[发明专利]一种远程电磁触觉再现系统、磁场生成及触觉预测方法

权利要求书

1.一种用于控制铁芯线圈产生磁场的方法，采用远程电磁触觉再现系统；

其特征在于：所述系统包括本地端、远程端和边缘学习平台；所述本地端包括本地磁性操作杆、电磁触觉再现装置和定位设备；所述远程端包括操作机器人、远程操作杆和触觉传感器；所述本地端、远程端均配置有边缘学习平台，所述边缘学习平台用于本地端设备和远程端设备控制、触觉传感器数据采集、数据收发与缓存、信号处理、计算；所述本地端、远程端之间通过网络连接通信；所述操作机器人配置有6个主动旋转关节机械臂，用来控制末端夹取的远程操作杆在一定范围内进行3个位置自由度和姿态自由度操作；所述触觉传感器为硬质皮肤触觉传感器；所述电磁触觉再现装置，通过包含三个铁芯线圈的线圈阵列来产生电磁场，且每个铁芯线圈的位置和姿态均能自由调节；铁芯线圈主要由绕在圆柱形骨架上的环形铜线和位于铁芯线圈中心的软铁铁芯组成；使用H桥结构的线圈驱动电路进行铁芯线圈的交流驱动，使用周期固定的高频互补脉冲控制四个桥臂的开关情况，从而控制铁芯线圈两端正向和负向电压的持续时间，以实现对铁芯线圈电流大小和方向的快速精细调整；三个铁芯线圈各自产生的磁场向量通过驱动电流调整大小，通过铁芯线圈位姿来调整方向，能在空间任一点合成为一个任意大小和方向的磁场向量，结合本地磁性操作杆，实现完整的六自由度单点触觉再现；

所述方法包括以下步骤：

步骤A1：构建单个铁芯线圈的电流生成模型；

分析驱动脉冲占空比和电流间的线性关系，记线圈阻抗和感抗分别为R和L，驱动电压的直流分量为U_d，交流分量等效为U_asinωt；在正向电压占空比为d的稳态情况下，线圈回路中的电流为：

其中，ω表示驱动电压等效交流分量的频率，单位为rad/s；U_a表示等效交流分量的幅度，单位为V；

步骤A2：构建整个铁芯线圈阵列的磁场生成模型；

计算铁芯线圈阵列在空间点Q处所产生的磁感应强度B_array(Q，O，R，I)；

其中，Q表示在进行铁芯线圈阵列的磁场生成时，电磁触觉再现装置将接收的空间点Q的位置信息；O，R，I为铁芯线圈的位置、姿态和电流；每个铁芯线圈的位置、姿态和电流分别为O_i、R_i和I_i，i＝1，2，3；单个铁芯线圈在Q点产生的磁感应强度为B_coil；

步骤A3：根据铁芯线圈的位置、姿态信息，结合电流和磁场的生成过程，对磁感应强度的参考值B_ref进行解耦，并将解耦获得的值作为每个铁芯线圈设定电流的基准值；

步骤A4：检测空间磁场的生成值；

构建用于磁场误差消除的多层PID神经网络，将磁感应强度的参考值B_ref和采样值B_samp的误差作为输入，来计算输出各个铁芯线圈电流控制的参考值的增益值，并结合线圈电流基准值作为各个铁芯线圈电流控制的参考值；

步骤A5：检测铁芯线圈的电流生成值；

对于每个铁芯线圈，根据其电流生成模型，使用电流参考值计算出驱动脉冲占空比，并结合电流生成误差的比例和积分对占空比进行微调，以实现无稳态误差的电流生成，进而达到快速准确的磁场生成。

2.根据权利要求1所述的用于控制铁芯线圈产生磁场的方法，其特征在于：步骤A4中所述构建用于磁场误差消除的多层PID神经网络，是在多层PID神经网络中，定义多层PID神经网络的三个输入值分别为磁场的三维分量误差值；定义每个输入节点分别与隐含层的三个节点相连，分别代表PID控制中的比例、积分和微分处理，用于分离磁场误差的静态分量；定义输出层为三个线圈的电流控制参考值；隐含层与输出层之间的节点为全连接，用于学习磁场分量和线圈电流值之间的耦合关系，以分离磁场误差的动态分量；定义磁场误差的均方根为神经网络的目标函数，整个网络的权值由反向传播算法在线调整，以缩小磁场参考值和采样值之间的误差。