈单元EM
Rjk
的电流，j＝1,2,
…
,M1；k＝1,2,
…
,M2，控制每个二维线圈单元产生的磁场方向为YZ平面上任意方向，在M1
×
M2个二维线圈单元的共同作用下构成多种海尔贝克阵列，产生多种模态的电磁场，并且通过规律旋转每个二维线圈单元产生的电磁场方向，调节背景电磁场的磁极方向。
5.基于海尔贝克阵列的多点力触觉再现方法，其特征在于，所述方法基于如权利要求1所述的多点力触觉再现系统实现，所述方法包含以下步骤：(1)搭建虚拟场景，构建虚拟物体的多点力触觉再现模型和多个指尖在虚拟现实环境中的代理点；(2)建立操作空间的三维坐标系A；(3)在所述三维坐标系A内，通过摄像头模块对指尖位置进行实时跟踪，使用多个位姿检测单元，共同获取多个指尖电磁铁的实时位置和姿态信息；(4)根据力触觉再现模型，计算生成当前时刻操作者指尖与虚拟物体交互时所受作用力，作为控制方法中的目标作用力；(5)系统中央控制模块根据需要选择实施单点力触觉或多点力触觉再现控制方法，计算出背景电磁铁模块和指尖微型电磁铁模块需要的激励信号值，控制背景电磁铁驱动模块和指尖微型电磁铁驱动模块输出激励电流，在指尖微型电磁铁模块上产生所需电磁作用力，形成单点或多点力触觉再现。6.根据权利要求5所述的基于海尔贝克阵列的多点力触觉再现方法，其特征在于，所述建立操作空间的三维坐标系A具体包括：以操作空间的中心点为三维坐标系A的原点，以一维背景电磁铁的中心轴线方向为三维坐标系A的X轴方向，选取任意一个径向线圈的轴线方向为Y轴方向，根据右手定则确定Z轴；一维线圈单元的中心点坐标(Px_EM
Xi
，0，0)、二维线圈组的中心点坐标(Pyz_EM
YZk
，0，0)和指尖电磁铁的位置(Px
n
，Py
n
，Pz
n
)根据坐标系A定义；一维线圈单元EM
Xi
以Px_EM
Xi
由小到大的顺序进行排序，二维线圈组EM
YZk
以Pyz_EM
YZk
由小到大的顺序进行排序；以指尖电磁铁EM
FTn
的中心点作为局部坐标系B
n
的原点，以坐标系A的坐标轴方向为三维坐标系B
n
的坐标轴方向，指尖电磁铁的旋转角(α
n
，β
n
，γ
n
)分别为绕坐标系B
n
的X、Y、Z轴旋转的角度；当指尖电磁铁和背景电磁铁施加不同激励电流时，对位于操作空间不同位置、不同角度的指尖电磁铁所受电磁作用力进行有限元仿真，获取指尖电磁铁EM
FTn
所受的电磁作用力的离线数据。7.根据权利要求5所述的基于海尔贝克阵列的多点力触觉再现方法，其特征在于，所述单点力触觉再现控制方法具体如下：当虚拟人手与虚拟物体发生接触时，通过摄像头模块，获取此时指尖电磁铁的位姿信息P(P
x
，P
y
，P
z
，α，β，γ)，其中Px、Py和Pz为指尖电磁铁位置的三维坐标信息，α、β和γ为指尖电磁铁的旋转角信息；根据所述位姿信息同时激励一维背景电磁铁与二维背景电磁铁：其中，一维背景电磁铁的激励方法如下：调节指尖电磁铁EM
FT
的驱动电流为最大安全电流I
FTmax
，一维线圈单元的最大安全电流记为I
XMAX
，根据指尖电磁铁X坐标Px，找到使|Px
‑
Px_EM
Xi
|最小的一个一维线圈单元EM
Xi
，将其他一维线圈单元划分成两个部分，EM
X1
至EM
X(i
‑
1)
、EM
X(i+1)
至EM
XN
；先选取线圈单元数多的部分，设定每个线圈单元电流方向均为使得其磁矩指向X轴正方向的方向，再选择线圈单元数少的部分，设定每个线圈单元电流方向均为使得其磁矩指向X轴负方向的方向，若两部分线圈单元数相同，则先选取一维线圈单元EM
X1
至EM
X(i
‑
1)
，设定每个线圈单元电流方向均为使得其磁矩指向X轴正方向的方向，再选取一维线圈单元EM
X(i+1)
至EM
XN
，设定每个线圈单元电流方向均为使得其磁矩指向X轴负方向的方向，按照|
Px
‑
Px_EM
Xi
|由小到大的顺序对一维线圈单元进行编号，记为BM
Xi
′
，i
′
＝1,2,
…
,N
‑
1；选择N
x
个一维线圈单元施加激励电流I
Xi
′
，其中I
Xi
′
＝I
XMAX
，i
′
＝1，2，...N
x
‑
1，且0＜I
Xi
′
≤I
XMAX
(i
′
＝N
x
)，使得指尖电磁铁X方向的受力F
′
x
等于目标受力F
x
；当N
x
＝N
‑
1，且所有一维线圈单元激励电流均为I
XMAX
时，指尖电磁铁X方向的受力的幅值|F
′
x
|仍小于目标受力的幅值|F
x
|，输出此时的F
′
x
作为饱和输出值；二维背景电磁铁的激励方式如下：按照|Px
‑
Pyz_EM
YZk
|由小到大的顺序对二维线圈组进行编号，记为EM
YZk
′
，选择N
yz
个二维线圈组，对其切向线圈单元和径向线圈单元施加激励电流I
Tjk
′
、I
Rjk
′
，当I
Tjk
′
与I
Rjk
′
成设定比例关系时，产生具有海尔贝克效应的非均匀二磁极场，根据指尖电磁铁在YZ平面上的目标受力的方向，确定二维线圈组产生的磁极方向；I
RjkMAX
为径向线圈单元的最大安全电流，其中I
Rjk
′
＝I
RjkMAX
，且0＜I
Rjk
′
≤I
RjkMAX
，k
′
＝N
yz
，使得F
′
y
＝F
y
且F
′
z
＝F
z
；当N
yz
＝3，且所有二维线圈单元的径向线圈单元的激励电流均为I
RjkMAX
时，|F
′
y
|<|F
y
|或|F
′
z
|<|F
z
|，输出此时的F
′
y
和F
′
z
作为饱和输出值。8.根据权利要求6所述的基于海尔贝克阵列的多点力触觉再现方法，其特征在于，所述多点力触觉再现控制方法具体如下：获取多个指尖电磁铁的位姿信息P
n
(Px
n
，Py
n
，Pz
n
，α
n
，β
n
，γ
n
)与...
【专利技术属性】
技术研发人员：陆熊，鄢昱星，孙东，吴常铖，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：
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