CN109145513A - 基于电磁场组合激励控制的非接触式力触觉再现系统及方法 - Google Patents

基于电磁场组合激励控制的非接触式力触觉再现系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于电磁场组合激励控制的非接触式力触觉再现系统及方法，通过带磁性模块的穿戴式装置实现在扁平螺线管状线圈模块内部真实操作空间里的力触觉再现；使用有限元方法计算获得穿戴式装置中掌心永磁铁和指尖电磁铁处于真实操作空间离散网格点时的电磁力仿真离散数据；采用电磁场组合激励控制方法，即以施加激励电流的线圈个数最少为原则，对各线圈进行优先级编号，基于电磁力仿真离散数据对磁性模块进行位置插值后确定激励线圈电流实现力触觉反馈；本发明提出的力触觉再现方法，创新地实现了调控层叠式扁平螺线管状线圈模块中激励电流来调节真实操作空间内背景电磁场，并结合穿戴式装置中磁性模块实现更大范围的、多点精细力触觉反馈。

Description

基于电磁场组合激励控制的非接触式力触觉再现系统及方法
技术领域
本发明属于人机交互中的力触觉多模态融合的再现技术领域，尤其涉及一种基于电磁场组合激励控制的非接触式力触觉再现方法。
背景技术
人类利用各种感知系统来获取客观世界周围环境信息，如视觉、听觉、嗅觉以及力触觉等。其中，力触觉再现技术在人类与客观世界的交互过程中搭建了一条独特的、双向的交互通道，让人类能积极主动地探索客观世界，可以弥补视觉、听觉再现等不足，因而是一种不可或缺的感知系统，具有极其重要的地位。
近年来，伴随着力触觉人机交互技术的快速发展，在机械制造、医学、教育和电子游戏等领域多种力触觉再现方法被研究出来，形成了各种各样的力触觉再现设备。较早时期的传统穿戴式、力反馈操作杆式的力触觉再现设备由于多采用力矩电机和机械结构方式等而影响操作者的力触觉感知真实性，此外还存在因机械连杆结构而限制了有效操作空间等缺点。
为了克服传统力触觉再现设备的缺点，使得操作者可以准确、实时地感知操纵虚拟物体，面向自然交互的力触觉再现方法被提出并广泛发展，具体包括非接触式的和非固定式的等。Suzuki等人基于空气压力的原理设计实现了一套非接触式的、动作不受限制的气体喷射式力触觉再现系统，该系统首先利用摄像头以及相关投影装置检测手指位置，之后激励对应位置处的喷嘴喷射气体，让手持浅杯状集气器的操作者感受到气压实现的力触觉再现。William等研制了一套基于摩擦力和剪切作用力原理的非固定式力触觉反馈装置，系统通过驱动滑动板接触器在手柄表面运动，利用作用于手掌的剪切力，向操作者提供与虚拟环境交互的力触觉信息。
“基于电磁场控制的力觉和触觉融合再现装置和方法”专利中(申请公布号：CN106227346A)，所提到的力触觉再现系统，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磁场，带有磁性模块的穿戴式手套用于力、触觉再现。这种装置背景磁场的磁感应强度变化梯度有限，因而只能够实现一定程度上的力触觉感知。
Kasun等设计实现了一套名为Haptic Mouse的力触觉鼠标定位系统，该系统接口主要由电磁铁阵列与传感器阵列组成，在手指上穿戴永磁铁的操作者可以感受系统提供的吸引力、排斥力以及多种振动模式的力触觉信息。这种非接触式力触觉再现方法，可以较好地再现低摩擦力条件或适应内部惯性很小的环境条件，但系统的操作空间有限，其精确度也需要进一步提升。
国内武汉大学研制了一种可以增强对虚拟人体组织刚度信息感知的新型非接触式力触觉系统。该系统主要包括虚拟场景显示模块、双目视觉追踪模块、装配有永磁铁的触觉操作笔、间距和角度可调的磁性模块阵列和电磁铁阵列驱动。系统利用视觉追踪模块实时捕获触觉操作笔信息并传递给虚拟场景，利用建立的模型计算输出力的大小，以此得到电磁铁的驱动电流，驱动调整电流等于所需电流的大小进而产生交互所需的电磁场，使得操作者实现感知力触觉再现。但是其系统中线圈的分布只是一种相对合适的选择，最佳的线圈姿态确定以及设备整体的舒适感有待进一步提升。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提出一种新的电磁场控制的方法，当一个或者两个扁平螺线管状线圈施加的激励电流已经达到额定值后，产生的电磁力不满足需要时，通过对多个线圈构成的层叠式扁平螺线管状线圈模块施加可变的激励电流的大小和方向，来实现佩戴穿戴式装置的操作者在层叠式扁平螺线管状线圈模块内部真实操作空间里的力触觉感知。通过对真实操作空间里背景电磁场结构的设计，即绕在多个等间隔的绕有漆包铜线的工字状骨架垂直固定放置在螺旋支撑体上，实现多组可调电流方向和大小的控制方案，用以实现一种交互自然的、节能安全的力触觉感知，从而实现同一操作空间下的力触觉的多模态交互。
本发明提供的一种基于电磁场组合激励控制的非接触式力触觉再现方法的实现过程，包含以下步骤：
(1)虚拟场景建立。建立包括虚拟手和虚拟物体模型的虚拟场景，并建立层叠式扁平螺线管状线圈模块内部真实操作空间与虚拟场景的空间映射关系，以及真实人手与虚拟手的三维位置映射关系；
(2)电磁作用力仿真离散数据计算。根据精度要求，使用三维网格单元对层叠式扁平螺线管状线圈模块内部真实操作空间进行网格划分，形成三维空间中的离散网格节点，使用有限元方法分析穿戴式装置中的磁性模块(掌心永磁铁和指尖电磁铁)在离散网格节点处所受电磁力与层叠式扁平螺线管状线圈模块激励线圈个数和对应激励电流、多个指尖电磁铁激励电流的对应关系，形成以多维矩阵表示的包括磁性模块所受电磁力、层叠式扁平螺线管状线圈模块激励电流和磁性模块激励电流(针对指尖电磁铁)在内的电磁作用力仿真离散数据，包括①穿戴式装置中掌心永磁铁电磁作用力仿真离散数据；②穿戴式装置中指尖电磁铁电磁作用力仿真离散数据；
其中，所述使用有限元方法分析得到的穿戴式装置中掌心永磁铁电磁作用力仿真离散数据关系表达，具体为：
ii＝Di·Im(i＝1，2-n)
其中，表示穿戴式装置中掌心永磁铁所受的电磁作用力，(x，y，z)分别表示穿戴式装置中掌心永磁铁在层叠式扁平螺线管状线圈模块内部操作空间中的三维坐标，n表示产生背景磁场的层叠式扁平螺旋管状线圈个数；i1，，i2...in表示层叠式扁平螺线管线圈模块的每个线圈的激励电流，Im表示驱动电压满载时层叠式扁平螺线管状线圈模块的最大激励电流；Di(i＝1,2…n)分别表示控制层叠式扁平螺线管状线圈模块激励电流PWM信号的占空比，分别用来表示i1，，i2...in与Im的关系；gi(x，y，z)(i＝1,2…n)表示穿戴式装置中掌心永磁铁在(x，y，z)处所受电磁力与层叠式扁平螺线管状线圈模块中第i个线圈激励电流的映射关系。
所述使用有限元方法分析得到的穿戴式装置中指尖电磁铁电磁作用力仿真离散数据关系表达，具体为：
ii＝Di·Im(i＝1，2...n)
其中，表示穿戴式装置中指尖电磁铁所受的电磁力，(x，y，z)分别表示穿戴式装置中指尖电磁铁在层叠式扁平螺线管状线圈模块内部操作空间中的三维坐标，n表示产生背景磁场的层叠式扁平螺旋管状线圈个数；i1，，i2...in表示层叠式扁平螺线管线圈模块的各个线圈的激励电流，ie表示穿戴式装置中单个指尖电磁铁的激励电流，Im表示驱动电压满载时层叠式扁平螺线管状线圈模块的最大激励电流；Di(i＝1,2…n)分别表示控制层叠式扁平螺线管状线圈模块激励电流PWM信号的占空比，分别用来表示i1，，i2...in与Im的关系；g′i(x，y，z)(i＝1,2…n)表示穿戴式装置中指尖电磁铁在(x，y，z)处所受电磁作用力与层叠式扁平螺线管状线圈模块中第i个线圈激励电流的映射关系，h(ie)表示在层叠式扁平螺线管状线圈模块产生的背景磁场作用下，穿戴式装置中指尖电磁铁所受电磁作用力与该指尖电磁铁激励电流的映射关系。
(3)位置检测。利用位置检测模块对人手进行位置检测，得到穿戴式装置中掌心永磁铁的实时三维位置和多个指尖电磁铁的实时三维位置；
(4)磁性模块作用力计算。基于人手与虚拟物体力触觉交互模型，计算当前时刻磁性模块电磁作用力，具体包括掌心永磁铁电磁作用力和多个指尖电磁铁电磁作用力；
(5)采用电磁场组合激励控制方法产生电磁作用力。采用电磁场组合激励控制方法，对层叠式扁平螺线管状线圈模块中各线圈进行优先级编号，以穿戴式装置中掌心永磁铁所受电磁力为基准确定层叠式扁平螺线管状线圈模块中线圈个数和对应激励电流，再确定指尖电磁铁所需激励电流；当穿戴式装置中永磁铁所受电磁力为零时，以受电磁力最大的指尖电磁铁为基准，确定层叠式扁平螺线管状线圈模块中激励线圈个数和对应激励电流以及其自身的激励电流，然后确定其它指尖电磁铁的激励电流；采用PWM方式使用层叠式扁平螺线管状线圈驱动控制模块驱动层叠式扁平螺线管状线圈，并使用穿戴式装置中指尖电磁铁驱动控制模块驱动穿戴式装置中的电磁铁，产生所需电磁作用力实现力触觉再现；重复至步骤(3)。
所述的电磁场组合激励控制方法具体为：
根据穿戴式装置中掌心永磁铁位置到各个线圈轴线中点的距离递增顺序，对当前时刻层叠式扁平螺线管线圈模块中各个线圈从整数1开始进行优先级编号，以确定各个线圈施加电流次序，编号越小者优先级越高；若永磁铁位置到两个线圈轴线中点的距离相等，则任选一侧线圈作为优先级高者；
在对扁平螺线管状线圈模块施加激励电流产生电磁作用力的过程中，以施加激励电流的线圈个数最少为原则，即优先对优先级较高的线圈施加激励电流，当产生的电磁力仍无法满足需求时，继续对下一优先级线圈施加激励电流，以此类推；
当计算得到的穿戴式装置中掌心永磁铁所受电磁作用力不为0时，基于穿戴式装置中掌心永磁铁电磁作用力仿真离散数据，对掌心永磁铁实时三维位置所在网格单元相邻节点利用插值算法，得到当前时刻掌心永磁铁所受电磁力与层叠式扁平螺线管状线圈模块激励电流之间的对应关系，依据上述计算得到的掌心永磁铁电磁作用力，确定层叠式扁平螺线管状线圈模块激励线圈和对应电流，再依据穿戴式装置中指尖电磁铁电磁作用力仿真离散数据和上述层叠式扁平螺线管状线圈模块激励电流，得到各个指尖电磁铁所需激励电流；
当计算得到的穿戴式装置中掌心永磁铁所受电磁作用力为0时，直接基于穿戴式装置中指尖电磁铁电磁作用力仿真离散数据，对所受电磁作用力最大的指尖电磁铁实时三维位置所在网格单元相邻节点利用插值算法，得到当前时刻该电磁铁所受电磁力与层叠式扁平螺线管状线圈模块激励电流、该电磁铁所需激励电流之间的对应关系，依据上述计算得到的该电磁铁电磁作用力，确定层叠式扁平螺线管状线圈模块激励线圈和对应电流以及该电磁铁所需激励电流，再基于穿戴式装置中指尖电磁铁电磁作用力仿真离散数据和上述层叠式扁平螺线管状线圈模块激励电流，得到其他所受电磁作用力较小的指尖电磁铁激励电流。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)操作空间内产生背景电磁场的扁平螺线管状线圈模块采用层叠式结构，且模块中每个扁平螺旋管状线圈单独工作，通过分别调控每个线圈通入电流的大小以及方向来调控背景磁场大小，并结合控制穿戴式装置中的多个指尖电磁铁激励电流，可以实现三维空间中感知作用力范围更大的力触觉反馈。
(2)以该控制方法设计的系统设备实现更精细的、多点的力觉以及触觉感知，增强体验者的真实感与沉浸感。
附图说明
图1是基于电磁场组合激励控制的非接触式力触觉再现方法实现过程流程图；
图2是6层磁性模块激励控制的力触觉再现系统装置结构示意图；
图3是6层层叠式扁平螺线管状线圈模块优先级编号示意图。
具体实施方式
为了使本发明的控制方法和优点更加清楚，下面结合本发明实施例以及附图，对本发明的控制方法进行清晰、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于电磁场组合激励控制的非接触式力触觉再现系统，所述系统包括层叠式扁平螺线管状线圈模块、带磁性模块的穿戴式装置、层叠式扁平螺线管状线圈驱动控制模块、穿戴式装置中指尖电磁铁驱动控制模块、位置检测模块和电源模块；
在所述层叠式扁平螺线管状线圈模块内部真实操作空间里通过可调控的背景电磁场和穿戴式装置中的磁性模块实现力触觉再现；所述穿戴式装置中的磁性模块包括掌心的永磁铁模块和多个指尖部位的电磁铁模块。
进一步的，所述层叠式扁平螺线管状线圈模块包括骨架、螺旋支撑体、底座和漆包铜线；所述螺旋支撑体由内、外两层空心圆柱体以螺纹拧旋而成，所述骨架呈扁平工字型，依次层叠在所述螺旋支撑体的外侧，所述漆包铜线均匀绕制在所述骨架上，所述底座主要用于固定所述螺旋支撑体和绕制所述漆包铜线的所述骨架；
所述位置检测模块包括视觉信息检测装置以及计算机PC，所述视觉信息检测装置捕获人手以及穿戴式装置中磁性模块图像的深度信息，所述计算机PC利用获取的相关三维位置信息，运行磁性模块位置检测算法，定位磁性模块三维坐标。
操作空间内产生背景电磁场的扁平螺线管状线圈模块采用层叠式结构，且扁平螺线管状线圈模块中每个扁平螺旋管状线圈单独工作，通过分别调控每个线圈通入电流的大小以及方向来调控背景磁场大小，并结合控制穿戴式装置中多个指尖电磁铁激励电流，可以实现三维空间中感知作用力范围更大的多点力触觉反馈。
实施例1
如图2所示，以6层线圈叠加成的层叠式扁平螺线管状线圈模块为例，基于电磁场组合激励控制的非接触式力触觉再现系统，包含层叠式扁平螺线管状线圈模块1、层叠式扁平螺线管状线圈驱动控制模块2、电源模块3、带磁性模块的穿戴式装置4、穿戴式装置中指尖电磁铁驱动控制模块5、位置检测模块6。
实施例2
根据上述基于电磁场组合激励控制的非接触式力触觉再现系统的方法实现包括以下步骤：
(1)虚拟场景建立。建立包括虚拟手和虚拟物体模型的虚拟场景，并建立层叠式扁平螺线管状线圈模块内部真实操作空间与虚拟场景的空间映射关系，以及真实人手与虚拟手的三维位置映射关系；
(2)电磁作用力仿真离散数据计算。根据精度要求，使用三维网格单元对层叠式扁平螺线管状线圈模块内部真实操作空间进行网格划分，形成三维空间中的离散网格节点，使用有限元方法分析穿戴式装置中的磁性模块(掌心永磁铁和指尖电磁铁)在离散网格节点处所受电磁力与层叠式扁平螺线管状线圈模块激励线圈个数和对应激励电流、多个指尖电磁铁激励电流的对应关系，形成以多维矩阵表示的包括磁性模块所受电磁力、层叠式扁平螺线管状线圈模块激励电流和磁性模块激励电流(针对指尖电磁铁)在内的电磁作用力仿真离散数据，包括①穿戴式装置中掌心永磁铁电磁作用力仿真离散数据；②穿戴式装置中指尖电磁铁电磁作用力仿真离散数据；
(3)位置检测。利用位置检测模块对人手进行位置检测，得到穿戴式装置中掌心永磁铁的实时三维位置和多个指尖电磁铁的实时三维位置；
(4)磁性模块作用力计算。基于人手与虚拟物体力触觉交互模型，计算当前时刻磁性模块电磁作用力，具体包括掌心永磁铁电磁作用力和多个指尖电磁铁电磁作用力；
(5)采用电磁场组合激励控制方法产生电磁作用力。采用电磁场组合激励控制方法，对层叠式扁平螺线管状线圈模块中各线圈进行优先级编号，以穿戴式装置中掌心永磁铁所受电磁力为基准确定层叠式扁平螺线管状线圈模块中线圈个数和对应激励电流，再确定指尖电磁铁所需激励电流；当穿戴式装置中永磁铁所受电磁力为零时，以受电磁力最大的指尖电磁铁为基准，确定层叠式扁平螺线管状线圈模块中激励线圈个数和对应激励电流以及其自身的激励电流，然后确定其它指尖电磁铁的激励电流；采用PWM方式使用层叠式扁平螺线管状线圈驱动控制模块驱动控制模块驱动层叠式扁平螺线管状线圈，并使用穿戴式装置中指尖电磁铁驱动控制模块驱动穿戴式装置中的电磁铁，产生所需电磁作用力实现力触觉再现；重复至步骤(3)。
实施例3
以实施例1中的装置为例，本发明的基于层叠式磁性模块激励控制的力触觉再现方法实现过程如下：
步骤110、建立虚拟场景。
所述虚拟场景是以实物为基准，构建虚拟的手以及待感受的虚拟物体模型，并建立层叠式扁平螺线管状线圈模块内部真实操作空间与虚拟场景的映射关系，以及真实人手与虚拟手的映射关系；
步骤120、电磁作用力仿真离散数据计算。
根据精度要求，使用三维网格单元对层叠式扁平螺线管状线圈模块内部真实操作空间进行网格划分，形成三维空间中的离散网格节点，使用有限元方法分析穿戴式装置中的磁性模块(掌心永磁铁和指尖电磁铁)在离散网格节点处所受电磁力与层叠式扁平螺线管状线圈模块激励线圈个数和对应激励电流、多个指尖电磁铁激励电流的对应关系，形成以多维矩阵表示的包括磁性模块所受电磁力、层叠式扁平螺线管状线圈模块激励电流和磁性模块激励电流(针对指尖电磁铁)在内的电磁作用力仿真离散数据，包括①穿戴式装置中掌心永磁铁电磁作用力仿真离散数据；②穿戴式装置中指尖电磁铁电磁作用力仿真离散数据；
所述使用有限元方法分析得到的穿戴式装置中掌心永磁铁电磁作用力仿真离散数据关系表达，具体为：
其中，表示穿戴式装置中掌心永磁铁所受的电磁作用力，(x，y，z)分别表示穿戴式装置中掌心永磁铁在层叠式扁平螺线管状线圈模块内部操作空间中的三维坐标，产生背景磁场的层叠式扁平螺旋管状线圈个数为6；i1，，i2...i6表示层叠式扁平螺线管线圈模块的每个线圈的激励电流，Im表示驱动电压满载时层叠式扁平螺线管状线圈模块的最大激励电流；Di(i＝1,2…6)分别表示控制层叠式扁平螺线管状线圈模块激励电流PWM信号的占空比，分别用来表示i1，，i2...i6与Im的关系；gi(x，y，z)(i＝1,2…6)表示穿戴式装置中掌心永磁铁在(x，y，z)处所受电磁力与层叠式扁平螺线管状线圈模块中第i个线圈激励电流的映射关系。
所述使用有限元方法分析得到的穿戴式装置中指尖电磁铁电磁作用力仿真离散数据表达具体为：
ii＝Di·Im(i＝1，2...6)
其中，表示穿戴式装置中指尖电磁铁所受的电磁力，(x，y，z)分别表示穿戴式装置中指尖电磁铁在层叠式扁平螺线管状线圈模块内部操作空间中的三维坐标，产生背景磁场的层叠式扁平螺旋管状线圈个数为6；i1，，i2...i6表示层叠式扁平螺线管线圈模块的各个线圈的激励电流，ie表示穿戴式装置中单个指尖电磁铁的激励电流，Im表示驱动电压满载时层叠式扁平螺线管状线圈模块的最大激励电流；Di(i＝1,2…6)分别表示控制层叠式扁平螺线管状线圈模块激励电流PWM信号的占空比，分别用来表示i1，i2…i6与Im的关系；g′i(x，y，z)(i＝1,2…6)表示穿戴式装置中指尖电磁铁在(x，y，z)处所受电磁作用力与层叠式扁平螺线管状线圈模块中第i个线圈激励电流的映射关系，h(ie)表示在层叠式扁平螺线管状线圈模块产生的背景磁场作用下，穿戴式装置中指尖电磁铁所受电磁作用力与该指尖电磁铁激励电流的映射关系。
步骤130、位置检测。利用位置检测模块对人手进行位置检测，得到穿戴式装置中掌心永磁铁的实时三维位置P和多个指尖电磁铁的实时三维位置；
所述带磁性模块的穿戴式装置4由掌心永磁铁4a和指端电磁铁4b构成，通过对每个指尖电磁铁施加电流激励，结合层叠式扁平螺线管状线圈模块产生的背景磁场，在带磁性模块的穿戴式装置4上产生电磁作用力；
所述层叠式扁平螺线管状线圈模块1由螺旋支撑体1a、骨架1b、漆包铜线1c、底座1d构成；
具体的，螺旋支撑体1a由内、外两层空心圆柱体侧面紧密连接，两者接触面以螺纹拧旋而成，外侧空心圆柱体两侧圆直径22mm，体长220mm，内侧空心圆柱体一侧沿边缘径向突出5mm，另一侧沿轴向留有5mm余量；骨架1b呈扁平工字型，依次层叠在螺旋支撑体1a的外侧，漆包铜线1c均匀绕制在骨架1b上，底座1d主要用于固定螺旋支撑体1a和绕制漆包铜线1c的骨架1b；对漆包铜线施加激励电流后，操作空间内产生大小和方向都可控的电磁场；本发明的操作空间约为8300cm3；扁平螺线管状线圈模块1均由不导电的非磁性材料PLA耗材构成；
步骤140、磁性模块作用力计算。
基于人手与虚拟物体力触觉交互模型，计算当前时刻磁性模块电磁作用力，具体包括掌心永磁铁电磁作用力和多个指尖电磁铁电磁作用力。
步骤150、层叠式扁平螺线管状线圈模块中各线圈优先级编号。
具体的，根据穿戴式装置中掌心永磁铁的实时三维位置P到各个线圈轴线中点(A至F)的距离递增顺序(PC<PB<PD<PA<PE<PF)，对当前时刻层叠式扁平螺线管线圈模块中各个线圈从整数1到6进行优先级编号，以确定各个线圈施加电流次序，编号越小者优先级越高，如图3所示。
步骤160、依据电磁场组合激励控制方法确定层叠式扁平螺线管状线圈模块激励电流和穿戴式装置中指尖电磁铁激励电流，采用PWM方式使用层叠式扁平螺线管状线圈驱动控制模块驱动层叠式扁平螺线管状线圈，并使用穿戴式装置中指尖电磁铁驱动控制模块驱动穿戴式装置中的电磁铁，产生所需电磁作用力实现力触觉再现。
具体的，在对层叠式扁平螺线管状线圈模块施加激励电流产生电磁作用力的过程中，以施加激励电流的线圈个数最少为原则，即优先对优先级高的1号线圈施加激励电流，当产生的电磁力仍无法满足需求时，继续对下一优先级的2号线圈施加激励电流，以此类推；
当计算得到的穿戴式装置中掌心永磁铁所受电磁作用力不为0时，基于穿戴式装置中掌心永磁铁电磁作用力仿真离散数据，对掌心永磁铁实时三维位置所在网格单元相邻节点利用插值算法，得到当前时刻掌心永磁铁所受电磁力与层叠式扁平螺线管状线圈模块激励电流之间的对应关系，依据上述计算得到的掌心永磁铁电磁作用力，确定层叠式扁平螺线管状线圈模块激励线圈个数和对应电流，再依据穿戴式装置中指尖电磁铁电磁作用力仿真离散数据和上述层叠式扁平螺线管状线圈模块激励电流，得到各个指尖电磁铁所需激励电流；
当计算得到的穿戴式装置中掌心永磁铁所受电磁作用力为0时，直接基于穿戴式装置中指尖电磁铁电磁作用力仿真离散数据，对所受电磁作用力最大的指尖电磁铁实时三维位置所在网格单元相邻节点利用插值算法，得到当前时刻该电磁铁所受电磁力与层叠式扁平螺线管状线圈模块激励电流、该电磁铁所需激励电流之间的对应关系，依据上述计算得到的该电磁铁电磁作用力，确定层叠式扁平螺线管状线圈模块激励线圈个数和对应电流以及该电磁铁所需激励电流，再基于穿戴式装置中指尖电磁铁电磁作用力仿真离散数据和上述层叠式扁平螺线管状线圈模块激励电流，得到其他所受电磁作用力较小的指尖电磁铁激励电流；
采用PWM方式使用层叠式扁平螺线管状线圈驱动控制模块驱动层叠式扁平螺线管状线圈，并使用穿戴式装置中指尖电磁铁驱动控制模块驱动穿戴式装置中的电磁铁，产生所需电磁作用力实现力触觉再现；重复至步骤130。
所述层叠式扁平螺线管状线圈驱动控制模块2是基于TI公司的ARM Cortex M4处理器TM4C129构建的，调节层叠式扁平螺线管状线圈模块产生的背景电磁场。所述穿戴式装置驱动控制模块5基于TI公司的ARM Cortex M4处理器TM4C123构建的，通过对掌心永磁铁和多个指端电磁铁的电流驱动控制，采用PWM的方式，进而在相应穿戴式装置上的磁性模块位置处产生特定的电磁作用力；TM4C129处理器通过无线通讯模块I，以蓝牙的方式与无线通讯模块II连接通信。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于电磁场组合激励控制的非接触式力触觉再现系统，其特征在于，所述系统包括层叠式扁平螺线管状线圈模块、带磁性模块的穿戴式装置、层叠式扁平螺线管状线圈驱动控制模块、穿戴式装置中指尖电磁铁驱动控制模块、位置检测模块和电源模块；
在所述层叠式扁平螺线管状线圈模块内部设有真实操作空间，在所述真实操作空间里通过可调控的背景电磁场和穿戴式装置中的磁性模块实现力触觉再现；所述穿戴式装置中的磁性模块包括掌心的永磁铁模块和多个指尖部位的电磁铁模块。
2.根据权利要求1所述的基于电磁场组合激励控制的非接触式力触觉再现系统，其特征在于，
所述层叠式扁平螺线管状线圈模块包括骨架、螺旋支撑体、底座和漆包铜线；所述螺旋支撑体由内、外两层空心圆柱体以螺纹拧旋而成，所述骨架呈扁平工字型，依次层叠在所述螺旋支撑体的外侧，所述漆包铜线均匀绕制在所述骨架上，所述底座主要用于固定所述螺旋支撑体和绕制所述漆包铜线的所述骨架。
3.根据权利要求1所述的基于电磁场组合激励控制的非接触式力触觉再现系统，其特征在于，
所述位置检测模块包括视觉信息检测装置以及计算机PC，所述视觉信息检测装置捕获人手以及穿戴式装置中磁性模块图像的深度信息，所述计算机PC利用获取的相关三维位置信息，运行磁性模块位置检测算法，定位磁性模块三维坐标。
4.根据权利要求1所述的基于电磁场组合激励控制的非接触式力触觉再现系统的再现方法，其特征在于，所述方法的实现过程，包括以下步骤：
步骤一，虚拟场景建立；建立包括虚拟手和虚拟物体模型的虚拟场景，并建立层叠式扁平螺线管状线圈模块内部真实操作空间与虚拟场景的空间映射关系，以及真实人手与虚拟手的三维位置映射关系；
步骤二，电磁作用力仿真离散数据计算；根据精度要求，使用三维网格单元对层叠式扁平螺线管状线圈模块内部真实操作空间进行网格划分，形成三维空间中的离散网格节点，使用有限元方法分析所述磁性模块在离散网格节点处所受电磁力与层叠式扁平螺线管状线圈模块中的激励电流、以及多个指尖电磁铁激励电流间的对应关系，形成以多维矩阵表示的包括磁性模块所受电磁力、层叠式扁平螺线管状线圈模块激励电流和磁性模块激励电流在内的电磁作用力仿真离散数据；
步骤三，位置检测；利用位置检测模块对人手进行位置检测，得到穿戴式装置中掌心永磁铁的实时三维位置和多个指尖电磁铁的实时三维位置；
步骤四，磁性模块作用力计算；基于人手与虚拟物体力触觉交互模型，计算当前时刻磁性模块电磁作用力，具体包括掌心永磁铁电磁作用力和多个指尖电磁铁电磁作用力；
步骤五，采用电磁场组合激励控制方法产生电磁作用力；采用电磁场组合激励控制的方法，对层叠式扁平螺线管状线圈模块中各线圈进行优先级编号，以所述穿戴式装置中掌心永磁铁所受电磁力为基准，确定所述层叠式扁平螺线管状线圈模块中线圈个数和对应激励电流，再确定指尖电磁铁所需激励电流；
当穿戴式装置中掌心永磁铁所受电磁力为零时，以受电磁力最大的指尖电磁铁为基准，确定层叠式扁平螺线管状线圈模块中激励线圈个数和对应激励电流以及其自身的激励电流，然后确定其它指尖电磁铁的激励电流；采用PWM方式使用层叠式扁平螺线管状线圈驱动控制模块驱动层叠式扁平螺线管状线圈，并使用穿戴式装置中指尖电磁铁驱动控制模块驱动穿戴式装置中的电磁铁，产生所需电磁作用力实现力触觉再现；
重复至步骤三。
5.根据权利要求4所述的基于电磁场组合激励控制的非接触式力触觉再现方法，其特征在于，
所述使用有限元方法分析得到的穿戴式装置中掌心永磁铁电磁作用力仿真离散数据关系表达，具体为：
ii＝Di·Im(i＝1，2...n)
其中，表示穿戴式装置中掌心永磁铁所受的电磁作用力，(x，y，z)分别表示穿戴式装置中掌心永磁铁在层叠式扁平螺线管状线圈模块内部操作空间中的三维坐标，n表示产生背景磁场的层叠式扁平螺旋管状线圈个数；i1，i2...in表示层叠式扁平螺线管线圈模块的每个线圈的激励电流，Im表示驱动电压满载时层叠式扁平螺线管状线圈模块的最大激励电流；Di，i＝1,2…n，分别表示控制层叠式扁平螺线管状线圈模块激励电流PWM信号的占空比，分别用来表示i1，i2...in与Im的关系；gi(x，y，z)，i＝1,2…n，表示穿戴式装置中掌心永磁铁在(x，y，z)处所受电磁力与层叠式扁平螺线管状线圈模块中第i个线圈激励电流的映射关系；
所述使用有限元方法分析得到的穿戴式装置中指尖电磁铁电磁作用力仿真离散数据关系表达，具体为：
ii＝Di·Im(i＝1，2...n)
其中，表示穿戴式装置中指尖电磁铁所受的电磁力，(x，y，z)分别表示穿戴式装置中指尖电磁铁在层叠式扁平螺线管状线圈模块内部操作空间中的三维坐标，n表示产生背景磁场的层叠式扁平螺旋管状线圈个数；i1，i2...in表示层叠式扁平螺线管线圈模块的各个线圈的激励电流，ie表示穿戴式装置中单个指尖电磁铁的激励电流，Im表示驱动电压满载时层叠式扁平螺线管状线圈模块的最大激励电流；Di，i＝1,2…n，分别表示控制层叠式扁平螺线管状线圈模块激励电流PWM信号的占空比，分别用来表示i1，i2...in与Im的关系；g′i(x，y，z)，i＝1,2…n，表示穿戴式装置中指尖电磁铁在(x，y，z)处所受电磁作用力与层叠式扁平螺线管状线圈模块中第i个线圈激励电流的映射关系，h(ie)表示在层叠式扁平螺线管状线圈模块产生的背景磁场作用下，穿戴式装置中指尖电磁铁所受电磁作用力与该指尖电磁铁激励电流的映射关系。
6.根据权利要求4所述的基于电磁场组合激励控制的非接触式力触觉再现方法，其特征在于：所述的电磁场组合激励控制方法具体为：
根据穿戴式装置中掌心永磁铁位置到各线圈轴线中点的距离递增顺序，对当前时刻层叠式扁平螺线管状线圈模块中各线圈从整数1开始进行优先级编号，以确定各线圈施加电流次序，编号越小者优先级越高；若掌心永磁铁位置到两个线圈轴线中点的距离相等，则任选一侧线圈作为优先级高者；
在对扁平螺线管状线圈模块施加激励电流产生电磁作用力的过程中，以施加激励电流的线圈个数最少为原则，即优先对优先级较高的线圈施加激励电流，当产生的电磁力仍无法满足需求时，继续对下一优先级线圈施加激励电流，以此类推；
当计算得到的穿戴式装置中掌心永磁铁所受电磁作用力不为0时，基于穿戴式装置中掌心永磁铁电磁作用力仿真离散数据，对掌心永磁铁实时三维位置所在网格单元相邻节点利用插值算法，得到当前时刻掌心永磁铁所受电磁力与层叠式扁平螺线管状线圈模块激励电流之间的对应关系，依据上述计算得到的掌心永磁铁电磁作用力，确定层叠式扁平螺线管状线圈模块激励线圈个数和对应电流，再依据穿戴式装置中指尖电磁铁电磁作用力仿真离散数据和上述层叠式扁平螺线管状线圈模块激励电流，得到各个指尖电磁铁所需激励电流；
当计算得到的穿戴式装置中掌心永磁铁所受电磁作用力为0时，直接基于穿戴式装置中指尖电磁铁电磁作用力仿真离散数据，对所受电磁作用力最大的指尖电磁铁实时三维位置所在网格单元相邻节点利用插值算法，得到当前时刻该电磁铁所受电磁力与层叠式扁平螺线管状线圈模块激励电流、该电磁铁所需激励电流之间的对应关系，依据上述计算得到的该电磁铁电磁作用力，确定层叠式扁平螺线管状线圈模块激励线圈个数和对应电流以及该电磁铁所需激励电流，再基于穿戴式装置中指尖电磁铁电磁作用力仿真离散数据和上述层叠式扁平螺线管状线圈模块激励电流，得到其他所受电磁作用力较小的指尖电磁铁激励电流。
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