(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 202210768076.3 (22)申请日 2022.06.30 (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　刘娇娇　许华方　鄢昱星　 黄晓梅　 (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 30/23(2020.01) G06F 3/01(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于组合电磁铁的三维局部励磁式力触觉 再现系统及方法 (57)摘要 本发明公开基于组合电磁铁的三维局部励 磁式力触觉再现系统及方法， 该方法通过调节三 维组合背景电磁铁及指尖微型电磁铁的激励电 流， 实现操作者指尖力触觉再现。 组合电磁铁阵 列包括内层层叠式线圈一维电磁铁和外层阵列 式线圈二维电磁铁， 内层一维电磁铁产生X方向 一维磁场， 外层二维电磁铁产生YZ方向可旋转二 维磁场。 操作者佩戴指尖电磁铁在组合电磁铁内 部操作空间中进行交互， 系统基于虚拟交互模型 及手指位置检测结果确定当前位置手指所需电 磁作用力； 根据三维局部励磁式力触觉再现方 法， 结合有限元仿真分析方法所得离散数据， 确 定内外层电磁铁和指尖电磁铁的激励方案， 用最 少的激励 线圈组合产生所需梯度磁场， 实现单个 或多个指尖的力触 觉再现。 权利要求书4页 说明书9页 附图1页 CN 115510699 A 2022.12.23 CN 115510699 A 1.基于组合电磁铁的三维局部励磁式力触觉再现系统， 其特征在于， 所述系统包括三 维背景电磁场激励模块， 三 维指尖微型电磁铁模块， 背 景电磁铁驱动模块， 指尖电磁铁驱动 模块， 中央控制模块及位置检测模块； 其中， 所述三维背景电磁场激励模块包括内层层叠 式线圈一维电磁铁、 外层阵列式线 圈二维 电磁铁， 基于所述一维电磁铁和二维电磁铁的空间结构建立坐标系， 产生X、 Y、 Z方向磁场， 所述X、 Y、 Z方向磁场用于与所述 三维指尖微型电磁铁模块进行交 互； 所述背景电磁铁驱动模块包括内层电磁铁驱动模块和外层电磁铁驱动模块， 内层电磁 铁驱动模块用于驱动内层层叠式线圈， 外层电磁铁驱动模块用于驱动外层阵列式线圈单 元， 背景电磁驱动模块由中央控制模块控制。 2.根据权利要求1所述的基于组合电磁铁的三维局部励磁式力触觉再现系统， 其特征 在于， 所述三维背景电磁场激励模块包括内层层叠式线圈一维电磁铁、 外层阵列式线圈二 维电磁铁和支撑底 座， 内外层线圈电磁铁嵌套为圆柱筒状结构， 由支撑底座支撑， 筒内为操 作空间； 以所述操作空间中心 为原点O， 轴向为系统X轴方向， 径向任意方向为Y轴方向， 根据 右手原则建立背景电磁 体坐标系， 即系统坐标系； 所述内层层叠式线圈一维电磁铁由N个圆盘状线圈EMXi层叠构成， i＝1， 2， …N， 通过控 制层叠式线圈的激励电流， 产生所需大小和方向可控的X 方向磁场； 所述外层阵列式线圈二维电磁铁包含N1 ×N2个一维线圈单元， 其中， 径向截面N1个一 维径向线圈单元， 轴向截面N2个一维径向线圈单元， 一维线圈单元EMYZjk围绕内层层叠式线 圈排列而成， j＝1， 2， …N1， k＝1， 2， …N2， 各线圈单元的磁矩方向指向所在径向截面中心 点， 从而实现在N2个径向截面区域， 通过控制对应的N 1个线圈单元的激励电流， 产生所需大 小和方向可控的YZ方向磁场。 3.根据权利要求1所述的基于组合电磁铁的三维局部励磁式力触觉再现系统， 其特征 在于， 所述三维指尖微型电磁铁模块包括三维正交电磁铁和穿戴式骨架， 所述三维正交电 磁铁由漆包铜线正交绕制而成， 穿戴 式骨架用于固定电磁铁并方便操作者 穿戴。 4.根据权利要求1所述的基于组合电磁铁的三维局部励磁式力触觉再现系统， 其特征 在于， 所述指尖微型电磁铁驱动模块包括指尖电磁铁驱动模块、 第二无线通信模块、 电源模 块， 所述驱动模块控制及驱动三维正交电磁铁， 所述第二无线通信模块用于与中央控制模 块通信， 获取相 应指尖电磁铁的控制驱动参数， 所述电源模块用于 向整个指尖电磁铁及控 制驱动装置供电。 5.根据权利要求1所述的基于组合电磁铁的三维局部励磁式力触觉再现系统， 其特征 在于， 所述中央控制模块包括 嵌入式中央控制系统、 P C机和第一无线通信模块， 所述 嵌入式 中央控制系统负责接收P C机指令， 产生背景电磁铁驱动模块所需要的PWM信号； 所述P C机用 于运行操作者手指位置检测 算法， 运行力触觉设备底层控制算法， 计算产生背景电磁铁驱 动模块和指尖微型电磁铁驱动模块所需的激励信号参数； 所述第一无线通信模块， 作为中 央控制模块的无线通信接口， 用于与第二无线通信模块 通信。 6.基于组合电磁铁的三维局部励磁式力触觉再现方法， 其特征在于， 该方包含以下步 骤： 步骤一， 虚拟工作场景和力触觉再现模型构建； 基于背景电磁体 内真实操作空间， 构建 虚拟工作场景， 包括虚拟操作空间、 虚拟物体和虚拟人手， 力触觉再现模型反应人手和虚拟权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115510699 A 2物体交互时， 人手位置与 作用力的映射关系； 步骤二， 基于磁场叠加原理的 电磁作用力仿真离散数据获取； 使用有限元仿真方法分 析指尖电磁铁所受电磁力与背景电磁铁激励电流、 多个指尖电磁铁激励电流、 指尖电磁铁 位姿信息的对应关系， 获取相应离 散数据； 步骤三， 手指位置检测； 操作空间内部摄像头模块实时检测多个指尖电磁铁EMFTi， i为 指尖电磁铁编号， 的位姿信息(Pxi， Pyi， Pzi， α， β， γ)， 并反馈给中央控制模块； 步骤四， 指尖电磁铁所需电磁力计算； 基于构建的虚拟工作场景及力触觉再现模型， 中 央控制模块根据指尖电磁铁EMFTi当前位置(Pxi， Pyi， Pzi， αi， βi， γi)， 确定指尖电磁铁与虚 拟物体交互时所需电磁作用力， 作为力触觉再现方法中的指尖电磁铁的目标电磁作用力 i为指尖电磁铁编号， 步骤五， 采用组合电磁铁 阵列三维局部励磁式力触觉再现方法控制产生背景电磁场， 实现基于指尖电磁铁的、 人手非接触式的力触觉再现； 中央控制模块根据步骤四中的指尖 电磁铁目标电磁作用 力 结合步骤二中的仿真离散数据， 通过力触觉再现方法激励背 景电磁铁和指尖电磁铁， 在指尖电磁铁产生电磁作用力， 实现力触觉再现； 重复至步骤三。 7.根据权利要求6所述的基于组合电磁铁的三维局部励磁式力触觉再现方法， 其特征 在于， 所述指尖电磁铁所受电磁作用力 其中， 为指尖电磁铁磁矩， 为梯度算子， 为指尖电磁铁EMFTi所在位置背景电磁场的磁感 应强度， 根据麦克斯韦方程， 改变背 景电磁场磁感应强度和指尖电磁铁磁矩， 实现对指尖电 磁铁EMFTi所受电磁作用力 的调控， 所述指尖电磁铁 EMFTi所受力矩 8.根据权利要求7所述的基于组合电磁铁的三维局部励磁式力触觉再现方法， 其特征 在于， 指尖电磁铁磁矩方向和背景电磁场磁感应强度梯度方向相同时， 指尖磁铁所受力矩 最小， 指尖电磁铁磁矩方向与磁感应强度方向角度差越小， 指尖电磁铁所受力矩越小。 9.根据权利要求7所述的基于组合电磁铁的三维局部励磁式力触觉再现方法， 其特征 在于， 首先设置指尖电磁铁激励电流为最大， 确定指尖电磁铁磁矩， 然后根据当前指尖电磁 铁的位置， 按照由近及远的方式依 次对内外层背景电磁铁线圈施加激励电流， 至指尖电磁 铁所受电磁力等于目标电磁力， 确定此时各线圈的激励电流。 10.根据权利要求9所述的基于组合电磁铁的三维局部励磁式力 触觉再现方法， 其特征 在于， 实现单点力触觉再现时， 确定指尖电磁铁位置(Px， Py， Pz， α， β， γ)， 设置指尖电磁铁 激励电流为最大， 确定指尖电磁铁磁矩 为实现指尖电磁铁电磁作用力X分量 系统 根据当前指尖电磁铁的X方向位置Px， 由使得|dX(x_EMXi‑Px)|)最小的线圈EMXi将内层层叠 式线圈分为两部分， 其中， x_EMXi为内层层叠式线圈EMXi的X方向位置， EMX1至EMXi‑1， EMXi+1至 EMXN； 若i≤N/2， 按照|dx(x_EMXi‑Px)|由小到大的顺序， 先选择EMXi+1至EMXN进行激励， 各线圈 电流方向为使 得其磁矩方向指向X轴正向的方向， 再选择EMX1至EMXi‑1进行激励， 各线圈电流 方向为使得其磁矩方向指向X轴负向的方向， 每增加一个线圈， 先对 该线圈施加最大激励电权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115510699 A 3