本發(fā)明屬于人機交互中的力觸覺再現，尤其涉及一種萬向旋轉結構的磁力式力觸覺再現方法。

背景技術：

1、目前，觸覺再現技術主要分為幾種類型：機械式觸覺再現、振動觸覺再現、靜電力觸覺再現，以及近年來出現的氣囊和氣動噴流式觸覺再現方式。其中，電磁力觸覺再現技術發(fā)展前景良好，應用領域廣泛。

2、華南理工大學何子平等人以磁力作為反饋力，電磁鐵和磁感應手套作為力覺發(fā)生和感受裝置。通過電磁理論以及有限元分析法,對電磁鐵的磁場分布以及磁感應手套的受力大小進行分析計算。使用三維平臺移動跟蹤算法來對反饋力方向進行計算。但受活動距離限制精度較低。

3、nikolas?kastor等人提出一種電磁致動器，通過電磁力驅動一個或多個永磁體，計算了由永磁體和電磁線圈產生的力，以及它們如何與鐵磁流體相互作用產生機械運動，進而刺激皮膚。能夠在整個觸覺可感知頻率范圍內準確再現高動態(tài)范圍的觸覺振動。

4、hwan?kim等人設計hapmini，具有低機械復雜性和最少的執(zhí)行器數量，同時能夠提供力反饋和觸覺反饋。通過改變流過螺線管的電流的極性，可以改變電磁場的方向，從而對永磁體產生拉力或推力。但只能在二維平面操作。

5、江蘇大學提出的柔性三維力觸覺傳感器電容式指尖三維力觸覺傳感器，通過多電極設計、信號采集控制系統(tǒng)的搭建，實現三維力的測量，以計算出較為準確的握力，為機械手提供科學的抓取策略。

6、abler等人設計了一種單驅動的球形針陣列設備hedgehog，通過一個球形全向電磁鐵，控制86個由永磁鐵制成的活動銷的伸縮，實現了在最大負載下的受力為200mn。該設備限制了手的活動，手只能在握住設備時感受力。

7、基于超聲波相控陣的多指繩索力觸覺反饋裝置及其反饋方法(專利號cn201910246962.8)，提出了一種基于超聲波相控陣的多指繩索力觸覺反饋裝置及其反饋方法,通過線驅動繩索力單元，提供了高自由度,高精度,力感強烈的力觸覺反饋。

8、東南大學提出了一種手指可穿戴式柔性力觸覺反饋裝置(專利號cn201811301176.5)，通過內外傳動桿和驅動器為手指提供力觸覺反饋信息，構造輕巧,穿戴方便,手指可靈活活動,交互自然。

9、基于空氣壓力和基于聲輻射力的方法都可以實現真正意義上的自然交互，它們具有低成本，低功耗和受力可控的優(yōu)點，但是通常只能提供粗略的力反饋，分辨率和準確性較低，且在有遮擋的環(huán)境中表現不好。本發(fā)明基于電磁力的力觸覺再現方法，是非接觸式方法中比較有潛力的方法，它能提供精細的、多維度的、不受約束的多點力觸覺再現。

技術實現思路

1、針對上述技術問題，本發(fā)明的目的在于提出一種新的力觸覺再現裝置和電磁場控制方法。

2、基于萬向旋轉結構的磁力式力觸覺再現系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含三維背景電磁鐵模塊、萬向旋轉結構、指尖磁鐵模塊、系統(tǒng)中央控制模塊以及位置檢測模塊；其中，

3、所述萬向旋轉結構包含內層、中層以及外層的3層環(huán)形架和互相垂直的自轉軸，內層環(huán)架繞固定在中層環(huán)架的自轉軸進行旋轉，中層環(huán)架繞固定在外層環(huán)架的自轉軸進行旋轉；萬向旋轉結構內層環(huán)架上放置指尖磁鐵模塊，允許指尖磁鐵模塊任意角度旋轉；

4、所述三維背景電磁鐵模塊由多個線圈組成，通過系統(tǒng)中央控制模塊發(fā)送的電流激勵信號產生所需的三維可控背景電磁場；

5、所述指尖磁鐵模塊由永磁鐵或電磁鐵組成。

6、采用永磁鐵作為指尖磁鐵時，所述指尖磁鐵具有固定磁矩；采用電磁鐵作為指尖磁鐵時，所述指尖磁鐵的磁矩可調節(jié)，通過改變通過線圈的電流來調整磁場的強度和方向。

7、基于上述基于萬向旋轉結構的磁力式力觸覺再現系統(tǒng)，本技術還提供對應的再現方法，該方法包括以下步驟：

8、步驟一，建立操作空間與虛擬空間的映射關系，首先通過有限元方法，仿真多種激勵下操作空間內三維背景電磁鐵產生的三維可控背景電磁場磁場分布，并確定各點最佳激勵方案數據；建立包括虛擬手和虛擬物體模型的虛擬場景，并建立背景電磁鐵模塊內部真實操作空間與虛擬場景的空間映射關系，以及人手與虛擬手的三維位置映射關系，建立虛擬物體的多點力觸覺再現模型和多個指尖在虛擬現實環(huán)境中的代理點：

9、所述激勵方案如下：建立三維背景電磁鐵仿真模型，根據精度要求設定空間有限元仿真步長和遍歷每組激勵電流確定空間中磁場力大小，空間中任意位置(x,y,z)的磁場力與激勵電流具體關系如下：

10、f＝ai

11、

12、其中是在給定位置處每個線圈產生的力與電流的比率，是線圈驅動電流向量。

13、通過解算：

14、a-1f＝i

15、可確定虛擬交互力確定產生對應磁場力所需的電流激勵i。

16、實時獲取人手三維位置信息，并將人手三維位置信息傳遞到(1)中虛擬場景的虛擬手；

17、所述控制策略如下：

18、攝像頭模塊實時獲取人手三維位置信息，轉換為虛擬環(huán)境中人手坐標，當操作者指尖與虛擬物體交互時，利用插值法選取激勵方案n個點中最接近當前交互點的空間離散點xm，ym，zm，并根據交互力大小確定最佳激勵方案電流組合值(i1，i2，i3...im)

19、最終實現電磁力并由萬向旋轉結構使永磁鐵旋轉使電磁力作用最大，完成力觸覺反饋。

20、步驟二，通過攝像頭模塊獲取當前時刻指尖位姿信息p(px，py，pz，α，β，γ)，其中px、py和pz為指尖電磁鐵的三維坐標信息，α、β和γ為指尖電磁鐵的旋轉角度信息。

21、步驟三，根據力觸覺再現模型，計算生成當前時刻操作者指尖與虛擬物體交互時所受作用力，作為控制方法中的目標作用力,所述指尖電磁鐵磁力矩的計算具體為：

22、

23、其中，表示指尖電磁鐵所受磁力矩，表示指尖電磁鐵整體所受磁矩，表示背景磁場在指尖電磁鐵位置處產生的磁感應強度；當背景磁場的磁感應強度方向與指尖磁鐵的等效磁矩方向一致，指尖電磁鐵所受磁力矩最小；

24、所述指尖電磁鐵磁矩的計算具體為：

25、

26、其中，sxa表示指尖電磁鐵上中心軸線為x方向的第a個線圈所圍的面積，syb表示指尖電磁鐵上中心軸線為y方向的第b個線圈所圍的面積，szc表示指尖電磁鐵上中心軸線為z方向的第c個線圈所圍的面積，nx、ny、nz分別為指尖電磁鐵上中心軸線為x、y、z方向的線圈數，iftx、ifty、iftz分別表示指尖電磁鐵上中心軸線為x、y、z方向的線圈的激勵電流大??；表示中心軸線為x的線圈產生的磁矩的方向，與電流iftx的流向遵守右手螺旋定則，y、z方向同理可得，指尖電磁鐵的整體磁矩由三個正交方向的矢量疊加而成；

27、所述背景電磁鐵產生的磁場具體為：

28、

29、根據畢奧-薩伐爾定律分別計算出指尖位置處每個線圈單元沿x，y和z軸產生的磁感應強度，將每個線圈單元產生的磁感應強度進行矢量疊加，獲得指尖位置的磁感應強度的大小和方向；

30、所述指尖電磁鐵所受電磁力的計算具體為：

31、

32、其中，為指尖電磁鐵所受電磁力，為梯度算子，對于背景電磁鐵而言，指尖磁鐵內部并無電流流過，根據麥克斯韋方程，有因此指尖電磁鐵所受電磁力為：

33、

34、即對于理想的磁偶極矩，其在外部磁場中受力由所處位置的磁感應強度梯度和磁矩確定。

35、作用力傳入系統(tǒng)中央控制模塊，由控制策略選取最佳電流激勵方案后，驅動三維背景電磁鐵對指尖電磁鐵產生電磁力，實現力觸覺反饋。

36、重復至步驟二或結束。

37、本發(fā)明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：

38、(1)萬向旋轉結構能以任意角度旋轉，消除可能的磁場作用力矩影響，使電磁鐵磁矩始終與磁場方向重合以提供電磁吸引力，能提供多方向的非接觸式力觸覺反饋，實現力觸覺反饋的精準控制，提高使用者的操作效率，增強用戶的沉浸感和交互體驗；

39、(2)三維背景電磁場有限元仿真可得到可調的磁場強度，獲取激勵方案的算法簡單，能提供大空間、連續(xù)可調的力觸覺反饋；

40、(3)該方法設計的力觸覺設備能實現更精細的、多點的力觸覺感知，增強體驗者的真實感與沉浸感。