一種用於柔性體變形仿真的力觸覺建模方法
2023-09-25 19:31:15 1
專利名稱：一種用於柔性體變形仿真的力觸覺建模方法
技術領域：
本發明涉及一種力觸覺建模方法，尤其涉及一種用於虛擬實境人機互動的基於物 理意義的柔性體變形仿真力觸覺建模方法。
背景技術：
虛擬實境技術能夠使操作者直接參與和探索虛擬對象在所處環境中的作用和變 化，使其仿佛置身於一個虛擬世界中，能給用戶逼真的體驗，產生沉浸感，提高虛擬操作的 效率，同時，能為人們探索宏觀世界和微觀世界提供極大的便利，具有很好的經濟、社會效 益和誘人的發展前景。由於作業任務越來越精細，感知對象越來越複雜，將需要越來越精確 的力觸覺建模方法，因此，針對虛擬實境人機互動的基於物理意義的柔性體變形仿真力觸 覺建模方法已成為當前虛擬實境技術研究的前沿和熱點。目前，常用的基於物理意義的柔性體變形仿真力觸覺建模方法主要有如下6種 ①有限元建模方法雖然可對物體的形變進行精確和定量的模擬，但涉及大量繁雜的計算， 實時交互性能差。②彈簧_質點建模方法具有簡單易行、計算量較小、易於實現等優點，但 存在拓撲分析困難等弊端。③Suvranu等人提出的配點法建模方法，雖計算簡單，但計算精 度不高。④張量質點建模方法，易於實現切割或撕裂等操作，但穩定性差的問題依然存在。 ⑤長單元建模方法具有較高的力觸覺反饋刷新速度，求解方便，但由於建模方法抽象度較 高，因此計算精度較低。⑥邊界元建模方法雖對建模方法的邊界進行離散，簡化了計算，但 在穩定性方面卻存在一定的不足。以上說明，這些常用的柔性體變形物理建模方法均存在 計算較為繁雜和仿真精度不高等問題，繼而影響了計算的實時性和有效性。因此，建立精確 高效的虛擬柔性體變形仿真的力觸覺建模方法，已成為當前虛擬力觸覺交互系統亟待解決 的首要問題。鑑於上述問題，為了使虛擬實境人機力觸覺交互過程更加符合人們自身的習慣， 提高交互的沉浸感和真實感，提出了一種用於柔性體變形仿真的力觸覺建模方法。
發明內容
本發明提出一種基於物理意義的力觸覺建模方法，並將其用於虛擬實境人機互動 的柔性體變形仿真。該建模方法計算簡單，能準確快速的計算變形量，實現對柔性體的實時 變形仿真；且在交互過程中，操作者能實時、真實地感知到仿真過程中的力觸覺信息，提高 了虛擬力觸覺交互的逼真度。本發明採用如下技術方案—種用於柔性體變形仿真的力觸覺建模方法，其特徵在於該建模方法的主要步驟 如下步驟1對虛擬場景進行初始化；步驟2當檢測到虛擬代理碰撞到虛擬柔性體表面上任何一點時，在給定虛擬接觸 力F作用下，虛擬代理與虛擬柔性體交互的局部區域內部填充每層均為等節距圓錐形螺旋
4彈簧力觸覺虛擬模型，在交互過程中，輸出反饋為採用等節距圓錐形螺旋彈簧力觸覺虛擬 模型計算出來的反應在外力作用下柔性體實時變形仿真的力觸覺信息的信號，所述等節距 圓錐形螺旋彈簧力觸覺虛擬模型的建模方法為(1)參數初始化， (2)在給定虛擬接觸力F作用下，當虛擬代理碰撞到柔性體表面上的任意點時，在 碰撞點下懸掛第一個等節距圓錐形螺旋彈簧，形成第一層，所述第一層等節距圓錐形螺旋 彈簧的彈簧絲直徑為屯、大圈半徑為禮,2、小圈半徑為Ru、節距為、、大圈半徑側支承圈數 叫，力取值為0. 5、小圈半徑側支承圈數ni,sl取值為0. 25、有效圈數ni取值為2 ；在第一層的 等節距圓錐形螺旋彈簧下，懸掛第二個等節距圓錐形螺旋彈簧，形成第二層，所述第二層等 節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑為diq、大圈半徑為Ruq、小圈半徑為Ryq、節距為tiq、 大圈半徑側支承圈數n2, s2取值為0. 5、小圈半徑側支承圈數n2, sl取值為0. 25、有效圈數n2 取值為2 ；在第二層的等節距圓錐形螺旋彈簧下，懸掛第三個等節距圓錐形螺旋彈簧，形成 第三層，所述第三層等節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑為diq2、大圈半徑為Ruq2、小圈半 徑為禮，乂、節距為tiq2、大圈半徑側支承圈數％s2取值為0. 5、小圈半徑側支承圈數％sl取 值為0. 25、有效圈數113取值為2 ；依次類推，在第i_l層的等節距圓錐形螺旋彈簧下，懸掛 第i個等節距圓錐形螺旋彈簧，形成第i層，所述第i層等節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直 徑為屯廣1、大圈半徑為！^廣1、小圈半徑為！^廣1、節距為、廣1、大圈半徑側支承圈數ni,s2 取值為0. 5、小圈半徑側支承圈數ni,sl取值為0. 25、有效圈數ni取值為2，形成第i層，i = 1,2,3,......，N，N為自然數；假定虛擬接觸力F的作用線和螺旋彈簧中心線一致，且在虛擬接觸力F作用下，等 節距圓錐形螺旋彈簧只產生開始接觸時的線性變形，若柔性體中共有M層產生變形，則第M 層稱為變形截止層，其中前M-1層的等節距圓錐形螺旋彈簧均被壓縮到彈簧開始接觸時變 形的最大線性長度，第M層的彈簧被壓縮的長度不大於彈簧開始接觸時變形的最大線性長 度；對於第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧，因其滿足 故第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力Fi,z表示為 其中，tpd' i分別為第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧的節距、彈簧壓並時圈間中 心高度，其大小滿足 前M-1層中任意第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時的線性變形Xi,z為
(4) 其中，叫工「、!^，!^…『分別為第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧的有效圈數且取 值^ = 2、彈簧開始接觸時消耗的外力、大圈半徑、小圈半徑、彈簧絲直徑，G為切變模量，與
5柔性體的材質有關，這裡假定每層的等節距圓錐形螺旋彈簧的柔性體材質相同；
變形截止層第M層的變形為
其中，P' M為第M層的等節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧剛度，其大小滿足
其中dM、nM、Rm,2、RMa分別為變形截至層第M層的等節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲 直徑、有效圈數、大圈半徑、小圈半徑；假定第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧大、小端支承圈數、有效圈數分別為ni,s2、ni, sl、ni，且任意一層的等節距圓錐形螺旋彈簧大、小端支承圈數、有效圈數均相同，即 (3)使虛擬接觸力作用於柔性體碰撞點，第i層對應的等節距圓錐形螺旋彈簧開 始被壓縮，如果前i層的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力Fi,z之和小於給定 的虛擬接觸力F，且第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形總計需要的時延時間滿 足刷新頻率1000Hz以上的要求，設共計經過時延k後，第i層的彈簧被壓縮，相應的等節距 圓錐形螺旋彈簧產生線性變形，只有當第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧被壓縮到最大線性 變形長度後，第i+1層對應的等節距圓錐形螺旋彈簧才開始被壓縮，依此類推，直到前M層 所有的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力之和不小於給定的虛擬接觸力，或第 M層的等節距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形總計需要的時延時間不滿足刷新頻率的要求；用li、Li分別表示第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形需要的時延時間、 前i層的等節距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形需要的時延時間，且令層間的時延時間滿足 以第一層的等節距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形需要的時延時間h為首項，以q為公比的 等比數列 從虛擬代理碰撞接觸到虛擬柔性體表面算起，假定第i層的等節距圓錐形螺旋彈 簧產生線性變形總計需要的時延時間為L」且其須滿足k <L，其中 ⑴)L為力觸覺再現刷新頻率的倒數；等節距圓錐形螺旋彈簧力觸覺建模方法中每層的等節距圓錐形螺旋彈簧變形量 之和的疊加對外等效為柔性體表面的變形， 其中，Xi,z為前M-l層中任意第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧的最大線性變形，XM,Z 為變形截止層第M層的線性變形，X為前M層所有等節距圓錐形螺旋彈簧的線性變形之和。本發明的優點(1)和以往常用的基於物理意義的柔性體變形仿真力觸覺建模方法相比，該建模 方法以機械設計中等節距圓錐形螺旋彈簧力與變形之間的變換關係為理論基礎，在變形計 算過程中假定任意層的等節距圓錐形螺旋彈簧只產生開始接觸時的線性變形，從而保證了 每層的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力與開始接觸時的變形成線性關係，與 等比例層狀並聯力觸覺建模方法相比，該建模方法由於每層只包含一個等節距圓錐形螺旋 彈簧，簡化了計算，且前M-1層的任意第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧均達到相應的最大線 性變形，從而使等節距圓錐形螺旋彈簧的利用率提高，變形計算速度加快。(2)等節距圓錐形螺旋彈簧力觸覺建模方法根據不同柔性體設置不同的彈簧絲直 徑、大圈半徑、小圈半徑、節距、大圈半徑側支承圈數、小圈半徑側支承圈數、有效圈數、彈簧 剛度及切變模量，以實現不同柔性體在按壓下的變形效果。(3)等節距圓錐形螺旋彈簧力觸覺建模方法用於在虛擬代理與虛擬柔性體交互的 柔性體局部區域的按壓變形計算，交互過程中，操作者感覺自然舒適、力觸覺平穩、模擬效
果逼真。(4)可將其應用於虛擬外科手術仿真、遠程醫療、軍事、航空航天、深空探索、電子 商務、遊戲娛樂、商業等領域。
圖1是柔性體變形仿真流程圖；圖2是虛擬代理與柔性體交互過程中的增強力觸覺建模方法流程圖；圖3是增強力觸覺建模方法中，外力、變形層數與時延時間關係示意圖；圖4是等節距圓錐形螺旋彈簧力觸覺計算建模方法示意圖，(a)是原始狀態，(b) 是壓縮後的狀態(c)為該建模方法各層與虛擬柔性體表面的對應關係及各層對應邊界點 的受力等效圖。
具體實施例方式具體實施例1 一種用於柔性體變形仿真的力觸覺建模方法，其特徵在於該建模方法的主要步驟 如下步驟1對虛擬場景進行初始化；步驟2當檢測到虛擬代理碰撞到虛擬柔性體表面上任何一點時，在給定虛擬接觸 力F作用下，虛擬代理與虛擬柔性體交互的局部區域內部填充每層均為等節距圓錐形螺旋 彈簧力觸覺虛擬模型，在交互過程中，輸出反饋為採用等節距圓錐形螺旋彈簧力觸覺虛擬 模型計算出來的反應在外力作用下柔性體實時變形仿真的力觸覺信息的信號，所述等節距 圓錐形螺旋彈簧力觸覺虛擬模型的建模方法為
(1)參數初始化，(2)在給定虛擬接觸力F作用下，當虛擬代理碰撞到柔性體表面上的任意點時，在 碰撞點下懸掛第一個等節距圓錐形螺旋彈簧，形成第一層，所述第一層等節距圓錐形螺旋 彈簧的彈簧絲直徑為屯、大圈半徑為禮,2、小圈半徑為Ru、節距為、、大圈半徑側支承圈數 叫，力取值為0. 5、小圈半徑側支承圈數ni,sl取值為0. 25、有效圈數ni取值為2 ；在第一層的 等節距圓錐形螺旋彈簧下，懸掛第二個等節距圓錐形螺旋彈簧，形成第二層，所述第二層等 節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑為diq、大圈半徑為Ruq、小圈半徑為Ryq、節距為tiq、 大圈半徑側支承圈數n2, s2取值為0. 5、小圈半徑側支承圈數n2, sl取值為0. 25、有效圈數n2 取值為2 ；在第二層的等節距圓錐形螺旋彈簧下，懸掛第三個等節距圓錐形螺旋彈簧，形成 第三層，所述第三層等節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑為diq2、大圈半徑為Ruq2、小圈半 徑為禮，乂、節距為tiq2、大圈半徑側支承圈數％s2取值為0. 5、小圈半徑側支承圈數％sl取 值為0. 25、有效圈數113取值為2 ；依次類推，在第i_l層的等節距圓錐形螺旋彈簧下，懸掛 第i個等節距圓錐形螺旋彈簧，形成第i層，所述第i層等節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直 徑為屯廣1、大圈半徑為！^廣1、小圈半徑為！^廣1、節距為、廣1、大圈半徑側支承圈數ni,s2 取值為0. 5、小圈半徑側支承圈數ni,sl取值為0. 25、有效圈數ni取值為2，形成第i層，i = 1,2,3,......，N，N為自然數；假定虛擬接觸力F的作用線和螺旋彈簧中心線一致，且在虛擬接觸力F作用下，等 節距圓錐形螺旋彈簧只產生開始接觸時的線性變形，若柔性體中共有M層產生變形，則第M 層稱為變形截止層，其中前M-1層的等節距圓錐形螺旋彈簧均被壓縮到彈簧開始接觸時變 形的最大線性長度，第M層的彈簧被壓縮的長度不大於彈簧開始接觸時變形的最大線性長 度；對於第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧，因其滿足 故第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力Fi,z表示為 其中，tpd' i分別為第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧的節距、彈簧壓並時圈間中 心高度，其大小滿足前M-1層中任意第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時的線性變形Xi,z為其中，叫工「、!^，!^…『分別為第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧的有效圈數且取 值^ = 2、彈簧開始接觸時消耗的外力、大圈半徑、小圈半徑、彈簧絲直徑，G為切變模量，與 柔性體的材質有關，這裡假定每層的等節距圓錐形螺旋彈簧的柔性體材質相同；變形截止層第M層的變形為 (5)其中，P' M為第M層的等節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧剛度，其大小滿足
(6)其中dM、nM、Rm,2、RMa分別為變形截至層第M層的等節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲 直徑、有效圈數、大圈半徑、小圈半徑；假定第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧大、小端支承圈數、有效圈數分別為ni,s2、ni, sl、ni，且任意一層的等節距圓錐形螺旋彈簧大、小端支承圈數、有效圈數均相同，即n,sl = nlsl = == ntsl=j(7)\xl = n2sl = n3sl =... = nisl = ^(8)n! = n2 = n3 =…=叫=2(9)(3)使虛擬接觸力作用於柔性體碰撞點，第i層對應的等節距圓錐形螺旋彈簧開 始被壓縮，如果前i層的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力Fi,z之和小於給定 的虛擬接觸力F，且第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形總計需要的時延時間滿 足刷新頻率1000Hz以上的要求，設共計經過時延Li後，第i層的彈簧被壓縮，相應的等節 距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形，只有當第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧被壓縮到最大線 性變形長度後，第i+1層對應的等節距圓錐形螺旋彈簧才開始被壓縮，依此類推，直到前M 層所有的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力之和不小於給定的虛擬接觸力，或 第M層的等節距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形總計需要的時延時間不滿足刷新頻率的要 求；用li、Li分別表示第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形需要的時延時間、 前i層的等節距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形需要的時延時間，且令層間的時延時間滿足 以第一層的等節距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形需要的時延時間h為首項，以q為公比的 等比數列= q^1^(10)從虛擬代理碰撞接觸到虛擬柔性體表面算起，假定第i層的等節距圓錐形螺旋彈 簧產生線性變形總計需要的時延時間為L」且其須滿足Li <L，其中 L為力觸覺再現刷新頻率的倒數；等節距圓錐形螺旋彈簧力觸覺建模方法中每層的等節距圓錐形螺旋彈簧變形量 之和的疊加對外等效為柔性體表面的變形， 其中，X「為前M-1層中任意第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧的最大線性變形，XM,Z 為變形截止層第M層的線性變形，X為前M層所有等節距圓錐形螺旋彈簧的線性變形之和。具體實施例2 1、構建虛擬膽囊模型和虛擬醫用彎鉗模型，實現虛擬場景的初始化。本實例中所有虛擬膽囊和虛擬醫用彎鉗模型都直接採用從3DS MAX 9. 0軟體中導 出0BJ的格式，以1057個質點，2110個三角網格構成的虛擬膽囊和461個質點，921個三 角網格構成的虛擬醫用彎鉗為例來進行變形仿真，模型獲取和修改非常方便；運行平臺為 Windows 2000,以3DS MAX 9. 0、OpenGL圖形庫為基礎，在VC++6. 0軟體開發平臺上進行了 仿真。2、當檢測到虛擬醫用彎鉗碰撞到虛擬膽囊表面上任何一點時，在給定虛擬接觸力 F = 2. 4N作用下，虛擬醫用彎鉗與虛擬膽囊交互的局部區域內部填充每層均為等節距圓錐 形螺旋彈簧力觸覺虛擬模型，在交互過程中，輸出反饋為採用等節距圓錐形螺旋彈簧力觸 覺虛擬模型計算出來的反應在外力作用下虛擬膽囊實時變形仿真的力觸覺信息的信號。假定第一層等節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑、大圈半徑、小圈半徑、節距分別 為噸=1mm、R1j2 = 5mm、Ria = 4mm、、= 2mm第i層等節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直 徑、大圈半徑、小圈半徑、節距，它們均組成以第一層等節距圓錐形螺旋彈簧的對應量為首 項，以q = 1. 2為公比的等比數列；有效圈數叫=2 ；任一層的等節距圓錐形螺旋彈簧的材 質均相同，即取G = 4X109Pa ；計算的最後數據按四捨五入法保留小數點後3位。若在給定虛擬接觸力F作用下，第一層的等節距圓錐形螺旋彈簧只產生開始接觸 時的線性變形，對於第一層的等節距圓錐形螺旋彈簧，因其滿足Rlj2-Ria = 1mm < rii = 2mm(1)其中，第一層的等節距圓錐形螺旋彈簧壓並時圈間中心高度為 故第一層的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力Fu為 第一層的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力& z = 0. 567N <F = 2. 4N ；第一層的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時的線性變形Xu為
10 假定第一層的等節距圓錐形螺旋彈簧變形需要的時間為「 =10_5s ；
假定力觸覺再現刷新頻率為1200Hz，則力觸覺再現刷新頻率的倒數i = ； 第一層等節距圓錐形螺旋彈簧變形需要的時間A=因此，第一層的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力Fu = 0.567N <F = 2. 4N，且第一層的等節距圓錐形螺旋彈簧變形總計需要的時延時間滿足刷新頻率 1000Hz以上的要求。故在給定虛擬接觸力F作用下，第二層的等節距圓錐形螺旋彈簧有可能也只產生 開始接觸時的線性變形，第二層等節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑、大圈半徑、小圈半 徑、節距，因它們均組成以第一層等節距圓錐形螺旋彈簧的對應量為首項，以q = 1. 2為公 比的等比數列，故 d2 = di q = 1. 2mm、R2,2 = R1j2 q = 6mm,R2jl = Ria q = 4. 8mm、t2 =
q = 2. 4mm ；有效圈數 n2 =叫=2 ；對於第二層的等節距圓錐形螺旋彈簧，因其滿足
其中，第二層的等節距圓錐形螺旋彈簧壓並時圈間中心高度為 故第二層的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力F2,z為 第一、二層的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力之和為fu+hj = 0. 567+0. 816 = 1. 383N < F = 2. 4N第二層的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時的線性變形X2,z為 因層間的時延時間滿足以第一層的彈簧產生線性變形需要的時間「為首項，以q 為公比的等比數列，故前二層的等節距圓錐形螺旋彈簧需要變形的時間！^二「+「二 (1+q)
= 2. 2X 10_5s < L，這裡L為力觸覺再現刷新頻率的倒數，因此，前兩層的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力之和小於給定的 虛擬接觸力，且前兩層的等節距圓錐形螺旋彈簧變形總計需要的時延時間滿足刷新頻率 1000Hz以上的要求。故在給定虛擬接觸力F作用下，第三層的等節距圓錐形螺旋彈簧有可能也只產生 開始接觸時的線性變形，第三層等節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑、大圈半徑、小圈半 徑、節距，因它們均組成以第一層等節距圓錐形螺旋彈簧的對應量為首項，以q = 1. 2為公 比的等比數列，故 d3 =屯.q2 = 1. 44mm、R3,2 = R1j2 q2 = 7. 2mm,R3jl = Ria q2 = 5. 76mm、 t3 = q2 = 2. 88讓；有效圈數 n3 = n2 =叫=2 ；對於第三層的等節距圓錐形螺旋彈簧，因其滿足R3j2-R3j1 = 1. 44mm F = 2. 4N由於前三層的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力之和不小於給定的 虛擬接觸力，則第三層為變形截止層，不需要再判斷是否滿足刷新頻率的要求，此時前二層 的等節距圓錐形螺旋彈簧產生開始接觸時的線性變形，第三層的等節距圓錐形螺旋彈簧對 應的彈簧剛度為P' 3，其大小為 則第三層的等節距圓錐形螺旋彈簧對應的變形量為 故在給定虛擬接觸力F = 2. 4N作用下，等節距圓錐形螺旋彈簧力觸覺建模方法中 前三層等節距圓錐形螺旋彈簧變形量之和的疊加對外等效為虛擬膽囊表面的變形，總變形 量為X = X1,Z+X1,Z+X3,Z= 1. 674+2. 009+2. 084(14)= 5. 767mm注意在採用等節距圓錐形螺旋彈簧力觸覺建模方法來計算在外力作用下柔性體 實時變形仿真的過程中，若屯、禮,2、Ru、、、G這些參數選取的過大，則等節距圓錐形螺旋彈 簧力觸覺建模方法中變形的層數就少，計算量小，實時性好，但變形仿真效果不佳；如果屯、 Ru、Ria,、、G這些參數選取的過小，則等節距圓錐形螺旋彈簧力觸覺建模方法中變形的層 數就越多，計算量大，實時性不佳，但變形仿真效果較好；另外在設置^和^之間的比例關 系時，要考慮到程序運行時計算機本身的硬體配置，故在調試整個程序的過程中，要折中選 擇這些參數，不斷反覆調試，從而使變形效果更加逼真。為驗證本發明的實施效果，操作者通過PHANTOM OMNI手控器端部的手柄來觸摸、 感知和控制虛擬醫用彎鉗對虛擬膽囊進行按壓的變形仿真，並將交互過程中產生的力觸覺 信息實時反饋給操作者。在自然交互過程中，操作者可以實時、真實地感知到變形仿真過程 中虛擬醫用彎鉗與虛擬膽囊之間的力觸覺信息，實驗結果表明該建模方法是非常有效的， 能夠讓操作者體驗到比較真實的力/觸覺感知，得到比較滿意的感知效果。
1權利要求
一種用於柔性體變形仿真的力觸覺建模方法，其特徵在於該建模方法的主要步驟如下步驟1對虛擬場景進行初始化；步驟2當檢測到虛擬代理碰撞到虛擬柔性體表面上任何一點時，在給定虛擬接觸力F作用下，虛擬代理與虛擬柔性體交互的局部區域內部填充每層均為等節距圓錐形螺旋彈簧力觸覺虛擬模型，在交互過程中，輸出反饋為採用等節距圓錐形螺旋彈簧力觸覺虛擬模型計算出來的反應在外力作用下柔性體實時變形仿真的力觸覺信息的信號，所述等節距圓錐形螺旋彈簧力觸覺虛擬模型的建模方法為(1)參數初始化，(2)在給定虛擬接觸力F作用下，當虛擬代理碰撞到柔性體表面上的任意點時，在碰撞點下懸掛第一個等節距圓錐形螺旋彈簧，形成第一層，所述第一層等節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑為d1、大圈半徑為R1，2、小圈半徑為R1，1、節距為t1、大圈半徑側支承圈數n1，s2取值為0.5、小圈半徑側支承圈數n1，s1取值為0.25、有效圈數n1取值為2；在第一層的等節距圓錐形螺旋彈簧下，懸掛第二個等節距圓錐形螺旋彈簧，形成第二層，所述第二層等節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑為d1q、大圈半徑為R1，2q、小圈半徑為R1，1q、節距為t1q、大圈半徑側支承圈數n2，s2取值為0.5、小圈半徑側支承圈數n2，s1取值為0.25、有效圈數n2取值為2；在第二層的等節距圓錐形螺旋彈簧下，懸掛第三個等節距圓錐形螺旋彈簧，形成第三層，所述第三層等節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑為d1q2、大圈半徑為R1，2q2、小圈半徑為R1，1q2、節距為t1q2、大圈半徑側支承圈數n3，s2取值為0.5、小圈半徑側支承圈數n3，s1取值為0.25、有效圈數n3取值為2；依次類推，在第i-1層的等節距圓錐形螺旋彈簧下，懸掛第i個等節距圓錐形螺旋彈簧，形成第i層，所述第i層等節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑為d1qi-1、大圈半徑為R1，2qi-1、小圈半徑為R1，1qi-1、節距為t1qi-1、大圈半徑側支承圈數ni，s2取值為0.5、小圈半徑側支承圈數ni，s1取值為0.25、有效圈數ni取值為2，形成第i層，i＝1，2，3，......，N，N為自然數；假定虛擬接觸力F的作用線和螺旋彈簧中心線一致，且在虛擬接觸力F作用下，等節距圓錐形螺旋彈簧只產生開始接觸時的線性變形，若柔性體中共有M層產生變形，則第M層稱為變形截止層，其中前M-1層的等節距圓錐形螺旋彈簧均被壓縮到彈簧開始接觸時變形的最大線性長度，第M層的彈簧被壓縮的長度不大於彈簧開始接觸時變形的最大線性長度；對於第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧，因其滿足Ri，2-Ri，1＜ni·di(1)故第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力Fi，z表示為 F i,z = Gdi4 64 R i,2 3 ( ti - di )--- ( 2 ) 其中，ti、d′i分別為第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧的節距、彈簧壓並時圈間中心高度，其大小滿足 d i = d i 1 - ( R i , 2 - R i , 1 ni di )2 --- ( 3 ) 前M-1層中任意第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時的線性變形Xi，z為 X i,z = ni R i,2 - R i,1 { 16 F i , z Gdi4 ( R i , 24 - R i , 14 )}--- ( 4 ) 其中，ni、Fi，z、Ri，2、Ri，1、di分別為第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧的有效圈數且取值ni＝2、彈簧開始接觸時消耗的外力、大圈半徑、小圈半徑、彈簧絲直徑，G為切變模量；變形截止層第M層的變形為 X M,z = F- i=1 M-1 F i,z PM --- ( 5 ) 其中，P′M為第M層的等節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧剛度，其大小滿足 P M = GdM4 16 n M ( R M , 22 + R M , 12 ) ( R M , 2 + R M , 1 ) --- ( 6 ) 其中dM、nM、RM，2、RM，1分別為變形截至層第M層的等節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑、有效圈數、大圈半徑、小圈半徑；(3)使虛擬接觸力作用於柔性體碰撞點，第i層對應的等節距圓錐形螺旋彈簧開始被壓縮，如果前i層的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力Fi，z之和小於給定的虛擬接觸力F，且第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形總計需要的時延時間滿足刷新頻率1000Hz以上的要求，設共計經過時延Li後，第i層的彈簧被壓縮，相應的等節距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形，只有當第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧被壓縮到最大線性變形長度後，第i+1層對應的等節距圓錐形螺旋彈簧才開始被壓縮，依此類推，直到前M層所有的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力之和不小於給定的虛擬接觸力，或第M層的等節距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形總計需要的時延時間不滿足刷新頻率的要求；用li、Li分別表示第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形需要的時延時間、前i層的等節距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形需要的時延時間，且令層間的時延時間滿足以第一層的等節距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形需要的時延時間l1為首項，以q為公比的等比數列li＝qi-1l1(7)從虛擬代理碰撞接觸到虛擬柔性體表面算起，假定第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形總計需要的時延時間為Li，且其須滿足Li＜L，其中 L i= l 1+ l 2+ l 3+...+ l i-1 + l i = 1- q i 1-q l 1--- ( 8 ) L為力觸覺再現刷新頻率的倒數；等節距圓錐形螺旋彈簧力觸覺建模方法中每層的等節距圓錐形螺旋彈簧變形量之和的疊加對外等效為柔性體表面的變形， X= i=1 M-1 X i,z + X M,z --- ( 9 ) 其中，Xi，z為前M-1層中任意第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧的最大線性變形，XM，z為變形截止層第M層的線性變形，X為前M層所有等節距圓錐形螺旋彈簧的線性變形之和。
全文摘要
本發明公開了一種用於柔性體變形仿真的等節距圓錐形螺旋彈簧力觸覺建模方法，其特徵是只有當檢測到虛擬代理碰撞到虛擬柔性體表面上任何一點時，在給定虛擬接觸力作用下，虛擬代理與虛擬柔性體交互的局部區域內部才填充該等節距圓錐形螺旋彈簧模型，進而用於該局部區域力與變形之間的計算；輸出反饋由等節距圓錐形螺旋彈簧力觸覺建模方法計算出來的反應在外力作用下柔性體實時變形仿真的力觸覺信息的信號；該建模方法中每層的等節距圓錐形螺旋彈簧變形量之和的疊加對外等效為柔性體表面的變形。該模型的建模方法簡單，變形計算過程簡便，因而能夠保證變形仿真具有較高精度，在模擬柔性體變形仿真形變時具有較好的穩定性和實時性。
文檔編號G06F3/01GK101853072SQ20101017357
公開日2010年10月6日 申請日期2010年5月14日 優先權日2010年5月14日
發明者孫偉, 宋愛國, 張小瑞, 李佳璐, 王楠, 程盈盈, 胡小科 申請人:東南大學