[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

说明书

本发明公开了一种远程电磁触觉再现系统、磁场生成及触觉预测方法，系统包括本地端、远程端和边缘学习平台；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；远程端包括操作机器人、远程操作杆和触觉传感器；本地端、远程端均配置有边缘学习平台，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；本地端、远程端之间通过网络连接通信。本发明提出了一种磁场生成方法，用于控制铁芯线圈产生磁场；此外本发明还提供了一种触觉预测方法，根据操作信息和历史触觉数据对当前触觉反馈进行在线预测。本发明能够进行动态准确的触觉生成，而且触觉数据的在线预测误差较小，保证了远程触觉通信的稳定性。

技术领域

本发明属于虚拟现实技术领域，涉及一种远程的电磁触觉再现系统、磁场生成及触觉预测方法，特别涉及一种利用机器学习技术，构建基于解耦和PID神经网络来控制磁场生成，以及利用监督式的双向LSTM网络对远程触觉通信数据进行预测，来实现动态、准确、稳定的远程触觉再现的系统、磁场生成及触觉预测方法。

背景技术

作为一种双向交互式的虚拟现实服务，远程触觉再现是在5G技术中的高可靠低延时通信场景中构建触觉互联网的基础([文献1])。它通过有线或无线方式将远程端的触觉信息传输到操作端，并借助触觉装置来跨区域进行实时虚拟触觉再现，能够允许用户对无法触及或者危险环境中的对象进行感知和操作。完整而准确地再现远程操作中的触觉反馈，能够在一定程度上修正视觉信息的偏差([文献2])，辅助用户完成更加精细的操作过程，提高远程操作的交互性、沉浸感和想象空间。然而，现有的远程触觉再现系统通常使用the Geomagic Touch X等机械式触觉装置来进行触觉反馈。机械连杆的存在，限制了触觉再现的操作空间和响应频率，并且机械摩擦也影响着触觉生成的准确度([文献3])。此外，受到网络延迟、延迟抖动、丢包和链路可用带宽资源可获性的影响，不稳定的触觉数据通信将极大降低本地触觉再现的沉浸感，增加远端操作的失误频率和完成时间，减低其作业效能([文献4])。

在电磁触觉装置上，Berkelman等人([文献5])最先使用电磁线圈阵列和包含永磁体的操作杆来进行触觉感知，能够在在一定范围内生成几牛顿大小的全方向转矩力。Qianqian Tong等人([文献6])通过对线圈电流的控制来调整空间磁场的强度，来实现虚拟软组织刚度的精确感知，并通过多方面的定性实验证明了电磁式触觉比起机械式触觉具有更好地沉浸感。Alaa Adel([文献7])等人设计了一种用于指尖磁力反馈的电磁触觉接口，结合操作杆的位置信息，在三维物体识别上的准确率可达66.8％。

上述的电磁式触觉装置通常是面向静态触觉感知的，然而远程触觉交互是一个动态的双向交互应用。在交互过程中，随着操作杆的运动，生成磁场也需要实时变化。这要求电磁式触觉装置不仅要控制线圈电流生成，也需要对整个线圈阵列的磁场进行监视。根据线圈阵列的磁场生成过程设计合理的磁场生成算法，是动态精确地产生电磁触觉的关键。

在触觉预测上，Carlo等人([文献8])最先引入了触觉反馈预测的概念，并用于半自动机器人的二维轨迹整形。Nicolo等人([文献9])将概念扩展到六自由度机械手的共享控制，通过触觉预测来验证人为操作是否符合系统约束，从而保证远程核废料处理的安全性。

上述触觉预测算法仅仅考虑到当前触觉反馈受历史触觉反馈的影响。实际上，双向交互过程中的触觉反馈不仅与交互对象的动力学模型相关，也和使用者的操作相关。本发明综合操作杆的运动信息和历史触觉数据对当前时刻的触觉反馈进行准确预测，以保证稳定的远程触觉通信。

参考文献：

[文献1]:A.Aijaz,M.Dohler,A.H.Aghvami,V.Friderikos,and M.Frodigh,“Realizing the tactile internet:Haptic communications over next generation5gcellular networks,”IEEE Wireless Communications,vol.24,no.2,pp.82–89,2016.