一種多線圈電磁式力觸覺反饋裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及人機(jī)交互中的電磁式觸覺反饋技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多線圈電磁式 力觸覺反饋裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 虛擬手術(shù)系統(tǒng)是現(xiàn)今醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研宄的前沿課題，研宄者可以運(yùn)用虛擬現(xiàn)實等技術(shù) 實現(xiàn)醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的三維可視化，并對可視化的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時操作，從而建立起可供手術(shù) 前規(guī)劃使用的虛擬環(huán)境。在虛擬環(huán)境中，力觸覺反饋技術(shù)是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)與真實環(huán)境交互 的橋梁。虛擬現(xiàn)實與人機(jī)交互的力觸覺交互技術(shù)包括力觸覺再現(xiàn)技術(shù)和虛擬環(huán)境的力觸覺 建?！，F(xiàn)有技術(shù)中，大多是電子機(jī)械式觸覺反饋裝置，通過機(jī)械關(guān)節(jié)傳遞信息來計算位置信 息和反饋力，但機(jī)械式力反饋裝置中機(jī)械臂之間的摩擦，以及機(jī)械裝置的滯后性、關(guān)節(jié)接頭 復(fù)雜性等在機(jī)械上令人頭疼的一系列問題帶來的誤差無法解決。在前人研宄中，力反饋數(shù) 據(jù)手套CyberGrasp能夠同時為手指和手腕實現(xiàn)力反饋，這些力反饋再現(xiàn)裝置雖然能夠給 操作者提供較大范圍的力反饋，但由于作用力的產(chǎn)生和控制是基于電動，機(jī)械式的，產(chǎn)生摩 擦力比較大，以及本身重量使操作者產(chǎn)生錯覺。Sensable FreeFrom系列產(chǎn)品中Phantom Omni是一款力觸覺交互裝置，該產(chǎn)品現(xiàn)在也廣泛應(yīng)用在觸覺式設(shè)計系統(tǒng)中，但靈敏度，力反 饋效果一般，在應(yīng)用到虛擬手術(shù)環(huán)境中時，尚不能滿足需求，仍然克服不了機(jī)械式裝置帶來 的問題?！疚墨I(xiàn)1】研宄了一種基于電磁力的磁懸浮裝置，該裝置是一種將線圈纏繞在半球 殼形狀球殼上，放置于永磁體產(chǎn)生的磁場中，通電后線圈由于受到洛倫茲力懸浮在操作空 間中，該裝置的一大缺點是操作空間受限制，而且在應(yīng)用到虛擬環(huán)境中將在無線操作工具 上有很大的限制，特別是手動操作的工具需要自由靈活的特點。
[0003] 【文獻(xiàn) I 】Berkelman P J，Hol I is R L. Lorentz magnet ic levitat ion for haptic interaction:Device design,performance, and integration with physical simulations[J]. The International Journal of Robotics Research, 2000, 19(7) :644-667.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對機(jī)械式虛擬手術(shù)裝置中的滯后性、關(guān)節(jié)接頭復(fù)雜性，以及摩擦力等問題，本發(fā) 明提出了一種多線圈電磁式力觸覺反饋裝置及方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。
[0005] 本發(fā)明的裝置所采用的技術(shù)方案是：一種多線圈電磁式力觸覺反饋裝置，其特征 在于：包括由導(dǎo)磁材料制作而成的圓盤形底座、設(shè)置在底座上的η個電磁線圈和操作桿，其 中7多η多3,從而可構(gòu)造出五種拓樸結(jié)構(gòu)的多電磁線圈模型；所述的電磁線圈內(nèi)部為導(dǎo) 磁鐵芯、外部纏繞銅線，并與嵌入式控制系統(tǒng)的驅(qū)動線圈控制板連接；所述的η個電磁線 圈，其中一個電磁線圈作為磁場補(bǔ)償線圈設(shè)置在所述的底座中心軸處，其余電磁線圈作為 磁場產(chǎn)生線圈在操作空間中圍繞中心軸等距分布在所述的底座上；所述的電磁線圈的姿態(tài) 能夠隨著人機(jī)交互應(yīng)用案例的需要而調(diào)整，所述的電磁線圈的位置能夠隨著不同的人機(jī)交 互應(yīng)用需要而動態(tài)改變；所述的操作桿由磁鐵以及手柄構(gòu)成，用于在電磁線圈產(chǎn)生的可操 作有效磁場空間中與磁場交互；所述的裝置首先使用嵌入式控制系統(tǒng)中PWM(Pulse Width Modulation)控制模塊產(chǎn)生PWM控制信號，然后將PWM控制信號傳輸至H橋模擬驅(qū)動電路， 最后由H橋模擬驅(qū)動電路控制線圈中電流。
[0006] 作為優(yōu)選，所述的力觸覺反饋裝置還包括電流檢測模塊，由采樣電阻和電流檢測 芯片構(gòu)成，采樣電阻與電磁線圈串聯(lián)，由電流采樣芯片將采樣電流轉(zhuǎn)換為PWM采樣信號， ARM微控制器對P麗采樣信號的占空比測量，然后由測量結(jié)果計算出采樣電流，同時在微控 制器中使用PID(proportion-integral-derivative)算法對PWM控制信號調(diào)整以實現(xiàn)線圈 中電流精確調(diào)整。
[0007] 作為優(yōu)選，所述的導(dǎo)磁鐵芯采用高磁導(dǎo)率純鐵制作而成。
[0008] 作為優(yōu)選，所述的磁鐵為圓柱形，采用N52永磁鐵制作而成。
[0009] 作為優(yōu)選，所述的磁場產(chǎn)生線圈向中心軸傾斜60度。
[0010] 本發(fā)明的方法所采用的技術(shù)方案是：一種多線圈電磁式力觸覺反饋方法，其特征 在于，包括以下步驟：
[0011] 步驟1 :對操作空間進(jìn)行有限元劃分并根據(jù)有限元計算和仿真結(jié)果建立虛擬物體 豐旲型；
[0012] 步驟2 :定位操作桿上磁鐵在操作空間中的位置，其中操作空間6自由度位置信息 由已有的空間定位裝置獲得，將操作桿上磁鐵的位置信息傳遞給虛擬物體模型，計算出操 作桿在該位置處受到的電磁力矢量戶=,F ;
[0013] 步驟3 :利用逆向工程方法計算出電磁線圈組在操作桿頂端所在位置（X，y，z)產(chǎn) 生的總磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量萬=(A, A, A)':
[0014] F = G(J),hJ-)B·,
[0015] 上述表達(dá)式中，G是一個與操作桿頂端的磁鐵的磁場強(qiáng)度77 ,操作桿頂端的磁鐵 自身磁場方向？，操作桿頂端的磁鐵距離電磁線圈中心軸的距離矢量？相關(guān)的一個平滑函 數(shù)；
[0016] 步驟4 :由步驟3中計算出的磁感應(yīng)強(qiáng)度5計算出各電磁線圈中電流 / = ((./:.···,/")'，其中J是η維場源的電流矢量，多個場源產(chǎn)生電磁場計算公式用矩陣方 程表示為：
[0017] B = Al
[0018] 在三維操作空間中的某一點上，多個場源在該處形成的電磁場符合矢量疊加原 貝IJ，即滿足：
[0019] 5 =耳+ ? +…+ 瓦
[0020] B = A1I1 + A2I2 + …+ J1Jn
[0021] 將其中的矢量坐標(biāo)展開，得到如下線性方程組：
【主權(quán)項】
1. 一種多線圈電磁式力觸覺反饋裝置，其特征在于：包括由導(dǎo)磁材料制作而成的圓盤 形底座（3)、設(shè)置在底座（3)上的n個電磁線圈（1)和操作桿，其中7 3,從而可構(gòu)造 出五種拓樸結(jié)構(gòu)的多電磁線圈模型；所述的電磁線圈（1)內(nèi)部為導(dǎo)磁鐵巧（2)、外部纏繞銅 線，并與嵌入式控制系統(tǒng)的驅(qū)動線圈控制板連接；所述的n個電磁線圈（1)，其中一個電磁 線圈（1)作為磁場補(bǔ)償線圈設(shè)置在所述的底座（3)中屯、軸處，其余電磁線圈（1)作為磁場 產(chǎn)生線圈在操作空間中圍繞中屯、軸等距分布在所述的底座（3)上；所述的電磁線圈（1)的 姿態(tài)能夠隨著人機(jī)交互應(yīng)用案例的需要而調(diào)整，所述的電磁線圈（1)的位置能夠隨著不同 的人機(jī)交互應(yīng)用需要而動態(tài)改變；所述的操作桿由磁鐵巧）W及手柄（4)構(gòu)成，用于在電 磁線圈產(chǎn)生的可操作有效磁場空間中與磁場交互；所述的裝置首先使用嵌入式控制系統(tǒng)中 PWM(Pulse Wi化h Mo化lation)控制模塊產(chǎn)生PWM控制信號，然后將PWM控制信號傳輸至H 橋模擬驅(qū)動電路，最后由H橋模擬驅(qū)動電路控制線圈中電流。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多線圈電磁式力觸覺反饋裝置，其特征在于；所述的力觸覺 反饋裝置還包括電流檢測模塊，由采樣電阻和電流檢測巧片構(gòu)成，采樣電阻與電磁線圈串 聯(lián)，由電流采樣巧片將采樣電流轉(zhuǎn)換為PWM采樣信號，ARM微控制器對PWM采樣信號的占空 比測量，然后由測量結(jié)果計算出采樣電流，同時在微控制器中使用PID(propcxrtion-integr al-derivative)算法對PWM控制信號調(diào)整W實現(xiàn)線圈中電流精確調(diào)整。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多線圈電磁式力觸覺反饋裝置，其特征在于；所述的導(dǎo)磁鐵 巧（2)采用高磁導(dǎo)率純鐵制作而成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多線圈電磁式力觸覺反饋裝置，其特征在于；所述的磁鐵巧） 為圓柱形，采用N52永磁鐵制作而成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的多線圈電磁式力觸覺反饋裝置，其特征在于：所述 的磁場產(chǎn)生線圈向中屯、軸傾斜60度。
6. -種利用權(quán)利要求1所述的多線圈電磁式力觸覺反饋裝置進(jìn)行力觸覺反饋的方法， 其特征在于，包括W下步驟： 步驟1 ;對操作空間進(jìn)行有限元劃分并根據(jù)有限元計算和仿真結(jié)果建立虛擬物體模 型； 步驟2 ;定位操作桿上磁鐵（5)在操作空間中的位置，其中操作空間6自由度位置信息 由已有的空間定位裝置獲得，將操作桿上磁鐵巧）的位置信息傳遞給虛擬物體模型，計算 出操作桿在該位置處受到的電磁力矢量=作; 步驟3 ;利用逆向工程方法計算出電磁線圈組在操作桿頂端所在位置（x，y，z)產(chǎn)生的 總磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量玄=(公、，公、.，公/)，： F = G(~pTl})B, 上述表達(dá)式中，G是一個與操作桿頂端的磁鐵巧）的磁場強(qiáng)度方，操作桿頂端的磁鐵 (5)自身磁場方向？，操作桿頂端的磁鐵（5)距離電磁線圈中屯、軸的距離矢量P相關(guān)的一個 平滑函數(shù)； 步驟4 ;由步驟3中計算出的磁感應(yīng)強(qiáng)度5計算出各電磁線圈中電流 7 =(/i，/:，其中7是n維場源的電流矢量，多個場源產(chǎn)生電磁場計算公式用矩陣方 程表示為： b = a1 在=維操作空間中的某一點上，多個場源在該處形成的電磁場符合矢量疊加原則，即 滿足：
將其中的矢量坐標(biāo)展開，得到如下線性方程組：
其中，A矩陣中的n列分別為n個場源在該點的磁感應(yīng)強(qiáng)度系數(shù)的S維分量，由Ansoft 有限元仿真和實際測量得到；根據(jù)上面的線性方程組列出方程，得出每個場源的電流； 步驟5 ;電磁線圈組中電流的生成，通過嵌入式控制系統(tǒng)中PWM控制模塊控制線圈中電 流； 步驟6 ;通過對電磁線圈組中電流的檢測與調(diào)整實現(xiàn)操作桿頂端受到的電磁力的精確 控制。

【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多線圈電磁式力觸覺反饋裝置及方法，包括底座、設(shè)置在底座上的n個電磁線圈和操作桿；電磁線圈內(nèi)部為導(dǎo)磁鐵芯、外部纏繞銅線，并與嵌入式控制系統(tǒng)的驅(qū)動線圈控制電路連接；一個電磁線圈作為磁場補(bǔ)償線圈設(shè)置在底座中心軸處，其余電磁線圈作為磁場產(chǎn)生線圈在操作空間中圍繞中心軸等距分布在底座上；線圈的姿態(tài)能夠隨著人機(jī)交互應(yīng)用案例的需要而調(diào)整，線圈的位置能夠隨著不同的人機(jī)交互應(yīng)用需要而動態(tài)改變；操作桿由磁鐵及手柄構(gòu)成，用于在線圈產(chǎn)生的可操作有效磁場空間中與磁場交互。本發(fā)明提高了線圈在操作空間中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，增大了操作桿的運(yùn)動范圍，避免了機(jī)械式的力反饋裝置中由于機(jī)械摩擦和機(jī)械耦合等帶來的問題。
【IPC分類】G06F3-01
【公開號】CN104598033
【申請?zhí)枴緾N201510060934
【發(fā)明人】袁志勇, 廖祥云, 陳二虎, 余澤江, 朱煒煜
【申請人】武漢大學(xué)
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年2月5日