[发明专利]基于海尔贝克阵列的多点力触觉再现方法及系统

说明书

本发明公开一种基于海尔贝克阵列的多点力触觉再现方法及系统；该方法通过激励三维背景电磁铁产生三维可控背景电磁场，调节指尖三维正交微型电磁铁的电流，对指尖电磁铁的电磁作用力进行调控；三维可控背景电磁铁由内层一维层叠式电磁铁与外层二维阵列式电磁铁组成；一维层叠式电磁铁由多个空心圆盘状层叠式线圈组成，其内部圆柱体空间即为操作空间；外层二维阵列式电磁铁由多个二维线圈单元及包裹在线圈外的磁介质材料组成，通过调节每个线圈单元的电流，形成海尔贝克电磁铁阵列，产生多种模态的、可旋转的、操作空间内部增强、外部减弱的二维非均匀电磁场。

技术领域

本发明属于人机交互中的力触觉再现技术领域，尤其涉及一种基于海尔贝克阵列的多点 力触觉再现方法及系统。

背景技术

力触觉再现作为一种新型的人机交互模式，它能提供人与外界环境之间双向的能量和信 息交互的通道，弥补了仅有视觉和听觉交互的局限性，大大增加了人机交互的真实性和沉浸 感，正受到了越来越多的关注。近年来，随着力触觉再现技术的发展，力触觉再现的应用场 景也不断扩展，在医疗培训、教育仿真、娱乐游戏等领域都有广泛的应用。

目前，力触觉再现技术已经取得了很多成果，各种不同结构的力触觉再现设备被研制出 来，部分已商品化，然而与真实的自然的力触觉交互相比仍有不足。传统的基于机械连杆或 者穿戴式的触觉再现设备往往会约束手部活动，使操作者难以真实的与环境交互，而大多数 商业化的力触觉再现设备不仅价格昂贵且只能提供单点的交互。为了克服传统的力触觉再现 设备结构复杂、限制手部活动等缺点，非接触式的力触觉再现方法被提出，主要分为基于空 气压力、基于声辐射力、基于电磁力等。

基于空气压力和基于声辐射力的方法都可以实现真正意义上的自然交互，它们具有低成 本，低功耗和受力可控的优点，但是通常只能提供粗略的力反馈，分辨率和准确性较低，且 在有遮挡的环境中表现不好。基于电磁力的力触觉再现方法，是非接触式方法中比较有潜力 的方法，它能提供精细的、多维度的、不受约束的多点力触觉再现。

袁志勇等人的“一种面向虚拟介入手术系统的电磁力反馈装置及方法”专利中(专利号 为CN 112214931 A)，通过在同一平面上的四个完全相同的电磁线圈产生背景磁场，使用由 两个长筒形永磁体和一根刚性棒状操作杆组成的手术器械，实现周向旋转力反馈。该装置需 要借助手持工具，交互方式不够自然，且只能实现单点的力反馈。

Langerak等人提出了一个基于全向球形电磁体的力触觉反馈系统Omni，全向球形电磁体 由一个铁芯与铁芯外部的三个相互正交的线圈组成，通过控制三个交织在球形电磁体且相互 正交的线圈中的电流，通过嵌入永磁体的手持工具，实现感知最大2N的径向和切向的吸 引力与排斥力。同时，该装置将八个霍尔传感器集成到全向球形电磁体的基座中，实现对永 磁体的三维位置的追踪。该系统集成度高，但是操作空间小，且需要通过手持工具实现力触 觉再现，该交互方式仍不够直观自然。

Abler等人设计了一种单驱动的球形针阵列设备Hedgehog，通过一个球形全向电磁铁， 控制86个由永磁铁制成的活动销的伸缩，实现了在最大负载下的受力为200mN。该设备限 制了手的活动，手只能在握住设备时感受力。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提出一种新的力触觉再现装置和电磁场控制方法， 可以在大的操作空间中，实现对手部约束小、交互自然的三维多点的力触觉再现。

本发明提供的基于海尔贝克阵列的多点力触觉再现方法及系统由硬件系统和控制方法组 成，硬件系统包括三维背景电磁铁模块、背景电磁铁驱动模块、指尖微型电磁铁模块、指尖 微型电磁铁驱动模块、系统中央控制模块、摄像头模块等；