CN104598033B - 一种多线圈电磁式力触觉反馈装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多线圈电磁式力触觉反馈装置及方法，包括底座、设置在底座上的n个电磁线圈和操作杆；电磁线圈内部为导磁铁芯、外部缠绕铜线，并与嵌入式控制系统的驱动线圈控制电路连接；一个电磁线圈作为磁场补偿线圈设置在底座中心轴处，其余电磁线圈作为磁场产生线圈在操作空间中围绕中心轴等距分布在底座上；线圈的姿态能够随着人机交互应用案例的需要而调整，线圈的位置能够随着不同的人机交互应用需要而动态改变；操作杆由磁铁及手柄构成，用于在线圈产生的可操作有效磁场空间中与磁场交互。本发明提高了线圈在操作空间中产生的磁感应强度，增大了操作杆的运动范围，避免了机械式的力反馈装置中由于机械摩擦和机械耦合等带来的问题。

Description

一种多线圈电磁式力触觉反馈装置及方法

技术领域

本发明涉及人机交互中的电磁式触觉反馈技术领域，尤其涉及一种多线圈电磁式力触觉反馈装置及方法。

背景技术

虚拟手术系统是现今医学领域研究的前沿课题，研究者可以运用虚拟现实等技术实现医学影像数据的三维可视化，并对可视化的数据进行实时操作，从而建立起可供手术前规划使用的虚拟环境。在虚拟环境中，力触觉反馈技术是虚拟现实系统与真实环境交互的桥梁。虚拟现实与人机交互的力触觉交互技术包括力触觉再现技术和虚拟环境的力触觉建模。现有技术中，大多是电子机械式触觉反馈装置，通过机械关节传递信息来计算位置信息和反馈力，但机械式力反馈装置中机械臂之间的摩擦，以及机械装置的滞后性、关节接头复杂性等在机械上令人头疼的一系列问题带来的误差无法解决。在前人研究中，力反馈数据手套CyberGrasp能够同时为手指和手腕实现力反馈，这些力反馈再现装置虽然能够给操作者提供较大范围的力反馈，但由于作用力的产生和控制是基于电动，机械式的，产生摩擦力比较大，以及本身重量使操作者产生错觉。Sensable FreeFrom系列产品中Phantom Omni是一款力触觉交互装置，该产品现在也广泛应用在触觉式设计系统中，但灵敏度，力反馈效果一般，在应用到虚拟手术环境中时，尚不能满足需求，仍然克服不了机械式装置带来的问题。【文献1】研究了一种基于电磁力的磁悬浮装置，该装置是一种将线圈缠绕在半球壳形状球壳上，放置于永磁体产生的磁场中，通电后线圈由于受到洛伦兹力悬浮在操作空间中，该装置的一大缺点是操作空间受限制，而且在应用到虚拟环境中将在无线操作工具上有很大的限制，特别是手动操作的工具需要自由灵活的特点。

【文献1】Berkelman P J,Hollis R L.Lorentz magnetic levitation forhaptic interaction:Device design,performance,and integration with physicalsimulations[J].The International Journal of Robotics Research,2000,19(7):644-667.

发明内容

针对机械式虚拟手术装置中的滞后性、关节接头复杂性，以及摩擦力等问题，本发明提出了一种多线圈电磁式力触觉反馈装置及方法，以克服现有技术的缺陷。

本发明的装置所采用的技术方案是：一种多线圈电磁式力触觉反馈装置，其特征在于：包括由导磁材料制作而成的圆盘形底座、设置在底座上的n个电磁线圈和操作杆，其中7≥n≥3，从而可构造出五种拓朴结构的多电磁线圈模型；所述的电磁线圈内部为导磁铁芯、外部缠绕铜线，并与嵌入式控制系统的驱动线圈控制板连接；所述的n个电磁线圈，其中一个电磁线圈作为磁场补偿线圈设置在所述的底座中心轴处，其余电磁线圈作为磁场产生线圈在操作空间中围绕中心轴等距分布在所述的底座上；所述的电磁线圈的姿态能够随着人机交互应用案例的需要而调整，所述的电磁线圈的位置能够随着不同的人机交互应用需要而动态改变；所述的操作杆由磁铁以及手柄构成，用于在电磁线圈产生的可操作有效磁场空间中与磁场交互；所述的装置首先使用嵌入式控制系统中PWM(Pulse WidthModulation)控制模块产生PWM控制信号，然后将PWM控制信号传输至H桥模拟驱动电路，最后由H桥模拟驱动电路控制线圈中电流。

作为优选，所述的力触觉反馈装置还包括电流检测模块，由采样电阻和电流检测芯片构成，采样电阻与电磁线圈串联，由电流采样芯片将采样电流转换为PWM采样信号，ARM微控制器对PWM采样信号的占空比测量，然后由测量结果计算出采样电流，同时在微控制器中使用PID(proportion-integral-derivative)算法对PWM控制信号调整以实现线圈中电流精确调整。

作为优选，所述的导磁铁芯采用高磁导率纯铁制作而成。

作为优选，所述的磁铁为圆柱形，采用N52永磁铁制作而成。

作为优选，所述的磁场产生线圈向中心轴倾斜60度。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种多线圈电磁式力触觉反馈方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对操作空间进行有限元划分并根据有限元计算和仿真结果建立虚拟物体模型；

步骤2：定位操作杆上磁铁在操作空间中的位置，其中操作空间6自由度位置信息由已有的空间定位装置获得，将操作杆上磁铁的位置信息传递给虚拟物体模型，计算出操作杆在该位置处受到的电磁力矢量

步骤3：利用逆向工程方法计算出电磁线圈组在操作杆顶端所在位置(x,y,z)产生的总磁感应强度矢量

上述表达式中，G是一个与操作杆顶端的磁铁的磁场强度操作杆顶端的磁铁自身磁场方向操作杆顶端的磁铁距离电磁线圈中心轴的距离矢量相关的一个平滑函数；

步骤4：由步骤3中计算出的磁感应强度计算出各电磁线圈中电流其中是n维场源的电流矢量，多个场源产生电磁场计算公式用矩阵方程表示为：

在三维操作空间中的某一点上，多个场源在该处形成的电磁场符合矢量叠加原则，即满足：

将其中的矢量坐标展开，得到如下线性方程组：

其中，A矩阵中的n列分别为n个场源在该点的磁感应强度系数的三维分量，由Ansoft有限元仿真和实际测量得到；根据上面的线性方程组列出方程，得出每个场源的电流；

步骤5：电磁线圈组中电流的生成，通过嵌入式控制系统中PWM控制模块控制线圈中电流；

步骤6：通过对电磁线圈组中电流的检测与调整实现操作杆顶端受到的电磁力的精确控制。

与现有技术相比，本发明具有如下创新和优势。

1.通过电磁线圈产生的磁场直接控制电磁力；

2.在整个系统中没有机械耦合与摩擦问题，电磁力的控制更加的精确；

3.通过控制电磁线圈上电流的改变来直接控制操作杆上所受电磁力的改变；

4.在整个系统中，没有间接力的传输，系统具有更好的鲁棒性和可靠性；

5.具有可扩展的操作空间。

附图说明

图1：为本发明实施例的装置总体示意图；

图2：为本发明实施例的操作杆结构示意图；

图3：为本发明实施例的单个电磁线圈的结构示意图；

图4：为本发明实施例的单个电磁线圈实验与仿真结果对比图；

图5：为本发明实施例的三个电磁线圈结构示意图；

图6：为本发明实施例的三个电磁线圈实验与仿真结果对比图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1和图2，本发明提供的一种多线圈电磁式力触觉反馈装置，包括圆盘形底座3、设置在底座3上的7个电磁线圈1和操作杆；

7个电磁线圈1组成电磁线圈阵列，电磁线圈阵列的分布由三对电磁线圈组和一个中心电磁线圈组组成，一对电磁线圈组由两个电磁线圈组成，在空间中围绕中心轴呈阵列分布，固定在带有屏蔽罩的底座3上，电磁线圈的姿态随着人机交互应用案例的需要而调整，电磁线圈的位置随着人机交互应用需要而动态改变以在相应位置产生需要的磁场，电磁线圈数量可以根据实际案例扩展。由于通电电磁线圈产生的磁场在其表面附近的场强随着远离电磁线圈的距离增加而大幅度衰减，因此本发明中使用的电磁线圈内部使用高磁导率纯铁作为导磁铁心，其具有较强的磁导率，铁心外部缠绕铜线。本发明所要产生的可操作空间范围是200×200×200mm³。因此三对电磁线圈组在空间中的弯曲弧度是线圈阵列设计的另一个重点。在发明中，六个电磁线圈两两成对出现，各电磁线圈中心点相互间隔，间隔距离由实际需要的磁场空间进行调整，底部中心轴线圈作为磁场补偿线圈。由仿真结果可知，该装置各电磁线圈向中间位置倾斜60度时在可操作空间内产生的盲区最小，该角度为电磁线圈倾斜角，此时在可操作空间内能形成一个底部封闭的磁场区域，该磁场区域正是我们需要的可操作空间。

操作杆由磁铁5以及手柄4构成，用于在电磁线圈产生的可操作有效磁场空间中与磁场交互。磁铁5为圆柱形，固定在手柄4尖端处，使用场强规格更高更好的铷铁硼(N52)永磁铁制作而成。

本实例中对线圈的驱动使用H桥驱动电路，通过ARM微控制器AT91SAM3U4E控制PWM控制信号的占空比间接控制线圈中电流，电流检测模块由采样电阻和电流检测芯片IR2175构成，采样电阻与电磁线圈串联，由电流采样芯片将采样电流转换为PWM采样信号，ARM微控制器对PWM采样信号的占空比测量，然后由测量结果计算出采样电流，同时在微控制器中使用PID算法对PWM控制信号调整以实现线圈中电流精确调整。

本实施例与虚拟仿真系统通信，实时传递交互信息。

本实施例的电磁线圈产生的磁场呈开口状态，各线圈组在操作空间中将各自产生的磁场聚集到操作空间内，在操作空间内使用操作杆，设计线圈阵列的分布，用于产生一个可持续控制的电磁场与操作杆进行交互。由于每条磁力线均呈现闭合状态，磁力线从电磁线圈一极穿出后会迅速的返回到另一极，在没有任何干扰的情况下，会呈球形分布，因此设计电磁线圈成环形阵列分布，其底部固定一个相同线圈，将磁场导向操作空间内。底座3使用导磁材料，用于支撑整个装置并将底部磁场导向成对线圈高效利用。

本发明提供的一种基于电磁式的力触觉反馈方法，包括以下步骤：

步骤1：对操作空间进行有限元划分并根据有限元计算和仿真结果建立虚拟物体模型；

步骤2：定位操作杆上磁铁在操作空间中的位置(操作空间6自由度位置信息由已有的空间定位装置获得)，操作杆上顶端磁铁的位置信息包括坐标和方向角。在此分为两步，一是通过空间定位操作杆的方向间接获得磁铁的方向角，二是直接定位操作杆上磁铁的坐标信息。根据上述两个步骤可以准确得到操作杆上磁铁的位置信息Pos(x,y,z,α,β,γ)，其中(x,y,z)为磁铁的坐标，(α,β,γ)为磁铁的方向角。

将磁铁的位置信息Pos(x,y,z,α,β,γ)传递到虚拟物体模型中，根据磁铁的位置信息计算出在虚拟物体模型中对应于操作杆的虚拟手术器械受到的反馈力

步骤3：利用逆向工程方法计算出电磁线圈组在操作杆顶端所在位置(x,y,z)产生的总磁感应强度矢量

上述表达式中，G是一个与操作杆顶端磁铁5的磁场强度操作杆顶端磁铁5自身磁场方向操作杆顶端磁铁5距离电磁线圈中心轴的距离矢量相关的一个平滑函数；

步骤4：由步骤3中计算出的磁感应强度计算出各电磁线圈中电流(是n维场源的电流矢量)，多个场源产生电磁场计算公式用矩阵方程表示为：

在三维操作空间中的某一点上，多个场源在该处形成的电磁场符合矢量叠加原则，即满足：

将其中的矢量坐标展开，得到如下线性方程组：

在区域内形成特定强度和形状的磁感应强度，根据需求确定如下权值函数，列出如下方程：

其中，A矩阵中的n列分别为n个场源在该点的磁感应强度系数的三维分量，由Ansoft有限元仿真和实际测量得到；

W是权值函数，其值表达了对磁感应强度区域精确性的要求。

在虚拟手术环境复杂时，根据公式3k≤n，对线圈阵列进行扩展，其中定义k为权值函数W的个数，n为线圈个数。

对上述线性方程组中积分项的计算需要通过有限元进行离散处理，需要在之前节点上进行数值计算，在硬件中将数据储存。然后在实际操作中调取数据建立方程，实时求解。

根据上面的线性方程组列出方程，得出每个场源的电流；

步骤5：控制电磁线圈组中的电流。嵌入式控制系统中PWM控制模块来自ARM微控制器芯片，首先使用嵌入式控制系统中PWM控制模块产生的PWM控制信号，然后将PWM控制信号传输至H桥模拟驱动电路，最后由H桥模拟驱动电路控制线圈中电流。

步骤6：通过对电磁线圈组中电流的检测与调整实现操作杆顶端受到的电磁力的精确控制。电流检测模块由采样电阻和电流检测芯片构成，采样电阻与电磁线圈串联，由电流采样芯片将采样电流转换为PWM采样信号，ARM微控制器对PWM采样信号的占空比测量，然后由测量结果计算出采样电流，同时在微控制器中使用PID算法对PWM控制信号调整以实现线圈中电流精确调整，产生相应的磁场。

以下通过实验验证本发明方法的准确性。

由于计算电磁力的公式是建立在理想的基础上，考虑到实际应用中对电磁力的计算以及线圈磁场的测量的准确性，因此本专利在实验论证时选择线圈周围磁场的实际测量值与仿真值对比。

请见图3、图4、图5和图6，本实施例主要对两组特殊结构的线圈模型进行实验与仿真分析，分别为单个电磁线圈和三个电磁线圈模型。首先验证本专利在单个线圈的正确性，然后验证多个线圈的正确性，最后对本专利模型进行扩展推理验证。本实验方法主要是通过Ansoft有限元分析软件仿真和使用高斯计来测量实际电磁线圈产生的磁场来进行验证。

图4是对单个带有铁芯的电磁线圈磁场与电流的变化进行仿真和实验值的分析图表，横坐标为电磁线圈中心轴线上的位置，纵坐标为对应横坐标位置的磁感应强度数值。实验分别对电磁线圈中通有0.5A，1.0A，1.5A，2.0A时产生磁场与仿真结果做对比，由图中可以看到实验值与仿真值比较接近，且在每个电流值下仿真与实验值的曲线具有一致性，由于实验过程中有相应误差不可忽略，因此，由图表可验证单个电磁线圈的正确性。

三个线圈与水平面夹角60度同时倾斜向中心轴线Z轴如图5，附图6是对三个电磁线圈进行仿真和实验值的分析图表，横坐标为三个电磁线圈对称中心轴线Z上的位置，纵坐标为对应横坐标位置的磁感应强度数值。由结果图中可以看到实验值与仿真值比较接近，考虑到实际操作过程中的人工误差、材料特性等不确定因素，因此，本专利所述方法在实验与仿真的结果上具有较高的拟合性。

针对本专利可构造出五种拓朴结构的多电磁线圈模型的特点，在上述实验与仿真基础上，能够对本实验模型进行扩展，由麦克斯韦方程组知磁场的叠加性原理，因此电磁线圈产生的磁场具有叠加性，所以电磁线圈模型具有较好的扩展性，且由仿真结果可以看出本专利多电磁线圈模型具有较好的结果。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种多线圈电磁式力触觉反馈装置，其特征在于：包括由导磁材料制作而成的圆盘形底座(3)、设置在底座(3)上的n个电磁线圈(1)和操作杆，其中7≥n≥3，从而可构造出五种拓朴结构的多电磁线圈模型；所述的电磁线圈(1)内部为导磁铁芯(2)、外部缠绕铜线，并与嵌入式控制系统的驱动线圈控制板连接；所述的n个电磁线圈(1)，其中一个电磁线圈(1)作为磁场补偿线圈设置在所述的底座(3)中心轴处，其余电磁线圈(1)作为磁场产生线圈在操作空间中围绕中心轴等距分布在所述的底座(3)上；所述的电磁线圈(1)的姿态能够随着人机交互应用案例的需要而调整，所述的电磁线圈(1)的位置能够随着不同的人机交互应用需要而动态改变；所述的操作杆由磁铁(5)以及手柄(4)构成，用于在电磁线圈产生的可操作有效磁场空间中与磁场交互；所述的装置首先使用嵌入式控制系统中PWM(PulseWidth Modulation)控制模块产生PWM控制信号，然后将PWM控制信号传输至H桥模拟驱动电路，最后由H桥模拟驱动电路控制线圈中电流；所述的磁场产生线圈向中心轴倾斜60度。

2.根据权利要求1所述的多线圈电磁式力触觉反馈装置，其特征在于：所述的力触觉反馈装置还包括电流检测模块，由采样电阻和电流检测芯片构成，采样电阻与电磁线圈串联，由电流采样芯片将采样电流转换为PWM采样信号，ARM微控制器对PWM采样信号的占空比测量，然后由测量结果计算出采样电流，同时在微控制器中使用PID(proportion-integral-derivative)算法对PWM控制信号调整以实现线圈中电流精确调整。

3.根据权利要求1所述的多线圈电磁式力触觉反馈装置，其特征在于：所述的导磁铁芯(2)采用高磁导率纯铁制作而成。

4.根据权利要求1所述的多线圈电磁式力触觉反馈装置，其特征在于：所述的磁铁(5)为圆柱形，采用N52永磁铁制作而成。

5.一种利用权利要求1所述的多线圈电磁式力触觉反馈装置进行力触觉反馈的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对操作空间进行有限元划分并根据有限元计算和仿真结果建立虚拟物体模型；

步骤2：定位操作杆上磁铁(5)在操作空间中的位置，其中操作空间6自由度位置信息由已有的空间定位装置获得，将操作杆上磁铁(5)的位置信息传递给虚拟物体模型，计算出操作杆在该位置处受到的电磁力矢量

步骤3：利用逆向工程方法计算出电磁线圈组在操作杆顶端所在位置(x,y,z)产生的总磁感应强度矢量

$\stackrel{\→}{F}=G\left(\stackrel{\→}{p},\stackrel{\→}{H},\stackrel{\→}{r}\right)\stackrel{\→}{B};$

上述表达式中，G是一个与操作杆顶端的磁铁(5)的磁场强度操作杆顶端的磁铁(5)自身磁场方向操作杆顶端的磁铁(5)距离电磁线圈中心轴的距离矢量相关的一个平滑函数；

步骤4：由步骤3中计算出的磁感应强度计算出各电磁线圈中电流其中是n维场源的电流矢量，多个场源产生电磁场计算公式用矩阵方程表示为：

$\stackrel{\→}{B}=A\stackrel{\→}{I}$

在三维操作空间中的某一点上，多个场源在该处形成的电磁场符合矢量叠加原则，即满足：

$\stackrel{\→}{B}=\stackrel{\→}{B_1}+\stackrel{\→}{B_2}+...+\stackrel{\→}{B_n}$

$\stackrel{\→}{B}=\stackrel{\→}{A_1}{I}_1+\stackrel{\→}{A_2}{I}_2+...+\stackrel{\→}{A_n}{I}_n$

将其中的矢量坐标展开，得到如下线性方程组：

$\left[\begin{array}{c}{B}_x\left(x,y,z\right)\\ B_y\left(x,y,z\right)\\ B_z\left(x,y,z\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{A}_{1x}\left(x,y,z\right)& A_{2x}\left(x,y,z\right)& ...& A_{nx}\left(x,y,z\right)\\ A_{1y}\left(x,y,z\right)& A_{2y}\left(x,y,z\right)& ...& A_{ny}\left(x,y,z\right)\\ A_{1z}\left(x,y,z\right)& A_{2z}\left(x,y,z\right)& ...& A_{nz}\left(x,y,z\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ I_n\end{array}\right]$

其中，A矩阵中的n列分别为n个场源在该点的磁感应强度系数的三维分量，由Ansoft有限元仿真和实际测量得到；根据上面的线性方程组列出方程，得出每个场源的电流；

步骤5：电磁线圈组中电流的生成，通过嵌入式控制系统中PWM控制模块控制线圈中电流；

步骤6：通过对电磁线圈组中电流的检测与调整实现操作杆顶端受到的电磁力的精确控制。