(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210784030.0 (22)申请日 2022.06.28 (71)申请人 南京航空航天大 学 地址 211106 江苏省南京市江宁区将军大 道29号 (72)发明人 陆熊　易家文　吴常铖　 (74)专利代理 机构 江苏圣典律师事务所 32 237 专利代理师 徐晓鹭 (51)Int.Cl. G06F 3/01(2006.01) G06F 30/23(2020.01) G06T 7/70(2017.01) G06F 111/18(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于三维正交背景电磁铁的非接触式力触 觉再现系统及方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于三维正交背景电磁 铁的非接触式力触觉再现系统及方法， 通过穿戴 在指尖的三轴指尖电磁铁实现在三维正交背景 电磁铁内部真实操作空间里的力触觉再现， 其中 指尖电磁铁由子模块组成， 背景电磁铁由子模块 组成； 仿真获得背景电磁铁对指 尖电磁铁的受力 情况影响， 获得整个三维操作空间中背景电磁铁 激励电流对指 尖电磁铁的受力映射关系； 由光学 方法得到 人手指的三维位置坐标和旋转角度， 并 送入力触觉交互模型中计算得到目标三维反馈 力， 基于离线仿真数据和给定的人手指三维位置 坐标、 旋转角度和目标三维反馈力， 最终确定背 景电磁铁和指尖电磁 铁的激励电流。 权利要求书4页 说明书9页 附图1页 CN 115237252 A 2022.10.25 CN 115237252 A 1.基于三维正交背景电磁铁的非接触式力触觉再现方法， 其特 征在于， 所述方法包 含： 步骤一， 建立包括虚拟手和虚拟物体模型的虚拟场景， 并建立背景电磁铁模块内部真 实操作空间与虚拟场景的空间映射关系， 以及人手与虚拟手的三维位置映射关系； 步骤二， 使用有限元方法， 获得其中一个背景电磁铁子模块的背景磁场分布， 并仿真得 到指尖电磁铁模块的三维位置坐标、 旋转角度、 驱动电流和该背景电磁铁子模块驱动电流 对于指尖电磁铁模块各个 磁矩分量的作用力的映射关系， 获取其离线仿真数据； 将所得离线仿真数据推广到其他背景电磁铁子模块， 从而得到所有背景电磁铁子模块 和指尖电磁铁模块的离线仿真数据； 步骤三， 获取手指位置 图像， 得到人手指佩戴的指尖电磁铁的实时三维位置信息和旋 转角度信息， 确定手指数目， 并确定是 单点触觉再现还是多点触觉再现； 步骤四， 中央控制模块基于人手指与虚拟物体再虚拟场景的力触觉交互模型， 计算当 前时刻指尖电磁铁模块目标三维反馈力； 步骤五， 根据离线仿真数据和给定的指尖电磁铁模块三维位置坐标、 旋转角度和目标 三维反馈力， 采用磁场叠加原理作用力生成控制方法， 以得到指尖电磁铁模块和背景电磁 铁模块的驱动电流。 2.根据权利要求1所述的基于三维正交背景电磁铁的非接触式力触觉再现方法， 其特 征在于， 所述步骤一中， 以所述背景电磁场模块几何中心作为原 点， 以头尾相接的两个背 景 电磁铁子模块的中轴线为X轴， 选取任意一个其他方向的背景电磁铁子模块的中轴线为Y 轴， 根据右手法则确定Z轴， 建立空间坐标系； 所述背景电磁铁子模块是1个由多层均匀密绕圆形线圈密绕而成的空心圆柱线圈， 6个 背景电磁铁子模块EMx1,EMx2， EMy1,EMy2， EMz1,EMz2作为独立单元， 各自独立控制， 分别对 应6个驱动电流 Ix1、 Ix2、 Iy1、 Iy2、 Iz1、 Iz2； 所述指尖电磁铁模块采用3个指尖电磁铁子模块对称放置于3个正交方向上的球形结 构， 编号为i的指尖电磁铁模块的x,y,z方向上的指尖电磁铁子模块分别被命名为EMFTix， EMFTiy， EMFTiz， 分别对应3个驱动电流IFTix、 IFTiy、 IFTiz， 子模块最大安全电流为IFTmax； 所述指 尖电磁铁 子模块包 含两个位于同一方向的圆形线圈串联而成， 在空间上 呈重叠状。 3.根据权利要求2所述的基于三维正交背景电磁铁的非接触式力触觉再现方法， 其特 征在于， 所述 步骤二包 含： 步骤2.1， 对背景电磁铁子模块EMx1进行仿真， 使其电流在 ‑Imax到Imax之间递增， 在x轴 上取0到L+2R1， 在y轴上取 ‑R1到R1， R1为背景电磁铁的内径， L为三维背景电磁铁模块的高 度， 在z轴上 取‑R1到R1为仿真空间， R 1为背电磁铁模块的子模块的内径长度； 使用有限元方法， 获得该空间内背景磁场分布， 计算指尖电磁铁子模块EMft1x的受力 情况， 具体关系表达为： F＝f(P1x， P1y， P1z， α1， β1， γ1， Ix1， IFT1x， IFT1y， IFT1z) 其中， F表示EMft1x所受作用力， (P1x， P1y， P1z)和( α1， β1， γ1)分别表示EMft1x在空间中 的三维位置坐标和旋转角度； 步骤2.2， 将所得到的EMx1对EMft1x的离线仿真数据 推广到EMft1y和EMft1z， 从而得到 EMx1对整个指尖电磁铁 EMft1的离线仿真数据； 步骤2.3， 将所得到的EMx1对指尖电磁铁EMft1的离线仿真数据推广到其余背景电磁铁权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115237252 A 2EMx2、 EMy1…EMz2， 从而 得到整个三维背景电磁铁对EMft1的离线仿真数据将的其他所有背 景电磁铁 子模块， 从而得到整个背景电磁铁模块的离线仿真数据。 4.根据权利要求3所述的基于三维正交背景电磁铁的非接触式力触觉再现方法， 其特 征在于， 所述 步骤三包 含： 通过摄像头模块， 获取当前时刻指尖电磁铁EMFT的位姿信息P(Px， Py， Pz， α， β， γ)， 其中 Px、 Py和Pz为指尖电磁铁的三维坐标信息， α 、 β 和γ为指尖电磁铁的旋转角度信息 。 5.根据权利要求4所述的基于三维正交背景电磁铁的非接触式力触觉再现方法， 其特 征在于， 单点触觉再现控制方法具体如下： 背景电磁铁子模块EMx1和EMx2的控制 方法如下： 根据指尖电磁铁EMFT1在X轴上的坐标 Px1， 在EMx1和EMx2中选择使得指尖电磁铁与背景电磁铁中心点的距离|Px1‑PEMxi|， i＝1,2， 较小的一个施加激励电流， 当距离相等时选择EMx1施加激励电流， 将被选择的背景电磁铁 记为EMx_DR1， 其驱动电流记为Ix_DR1， 而同方向上另一个背景电磁铁则记 为EMx_DR2， 其 驱 动电流记为Ix_DR2； 记指尖电磁铁在x方向上的受力为F1x， x方向上的目标作用力记为 F1x’； 对指尖电磁铁3个子模块都施加最大安全电流IFTmax， 选择合适的EMx _DR1激励电流Ix_ DR1， 电流方向为使得其磁矩指向X轴 正方向的方向， 使得指尖电磁铁X方向上的受力F1x等 于目标作用力在X方向上的分量F1x ’； 当Ix_DR1为最大安全电流Imax时， 指尖电磁铁作用力 分量幅值|F1x|仍小于目标作用力分量幅值|F1x ’|， 则对EMx_DR2施加合适的电流Ix_DR2， 电流方向为使得其磁矩指向X轴负方向的方向， 使得指尖电磁铁满足受力要求； 当对EMx_ DR1， EMx_DR2都施加最大安全电流Imax时， 仍不能满足指尖电磁铁受力要求， 则输出此时的 F1x为饱和输出值； 用同样的方法确定背景电磁铁 EMy1、 EMy2和EMz1、 EMz2的驱动电流 Iy1、 Iy2和Iz1、 Iz2。 6.根据权利要求5所述的基于三维正交背景电磁铁的非接触式力触觉再现方法， 其特 征在于， 多点触觉再现控制方法具体如下： 通过摄像头模块获取多个指尖电磁铁EMFTi， i＝1,2…n， n为出具再现点的个数， 的位姿 信息Pi(Pxi， Pyi， Pzi， αi， βi， γi)， 其中Pxi、 Pyi和Pzi为第i个指尖电磁铁的三维坐 标信息， αi、 βi和γi为第i个指尖电磁铁的旋 转角信息， 第i个指尖电磁铁所需总的背景电磁铁驱动电流 记为Isum_DRi； 背景电磁铁EMx1和EMx2的控制方法如下： 对于每一个指尖电磁铁， 依次根据其X坐标 Pxi， 在EMx1和EMx2中选择使得指尖电磁铁与背景电磁铁中心点距离|Pxi‑PEMxi|， i＝1,2， 较 小的一个施加激励电流， 若距离相等时则选择EMx1施加激励电流， 将被选择的背景电磁铁 记为EMx_DR1， 其驱动电流记为Ix_DR1， 而同方向上另一个背景电磁铁则记 为EMx_DR2， 其 驱 动电流记为Ix_DR2； 记指尖电磁铁在x方向上的受力为Fix， x方向上的目标作用力记为 Fix’； 对指尖电磁铁3个子模块都施加最大安全电流IFTmax， 选择合适的EMx _DR1激励电流Ix_ DR1， 使得指尖电磁铁X方 向上的受力Fix等于目标作用力在X方 向上的分量Fix ’； 当Ix_DR1 为最大安全电流Imax时， 指尖电磁铁作用力分量幅值|Fix|仍小于目标作用力分量幅值| Fix’|， 则对EMx_DR2施加合适的电流Ix_DR2， 使得指 尖电磁铁满足受力要 求； 当对EMx_DR1， EMx_DR2都施加最大安全电流Imax时， 仍不能满足指尖电磁铁受力要求， 则取当前电流配置 为饱和电流输出； 依次得到每个指尖电磁铁的所需电流总和的绝对值|Isum_DR|， 并将每个指尖电磁铁权