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

背景技術：

1、隨著信息時代的到來，人機交互也呈現多樣化發(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，在人機交互領域，有著無可替代的作用。力觸覺再現技術是指計算機通過觸覺設備響應用戶的力輸入，并通過觸覺設備將信息傳遞給用戶的人機交互過程。目前，被廣泛使用的力觸覺再現技術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，對操作者造成負擔等缺點。而在非接觸式中，力觸覺再現技術具有延時低、反饋自然等優(yōu)點被廣泛使用。目前，主流非接觸式力觸覺再現技術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)、強光影響等問題，使得視覺傳感器無法有效跟蹤人手，進一步導致力觸覺再現算法受到影響。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、計算精度高、系統(tǒng)結構緊湊等優(yōu)勢，在人機交互、醫(yī)療康復等領域發(fā)揮著不可替代的作用。

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

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

4、song等提出了一種勵磁電流相位不同的二軸激勵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二軸激勵線圈，從而將激勵源等效成一個旋轉的磁偶極子，然后利用來自三軸感應線圈的感應信號的振幅和相位信息，推導三軸感應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)硬件結構較為復雜。yang等設計了一種感應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個不同發(fā)射頻率、不同方位角度的激勵線圈。他們系統(tǒng)中接收模塊通過濾波識別感應電壓對應的激勵線圈，實現了微型感應線圈的五維跟蹤(平均位置和角度誤差分別小于2.3mm和0.2°),但當功率放大器過熱時，會導致信號波動對檢測結果有一定的影響。

技術實現思路

1、針對上述技術問題，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和電磁位姿檢測方法，實現在力觸覺應用中面向自然的、結構緊湊的、高精度的、實時性較強的電磁位姿檢測。

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

3、所述一維層疊式線圈模塊由多個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相同，各自獨立控制，用于提供電磁位姿檢測模式和力觸覺再現模式所需的背景磁場；

4、所述位置檢測激勵信號模塊用于為所述一維層疊式線圈模塊的每個線圈提供多個穩(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線圈子模塊與用于力觸覺再現功能的電磁鐵子模塊，所述的指尖三維感應線圈模塊具有3個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動模塊用于驅動一維層疊式線圈模塊；

7、所述指尖電磁鐵驅動模塊用于驅動指尖電磁鐵模塊，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，計算出指尖電磁鐵模塊在一維層疊式線圈內部的電磁位姿，在力觸覺再現模式下，控制一維層疊式線圈驅動模塊與指尖電磁鐵驅動模塊輸出激勵電流，在指尖電磁鐵模塊上產生所需電磁力，實現磁力式單點或多點力觸覺再現。

9、進一步的，在所述的一維層疊式線圈模塊內部設有系統(tǒng)操作空間，在所述系統(tǒng)操作空間里通過可調控的背景電磁場和指尖電磁鐵模塊實現力觸覺再現；所述指尖電磁鐵模塊包括指尖三維感應線圈模塊和電磁鐵模塊；

10、所述方法的實現過程，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部系統(tǒng)操作空間與虛擬操作空間的映射關系，以及真實人手與虛擬人手的三維映射關系；

12、步驟二，背景電磁場仿真離散數據計算；根據精度要求，通過有限元分析方法使用三維網格單元對一維層疊式線圈模塊內部系統(tǒng)操作空間進行網格劃分，形成三維空間的離散網格節(jié)點，分析所述一維層疊式線圈模塊內部的磁場強度，所述指尖電磁鐵模塊在離散網格節(jié)點處所產生的感應電壓與一維層疊式線圈模塊中的激勵電流的對應關系，形成以多維矩陣表示的包括指尖電磁鐵模塊所產生的感應電壓、一維層疊式線圈模塊激勵電流的仿真離散數據；

13、步驟三，建立一維層疊式線圈內系統(tǒng)操作空間的三維坐標系a；

14、步驟四，位置檢測：位置檢測激勵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信號，基于電磁感應原理，獲取一維層疊式線圈內系統(tǒng)操作空間產生的磁場與指尖電磁鐵模塊感應電壓的關系，通過信號處理模塊解調各磁場分量，得到指尖電磁鐵模塊的實時電磁位姿；

15、步驟五，基于指尖與虛擬物體交互的力觸覺模型，信號處理模塊計算與輸出實時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動模塊和指尖電磁鐵驅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模式下所需力觸覺激勵信號；磁力式激勵信號與電磁位姿檢測激勵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、重復至步驟四。

17、進一步的，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時電磁位姿，所述虛擬物體位于一維層疊式線圈模塊內部，建立虛擬指尖與真實人手指尖的三維映射關系，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)化力觸覺再現的參數，使用戶感知三維方向的真實力反饋。

19、進一步的，所述一維層疊式線圈通過調控n個同軸的一維線圈單元emi，i＝1,2…n，實現電磁位姿檢測和力觸覺再現功能所需的背景磁場，所述的建立內系統(tǒng)操作空間的三維坐標系a具體包括：

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

21、以指尖電磁鐵模塊的中心點作為局部坐標系bn的原點，以坐標系a的坐標軸方向為三維坐標系bn的坐標軸方向，指尖電磁鐵模塊的旋轉角(θ,γ,ψ)分別為繞坐標系bn的x、y、z軸旋轉的角度。

22、進一步的，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，位置檢測激勵信號模塊以正弦波驅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為奇數時，頻率為f1，i為偶數時，頻率為f2，其中，流經每個線圈的激勵電流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，

26、分別表示在x,y,z方向的分量關系式；

27、步驟4.2，讀取指尖電磁鐵模塊3個方向上的感應電壓，通過信號處理模塊解調與計算指尖電磁鐵模塊的電磁位姿，并記錄當前的測量結果；

28、步驟4.3，對于感應電壓的理論計算值與實際測量值，建立代價函數：

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個方向的真實感應電壓，vx′，vy′，vz′為指尖電磁鐵模塊3個方向的理論計算值。

31、本發(fā)明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：

32、1.操作空間內產生背景磁場的一維線圈模塊采用層疊式結構，且模塊中每個線圈單獨工作，通過調控每個線圈流入的激勵信號來實現力觸覺再現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，通過解調指尖電磁鐵模塊不同頻率的感應電壓，實現指尖電磁鐵模塊的電磁位姿檢測，在力觸覺再現模式下，結合控制指尖電磁鐵模塊的激勵電流，實現一維層疊式線圈模塊內系統(tǒng)操作空間的逼真的、實時的、高精度的、力觸覺再現。

33、2.以該電磁位姿檢測方法設計的力觸覺再現系統(tǒng)設備實現更精細的、多點的力觸覺感知，增強用戶的真實感和沉浸感。

34、3.功能復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交互系統(tǒng)更加緊湊，降低了整體成本，擴大了操作空間。