[发明专利]一种多线圈电磁式力触觉反馈装置及方法

说明书

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 for haptic interaction:Device design,performance,and integration with physical simulations[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 Width 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。

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