一種支持增強(qiáng)力觸覺反饋的多股螺旋彈簧虛擬模型的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種支持增強(qiáng)力觸覺反饋的多股螺旋彈簧模型，所述模型在虛擬代理未碰撞到虛擬柔性體之前，僅反饋輸出相位噪聲信號(hào)；交互過程中，虛擬柔性體產(chǎn)生實(shí)時(shí)變形力觸覺仿真信息，該力觸覺仿真信息與相位噪聲信號(hào)相加，將得到的相加值作為反饋輸出信號(hào)；該多股螺旋彈簧模型中所有層上產(chǎn)生拉伸或壓縮的變形量之和，等效為柔性體表面的變形。本發(fā)明多股螺旋彈簧模型每層拉伸或壓縮變形量計(jì)算方法相同，計(jì)算簡(jiǎn)單，加快了變形計(jì)算的速度；通過調(diào)節(jié)多股螺旋彈簧的直徑、中徑、股數(shù)等就可模擬不同類型的柔性體，適用性廣；可應(yīng)用于虛擬外科手術(shù)仿真、遙控操作機(jī)器人控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域。
【專利說明】一種支持增強(qiáng)力觸覺反饋的多股螺旋彈簧虛擬模型
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)仿真【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種支持增強(qiáng)力觸覺反饋的多股螺旋彈簧虛擬模型。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)正在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，由于虛擬手術(shù)仿真可提供一個(gè)廉價(jià)、低風(fēng)險(xiǎn)的手術(shù)訓(xùn)練手段，其正受到越來越多醫(yī)學(xué)機(jī)構(gòu)的關(guān)注。應(yīng)用虛擬手術(shù)仿真，醫(yī)生可進(jìn)行術(shù)前手術(shù)規(guī)劃，選擇最優(yōu)手術(shù)方案和手術(shù)步驟，提高了醫(yī)生做手術(shù)的精確性又可盡量減輕對(duì)傷者的手術(shù)創(chuàng)傷，如何利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)虛擬手術(shù)進(jìn)行仿真是一個(gè)極具研究?jī)r(jià)值的課題。虛擬手術(shù)仿真的關(guān)鍵又在于如何建立一個(gè)合理有效的基于物理意義的力觸覺形變模型，它直接決定了手術(shù)仿真系統(tǒng)中力觸覺反饋的精度、速度和仿真效果。
[0003]常用的基于物理意義的柔性體變形仿真力觸覺建模方法主要有如下幾種:①長(zhǎng)單元模型是一種新出現(xiàn)的基于物理方法的形變模型。該方法把整個(gè)變形體離散成許多長(zhǎng)單元，每個(gè)單元的數(shù)量與邊長(zhǎng)的平方成正比，而在標(biāo)準(zhǔn)的基于四面體或六面體的離散方法中數(shù)量與邊長(zhǎng)的立方成比例，因此其網(wǎng)格數(shù)量比四面體或立方體少一個(gè)數(shù)量級(jí)，該模型可求出全局彈性形變的靜態(tài)解，得到更為真實(shí)理想的形變效果。該模型較為簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快，但計(jì)算精度低，魯棒性差。②3D ChainMail模型:每個(gè)體積單元與其最近鄰的六個(gè)單元相連，當(dāng)結(jié)構(gòu)中的某個(gè)結(jié)點(diǎn)被推拉時(shí)，單元之間的鏈接會(huì)通過填充結(jié)構(gòu)間的空隙來吸收這種運(yùn)動(dòng)，通過改變鏈接長(zhǎng)度的約束就可對(duì)不同的剛體和柔性體進(jìn)行建模。該模型計(jì)算速度較快，實(shí)時(shí)性較好，但計(jì)算精度低，魯棒性差。③Shape-Retaining Chain Linked模型是Kim等在3DChainMail模型的基礎(chǔ)上提出的，它的基本思想與3D ChainMail模型相類似。模型中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)假定為一個(gè)鏈元素，每個(gè)節(jié)點(diǎn)和它相鄰的節(jié)點(diǎn)之間的初始狀態(tài)定義為初始距離。最大、最小距離分別定義為一個(gè)節(jié)點(diǎn)被拉伸或壓縮時(shí)離開初始位置的最遠(yuǎn)距離，該模型已能實(shí)時(shí)逼真模擬人體的肝臟手術(shù)及賽車游戲，滿足精細(xì)作業(yè)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的要求；該模型較為簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性較好，但計(jì)算精度低，魯棒性差。
[0004]最新的大量實(shí)驗(yàn)表明:相位噪聲大小對(duì)柔性體變形仿真有一定影響,如果相位噪聲較差，會(huì)增加通信中的誤碼率，影響傳感器跟蹤準(zhǔn)確度和通信接收機(jī)信道內(nèi)、外性能的測(cè)量。
[0005]根據(jù)這一原理，為了提高手術(shù)仿真系統(tǒng)中，力觸覺交互的穩(wěn)定性和感知真實(shí)性，本文在多股螺旋彈簧虛擬模型的基礎(chǔ)上，加入相位噪聲信號(hào)，提出了一種基于相位噪聲的增強(qiáng)力觸覺模型的建模方法。
[0006]鑒于上述問題，為了使虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)力觸覺交互過程更加符合人們自身的習(xí)慣，提高交互的沉浸感和真實(shí)感，提出了一種用于柔性體變形仿真的力觸覺建模方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，一種支持增強(qiáng)力觸覺反饋的多股螺旋彈簧虛擬模型。本發(fā)明模型為了提高手術(shù)仿真過程中，力觸覺交互的穩(wěn)定性和感知真實(shí)性，在支持增強(qiáng)力觸覺反饋的多股螺旋彈簧虛擬模型的基礎(chǔ)上，加入相位噪聲信號(hào)。
[0008]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0009]一種支持增強(qiáng)力觸覺反饋的多股螺旋彈簧虛擬模型，包括如下步驟:
[0010]步驟I，對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行初始化；
[0011]步驟2，在檢測(cè)到虛擬代理碰撞到虛擬柔性體之前，即在靠近虛擬柔性體的過程中，反饋輸出一種相位噪聲信號(hào)L’ _(fm)，其計(jì)算公式為:
[0012]
【權(quán)利要求】
1.一種支持增強(qiáng)力觸覺反饋的多股螺旋彈簧虛擬模型，其特征在于，包括如下步驟: 步驟I，對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行初始化； 步驟2，在檢測(cè)到虛擬代理碰撞到虛擬柔性體之前，即在靠近虛擬柔性體的過程中，反饋輸出一種相位噪聲信號(hào)L’ _(fm)，其計(jì)算公式為:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種支持力觸覺反饋的多股螺旋彈簧虛擬模型，其特征在于，所述前M層多股螺旋彈簧產(chǎn)生拉伸或壓縮變形總計(jì)需要的時(shí)延時(shí)間不大于1ms。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種支持力觸覺反饋的多股螺旋彈簧虛擬模型，其特征在于，所有多股螺旋彈簧層數(shù)中，每層產(chǎn)生拉伸或壓縮變形需要的時(shí)延時(shí)間構(gòu)成等比數(shù)列，即滿足: ti=qi-1t 其中，\表示第i層多股螺旋彈簧產(chǎn)生拉伸或壓縮變形需要的時(shí)延時(shí)間，q為等比數(shù)列的公比，h為第I層多股螺旋彈簧產(chǎn)生拉伸或壓縮變形需要的時(shí)延時(shí)間，I ^ I^M0
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種支持力觸覺反饋的多股螺旋彈簧虛擬模型，其特征在于，所述多股螺旋彈簧，在多股螺旋彈簧上任一層變形達(dá)到給定的撓度值Xa后，其下一層開始產(chǎn)生拉伸或壓縮變形。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103699753SQ201310751185
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】張小瑞, 朱建棟, 孫偉, 宋愛國(guó), 趙沁平, 牛建偉, 楊松, 朱哲夫 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)