一種支持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)明提出了一種支持力觸覺反饋的多股螺旋彈簧模型，所述多股螺旋彈簧模型由多個多股螺旋彈簧依次旋轉(zhuǎn)串接組成，在交互過程中，輸出回饋為采用多股螺旋彈簧模型計算出來的，反應(yīng)在給定虛擬外力作用下，柔性體實時變形仿真的力觸覺信息的信號，該多股螺旋彈簧模型中所有層上產(chǎn)生拉伸或壓縮變形量之和，對外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算方法相同，計算簡單，加快了變形計算的速度；通過調(diào)節(jié)多股螺旋彈簧的直徑、中徑、股數(shù)，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、遙控操作機器人控制、遠程醫(yī)療領(lǐng)域。
【專利說明】一種支持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)明屬于計算機仿真【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種支持力觸覺反饋的多股螺旋彈簧虛擬模型。
【背景技術(shù)】
[0002]在虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)中，柔性體形變模型主要用于描述人體器官柔性體和手術(shù)器械之間的交互過程，它直接決定了手術(shù)仿真系統(tǒng)中力觸覺的精度、速度和仿真效果。目前，解決柔性體形變模型的力觸覺逼真度和計算實時性之間的矛盾是虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)當(dāng)前重要的研究課題。
[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自由式形變模型核心思想在于變形操作不直接作用于物體，而是作用于物體所嵌入的變形空間，嵌入對象隨著變形空間被擠壓、彎曲或扭曲成任意形狀而發(fā)生相應(yīng)的變形，該模型較為簡單，計算速度快，但計算精度低，魯棒性差。②3DChainMail模型:每個體積單元與其最近鄰的六個單元相連，當(dāng)結(jié)構(gòu)中的某個結(jié)點被推拉時，單元之間的鏈接會通過填充結(jié)構(gòu)間的空隙來吸收這種運動，通過改變鏈接長度的約束就可對不同的剛體和柔性體進行建模。該模型計算速度較快，實時性較好，但計算精度低，魯棒性差。③有限元模型基本思想是把整個物體所在的連續(xù)空間離散化為一個個小單元，每個小單元都有一些節(jié)點，然后把動力學(xué)方程離散到每個小單元，求出這些節(jié)點的位移，再運用預(yù)先選定的插值函數(shù)來計算單元內(nèi)每一點的位移；該模型計算精度高，魯棒性好，但較為復(fù)雜，計算速度慢。
[0004]鑒于上述問題，為了使虛擬現(xiàn)實人機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感，需要建立一種支持力觸覺反饋的虛擬模型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]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，一種支持力觸覺反饋的多股螺旋彈簧虛擬模型。
[0006]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:一種支持力觸覺反饋的多股螺旋彈簧虛擬模型，包括如下步驟:
[0007]步驟1，按層設(shè)置多股螺旋彈簧虛擬模型；
[0008]在給定虛擬外力F作用下，在柔性體表面任意點O處，分層水平設(shè)置相同的多股螺旋彈簧；點O在多股螺旋彈簧中心線上，且多股螺旋彈簧中心線與水平方向垂直；
[0009]其中，第i層多股螺旋彈簧的直徑為d、中徑為D、股數(shù)為g ;該第i層多股螺旋彈簧分為上下兩段，上段水平設(shè)置，下段與上段夾角為α ;1=1，2，3，4，一，3，3為自然數(shù)；
[0010]步驟2，多股螺旋彈簧特性設(shè)定；
[0011]給定虛擬外力F的作用線和多股螺旋彈簧中心線一致，且在虛擬外力F作用下，如果柔性體中共有前M層的多股螺旋彈簧產(chǎn)生變形，則第M層稱為變形截止層；其中，MS S，也就是多股螺旋彈簧的層數(shù)至少等于M ；[0012]根據(jù)多股螺旋特性，設(shè)定:
[0013]在給定虛擬外力F作用下，第一層多股螺旋彈簧被拉伸或壓縮時產(chǎn)生的變形量為X1，若X1達到第一層多股螺旋彈簧給定的撓度值Xa，這種情況下，假定前M-1層多股螺旋彈簧的變形量，均與第一層多股螺旋彈簧給定的撓度值相同，則變形截止層第M層多股螺旋彈簧的變形量，不大于第一層多股螺旋彈簧給定的撓度值；
[0014]步驟3，計算任意一層多股螺旋彈簧的彈簧剛度P，其計算公式為；
[0015]
【權(quán)利要求】
1.一種支持力觸覺反饋的多股螺旋彈簧虛擬模型，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1，按層設(shè)置多股螺旋彈簧虛擬模型； 在給定虛擬外力F作用下，在柔性體表面任意點O處，分層水平設(shè)置相同的多股螺旋彈簧；點O在多股螺旋彈簧中心線上，且多股螺旋彈簧中心線與水平方向垂直； 其中，第i層多股螺旋彈簧的直徑為d、中徑為D、股數(shù)為g ;該第i層多股螺旋彈簧分為上下兩段，上段水平設(shè)置，下段與上段夾角為α ;1=1，2，3，4，一，3，3為自然數(shù)； 步驟2，多股螺旋彈簧特性設(shè)定； 給定虛擬外力F的作用線和多股螺旋彈簧中心線一致，且在虛擬外力F作用下，如果柔性體中共有前M層的多股螺旋彈簧產(chǎn)生變形，則第M層稱為變形截止層；其中，MS S，也就是多股螺旋彈簧的層數(shù)至少等于M ； 根據(jù)多股螺旋特性，設(shè)定: 在給定虛擬外力F作用下，第一層多股螺旋彈簧被拉伸或壓縮時產(chǎn)生的變形量為X1,若X1達到第一層多股螺旋彈簧給定的撓度值Xa，這種情況下，假定前M-1層多股螺旋彈簧的變形量，均與第一層多股螺旋彈簧給定的撓度值相同，則變形截止層第M層多股螺旋彈簧的變形量，不大于第一層多股螺旋彈簧給定的撓度值； 步驟3，計算任意一層多股螺旋彈簧的彈簧剛度P，其計算公式為；
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需要的時延時間不大于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延時間構(gòu)成等比數(shù)列，即滿足: Vq1I1 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延時間，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延時間，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】G06F9/455GK103714215SQ201310751418
【公開日】2014年4月9日 申請日期: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, 楊松, 孫偉, 宋愛國, 趙沁平, 牛建偉, 朱建棟, 沈舒豪 申請人:南京信息工程大學(xué)