[实用新型]基于电磁场组合激励控制的非接触式力触觉再现系统

说明书

本实用新型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，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；本实用新型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。

技术领域

本实用新型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。

实用新型内容