本發(fā)明屬于人機(jī)交互中的電磁追蹤，尤其涉及一種基于一維層疊式線圈的力觸覺再現(xiàn)和電磁位姿檢測方法。

背景技術(shù)：

1、隨著信息時(shí)代的到來，人機(jī)交互也呈現(xiàn)多樣化發(fā)展。在人類的所有感官中，觸覺作為具有雙向信息傳遞能力的感官，在人機(jī)交互領(lǐng)域，有著無可替代的作用。力觸覺再現(xiàn)技術(shù)是指計(jì)算機(jī)通過觸覺設(shè)備響應(yīng)用戶的力輸入，并通過觸覺設(shè)備將信息傳遞給用戶的人機(jī)交互過程。目前，被廣泛使用的力觸覺再現(xiàn)技術(shù)可分為接觸式和非接觸式。與非接觸式相比，接觸式具有操作空間有限，對操作者造成負(fù)擔(dān)等缺點(diǎn)。而在非接觸式中，力觸覺再現(xiàn)技術(shù)具有延時(shí)低、反饋?zhàn)匀坏葍?yōu)點(diǎn)被廣泛使用。目前，主流非接觸式力觸覺再現(xiàn)技術(shù)的人手電磁位姿檢測方法是基于視覺傳感器。視覺式電磁位姿檢測方法存在光線遮擋、視野盲區(qū)、強(qiáng)光影響等問題，使得視覺傳感器無法有效跟蹤人手，進(jìn)一步導(dǎo)致力觸覺再現(xiàn)算法受到影響。電磁式電磁位姿檢測方法作為常用電磁位姿檢測方法之一，因其沒有光線遮擋、計(jì)算精度高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢，在人機(jī)交互、醫(yī)療康復(fù)等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。

2、基于電磁感應(yīng)的電磁位姿檢測系統(tǒng)組成主要包括磁場發(fā)生器、感應(yīng)線圈和控制單元。raab等在1979年提出了一個(gè)帶有三軸正交的電磁位姿檢測系統(tǒng)的早期模型，通過數(shù)學(xué)分析指出準(zhǔn)靜態(tài)磁偶極場的三軸生成和感應(yīng)信息足以確定傳感器相對于源的電磁位姿，可以實(shí)現(xiàn)毫米級的定位精度。

3、基于三軸磁傳感器和三軸勵(lì)磁線圈，可以提供最多的輸出信息來實(shí)現(xiàn)6dof跟蹤，并通過時(shí)分或分頻來提高精度。但三軸發(fā)射線圈體積龐大，且三個(gè)線圈使用不同的頻率，占用過多的帶寬，難以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)跟蹤。一些研究團(tuán)隊(duì)通過其它各種方法實(shí)現(xiàn)了更少的激勵(lì)線圈或傳感器軸數(shù)的電磁式的6dof電磁位姿檢測。

4、song等提出了一種勵(lì)磁電流相位不同的二軸激勵(lì)線圈的電磁式電磁位姿檢測方法，通過以相位正交的信號分別激勵(lì)二軸激勵(lì)線圈，從而將激勵(lì)源等效成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁偶極子，然后利用來自三軸感應(yīng)線圈的感應(yīng)信號的振幅和相位信息，推導(dǎo)三軸感應(yīng)線圈電磁位姿的解析解，其平均位置誤差和角度誤差分別為0.7mm和2.4°，但系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。yang等設(shè)計(jì)了一種感應(yīng)線圈與控制器分離的電磁追蹤系統(tǒng)，采用單軸線圈，在平面上安裝了9個(gè)不同發(fā)射頻率、不同方位角度的激勵(lì)線圈。他們系統(tǒng)中接收模塊通過濾波識別感應(yīng)電壓對應(yīng)的激勵(lì)線圈，實(shí)現(xiàn)了微型感應(yīng)線圈的五維跟蹤(平均位置和角度誤差分別小于2.3mm和0.2°),但當(dāng)功率放大器過熱時(shí)，會導(dǎo)致信號波動對檢測結(jié)果有一定的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提出一種基于一維層疊式線圈的力觸覺再現(xiàn)和電磁位姿檢測方法，實(shí)現(xiàn)在力觸覺應(yīng)用中面向自然的、結(jié)構(gòu)緊湊的、高精度的、實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的電磁位姿檢測。

2、本發(fā)明提出的基于一維層疊式線圈的力觸覺再現(xiàn)和電磁位姿檢測方法，所述方法基于一維層疊式線圈結(jié)構(gòu)的力觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括一維層疊式線圈模塊、位置檢測激勵(lì)信號模塊、指尖電磁鐵模塊、一維層疊式線圈驅(qū)動模塊、指尖電磁鐵驅(qū)動模塊、信號處理模塊；

3、所述一維層疊式線圈模塊由多個(gè)在同一中軸線上排列的空心圓柱線圈組成，所述空心圓柱線圈由多層均勻密繞而成，所有空心圓柱線圈物理參數(shù)相同，各自獨(dú)立控制，用于提供電磁位姿檢測模式和力觸覺再現(xiàn)模式所需的背景磁場；

4、所述位置檢測激勵(lì)信號模塊用于為所述一維層疊式線圈模塊的每個(gè)線圈提供多個(gè)穩(wěn)定的頻率不同的參考信號；

5、所述指尖電磁鐵模塊包括用于電磁位姿檢測功能的指尖三維感應(yīng)線圈子模塊與用于力觸覺再現(xiàn)功能的電磁鐵子模塊，所述的指尖三維感應(yīng)線圈模塊具有3個(gè)方向正交的一維線圈，用于提供電磁位姿信息；

6、所述一維層疊式線圈驅(qū)動模塊用于驅(qū)動一維層疊式線圈模塊；

7、所述指尖電磁鐵驅(qū)動模塊用于驅(qū)動指尖電磁鐵模塊，向指尖提供反饋力；

8、所述信號處理模塊在電磁位姿檢測模式下，計(jì)算出指尖電磁鐵模塊在一維層疊式線圈內(nèi)部的電磁位姿，在力觸覺再現(xiàn)模式下，控制一維層疊式線圈驅(qū)動模塊與指尖電磁鐵驅(qū)動模塊輸出激勵(lì)電流，在指尖電磁鐵模塊上產(chǎn)生所需電磁力，實(shí)現(xiàn)磁力式單點(diǎn)或多點(diǎn)力觸覺再現(xiàn)。

9、進(jìn)一步的，在所述的一維層疊式線圈模塊內(nèi)部設(shè)有系統(tǒng)操作空間，在所述系統(tǒng)操作空間里通過可調(diào)控的背景電磁場和指尖電磁鐵模塊實(shí)現(xiàn)力觸覺再現(xiàn)；所述指尖電磁鐵模塊包括指尖三維感應(yīng)線圈模塊和電磁鐵模塊；

10、所述方法的實(shí)現(xiàn)過程，包括以下步驟：

11、步驟一，虛擬場景建立；建立包括虛擬手和虛擬物體模型的虛擬場景，建立一維層疊式線圈模塊內(nèi)部系統(tǒng)操作空間與虛擬操作空間的映射關(guān)系，以及真實(shí)人手與虛擬人手的三維映射關(guān)系；

12、步驟二，背景電磁場仿真離散數(shù)據(jù)計(jì)算；根據(jù)精度要求，通過有限元分析方法使用三維網(wǎng)格單元對一維層疊式線圈模塊內(nèi)部系統(tǒng)操作空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，形成三維空間的離散網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，分析所述一維層疊式線圈模塊內(nèi)部的磁場強(qiáng)度，所述指尖電磁鐵模塊在離散網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓與一維層疊式線圈模塊中的激勵(lì)電流的對應(yīng)關(guān)系，形成以多維矩陣表示的包括指尖電磁鐵模塊所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓、一維層疊式線圈模塊激勵(lì)電流的仿真離散數(shù)據(jù)；

13、步驟三，建立一維層疊式線圈內(nèi)系統(tǒng)操作空間的三維坐標(biāo)系a；

14、步驟四，位置檢測：位置檢測激勵(lì)信號模塊為一維層疊式線圈模塊的不同線圈提供不同頻率的電磁位姿檢測激勵(lì)信號，基于電磁感應(yīng)原理，獲取一維層疊式線圈內(nèi)系統(tǒng)操作空間產(chǎn)生的磁場與指尖電磁鐵模塊感應(yīng)電壓的關(guān)系，通過信號處理模塊解調(diào)各磁場分量，得到指尖電磁鐵模塊的實(shí)時(shí)電磁位姿；

15、步驟五，基于指尖與虛擬物體交互的力觸覺模型，信號處理模塊計(jì)算與輸出實(shí)時(shí)的指尖電磁鐵模塊的作用力：通過信號處理模塊，控制一維層疊式線圈驅(qū)動模塊和指尖電磁鐵驅(qū)動模塊輸出一維層疊式線圈模塊與指尖電磁鐵模塊在力觸覺再現(xiàn)模式下所需力觸覺激勵(lì)信號；磁力式激勵(lì)信號與電磁位姿檢測激勵(lì)信號通過三極管放大電路疊加，輸出至一維層疊式線圈模塊與指尖電磁鐵模塊；

16、重復(fù)至步驟四。

17、進(jìn)一步的，所述指尖與虛擬物體交互的力觸覺模型為：

18、所述的指尖位置采用實(shí)時(shí)電磁位姿，所述虛擬物體位于一維層疊式線圈模塊內(nèi)部，建立虛擬指尖與真實(shí)人手指尖的三維映射關(guān)系，在虛擬環(huán)境中使用碰撞檢測，檢測虛擬指尖是否與虛擬物體發(fā)生接觸，優(yōu)化力觸覺再現(xiàn)的參數(shù)，使用戶感知三維方向的真實(shí)力反饋。

19、進(jìn)一步的，所述一維層疊式線圈通過調(diào)控n個(gè)同軸的一維線圈單元emi，i＝1,2…n，實(shí)現(xiàn)電磁位姿檢測和力觸覺再現(xiàn)功能所需的背景磁場，所述的建立內(nèi)系統(tǒng)操作空間的三維坐標(biāo)系a具體包括：

20、以操作空間的中心點(diǎn)作為三維坐標(biāo)系a的原點(diǎn)，以一維層疊式線圈模塊的中心軸線為x軸方向，選取任意一個(gè)徑向線圈的軸線方向?yàn)閥軸方向，根據(jù)右手定則確定z軸；一維線圈單元的中心點(diǎn)坐標(biāo)(pxemi,0,0)；一維線圈單元emi以pxemi由小到大的順序進(jìn)行排序，線圈半徑均為r；

21、以指尖電磁鐵模塊的中心點(diǎn)作為局部坐標(biāo)系bn的原點(diǎn)，以坐標(biāo)系a的坐標(biāo)軸方向?yàn)槿S坐標(biāo)系bn的坐標(biāo)軸方向，指尖電磁鐵模塊的旋轉(zhuǎn)角(θ,γ,ψ)分別為繞坐標(biāo)系bn的x、y、z軸旋轉(zhuǎn)的角度。

22、進(jìn)一步的，所述步驟四包含：

23、步驟4.1，一維層疊式線圈模塊和指尖電磁鐵模塊在所述位置檢測模式，位置檢測激勵(lì)信號模塊以正弦波驅(qū)動一維層疊式線圈模塊中的所有線圈，一維線圈單元emi的頻率取決于i的值，i為奇數(shù)時(shí)，頻率為f1，i為偶數(shù)時(shí)，頻率為f2，其中，流經(jīng)每個(gè)線圈的激勵(lì)電流ii的有效值大小相同，i＝1，2…n，一維線圈在指尖電磁鐵模塊(x,y,z)處產(chǎn)生的磁場分量具體表示為：

24、

25、其中，表示發(fā)射線圈的中心位置，表示發(fā)射線圈中心到指尖電磁鐵模塊中心(x,y,z)的距離，r為線圈半徑，m表示線圈匝數(shù)，

26、分別表示在x,y,z方向的分量關(guān)系式；

27、步驟4.2，讀取指尖電磁鐵模塊3個(gè)方向上的感應(yīng)電壓，通過信號處理模塊解調(diào)與計(jì)算指尖電磁鐵模塊的電磁位姿，并記錄當(dāng)前的測量結(jié)果；

28、步驟4.3，對于感應(yīng)電壓的理論計(jì)算值與實(shí)際測量值，建立代價(jià)函數(shù)：

29、e(x，y，z，θ，γ，ψ)＝(vx′-vx)2+(vy′-vy)2+(vz′-vz)2

30、其中，vx，vy，vz為指尖電磁鐵模塊3個(gè)方向的真實(shí)感應(yīng)電壓，vx′，vy′，vz′為指尖電磁鐵模塊3個(gè)方向的理論計(jì)算值。

31、本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

32、1.操作空間內(nèi)產(chǎn)生背景磁場的一維線圈模塊采用層疊式結(jié)構(gòu)，且模塊中每個(gè)線圈單獨(dú)工作，通過調(diào)控每個(gè)線圈流入的激勵(lì)信號來實(shí)現(xiàn)力觸覺再現(xiàn)模式和電磁位姿檢測模式的協(xié)同工作，在電磁位姿檢測模式下，通過解調(diào)指尖電磁鐵模塊不同頻率的感應(yīng)電壓，實(shí)現(xiàn)指尖電磁鐵模塊的電磁位姿檢測，在力觸覺再現(xiàn)模式下，結(jié)合控制指尖電磁鐵模塊的激勵(lì)電流，實(shí)現(xiàn)一維層疊式線圈模塊內(nèi)系統(tǒng)操作空間的逼真的、實(shí)時(shí)的、高精度的、力觸覺再現(xiàn)。

33、2.以該電磁位姿檢測方法設(shè)計(jì)的力觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的、多點(diǎn)的力觸覺感知，增強(qiáng)用戶的真實(shí)感和沉浸感。

34、3.功能復(fù)用的一維層疊式線圈模塊和指尖電磁鐵模塊使得力觸覺人機(jī)交互系統(tǒng)更加緊湊，降低了整體成本，擴(kuò)大了操作空間。