一種模擬柔性體扭轉變形的蝸卷彈簧模型的製作方法

2023-05-28 21:31:01

一種模擬柔性體扭轉變形的蝸卷彈簧模型的製作方法
【專利摘要】本發明提出了一種模擬柔性體扭轉變形的蝸卷彈簧模型，所述蝸卷彈簧模型由多個蝸卷彈簧半圈串接組成，在扭矩作用下，蝸卷彈簧模型的輸出表示柔性體實時變形力觸覺信息，該蝸卷彈簧模型中所有半圈產生扭轉變形量之和等效為柔性體表面的變形量。本發明蝸卷彈簧模型每個蝸卷彈簧半圈的扭轉變形量計算方法相同，計算簡單，加快了扭轉變形計算的速度；通過調節任意蝸卷彈簧半圈的半徑，圓心與原點之間的距離，該蝸卷彈簧半圈的寬和厚度，就可模擬不同類型的柔性體，適用性廣；可應用於虛擬外科手術仿真、遙操作機器人控制、遠程醫療等領域。
【專利說明】一種模擬柔性體扭轉變形的蝸卷彈簧模型
【技術領域】
[0001]本發明屬於計算機仿真【技術領域】，尤其涉及一種模擬柔性體扭轉變形的蝸卷彈簧模型。
【背景技術】
[0002]傳統培訓外科手術醫生一直沿用傳、幫、帶的學徒模式，培養一個高水平的手術醫生需經大量訓練，實驗、花費8-10年才能成長起來。使用虛擬實境技術構建虛擬手術環境，實現外科手術仿真培訓，可解決傳統訓練方式下成本高，無法重複等缺陷，且可運用專家手術系統節省培訓費用和時間，為臨床醫生提供手術預演，提高手術成功率等，具有十分重要的經濟和社會意義。
[0003]目前，虛擬柔性體扭轉變形研究在力/觸覺人機互動中的應用，已成為備受關注的前沿課題，引起扭轉變形的建模方法所需實時性和準確性直接決定了虛擬手術能否成功進行。當醫生進入虛擬世界後，通過身體(尤其是手和手臂)的運動與虛擬模型和環境進行交互，可以獲取真實力觸覺反饋，從而形成對虛擬器官的完整認識。因此，深入開展用於柔性體扭轉變形仿真技術的研究無疑對推動虛擬手術的發展具有重要意義。

【發明內容】

[0004]本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種模擬柔性體扭轉變形的蝸卷彈
簧模型。
[0005]為達到上述目的，本發明所採用的技術方案是:`[0006]一種模擬柔性體扭轉變形的蝸卷彈簧模型，包括如下步驟:
[0007]步驟1，建立空間直角坐標系，確定柔性體表面上任意點處安放的蝸卷彈簧，其過程如下:
[0008]步驟1.1，建立空間直角坐標系，
[0009]在給定扭矩M作用下，在柔性體表面任意點A處安放一蝸卷彈簧，在距離任意點A為r處設置一原點0，其中r>0，以射線OA所在方向為X軸正方向，建立XYZ空間坐標系；
[0010]步驟1.2，依次設置蝸卷彈簧半圈，其中，第i個半圈是以(^((-1)10,0)為圓心，以Rer+O1-Dd為半徑的半圓，d為任一蝸卷彈簧半圈圓心與原點0之間的距離，i=l，2，3，……S，S為自然數；
[0011]每個蝸卷彈簧半圈的寬為b、厚度為h、截面慣性矩I=bh3/12、彈性模量E取決於柔性體的材質,且柔性體材質均相同；
[0012]步驟2，確定任一蝸卷彈簧半圈所消耗的扭矩；
[0013]設定給定扭矩M的作用線和蝸卷彈簧在任意點A處所在的半圓相切，且在給定扭矩M作用下，如果柔性體中共有前P個蝸卷彈簧半圈產生扭轉變形，則第P個蝸卷彈簧半圈為變形截止半圈；P ( S，也就是蝸卷彈簧的半圈數至少等於P ；
[0014]根據蝸卷彈簧特性，設定:[0015]前P-1個蝸卷彈簧半圈上任意一點在給定扭矩M作用下，所消耗的最大扭轉力相等且均為Ftl ;第P個蝸卷彈簧半圈上任意一點在給定扭矩M作用下，所消耗的最大扭轉力Fp'均相等，且不大於F。；
[0016]步驟2-1，確定前P-1個蝸卷彈簧半圈中，第i個半圈上所有點共消耗的扭矩Mi為:
[0017]Mi=F0 Ri=F0 [r+ (2i~l) d]
[0018]步驟2-2，確定第P個蝸卷彈簧半圈所有點共消耗的扭矩Mp'為:
【權利要求】
1.一種模擬柔性體扭轉變形的蝸卷彈簧模型，其特徵在於，包括如下步驟: 步驟1，建立空間直角坐標系，確定柔性體表面上任意點處安放的蝸卷彈簧，其過程如下: 步驟1.1，建立空間直角坐標系， 在給定扭矩M作用下，在柔性體表面任意點A處安放一蝸卷彈簧，在距離任意點k為r處設置一原點O，其中r>0，以射線OA所在方向為X軸正方向，建立XYZ空間坐標系； 步驟1.2，依次設置蝸卷彈簧半圈，其中，第i個半圈是以Oi ((-1) 4，0，0)為圓心，以Rer+O1-Dd為半徑的半圓，d為任一蝸卷彈簧半圈圓心與原點0之間的距離，i=l，2，3，……S，S為自然數； 每個蝸卷彈簧半圈的寬為b、厚度為h、截面慣性矩I=bh3/12、彈性模量E取決於柔性體的材質,且柔性體材質均相同； 步驟2，確定任一蝸卷彈簧半圈所消耗的扭矩； 設定給定扭矩M的作用線和蝸卷彈簧在任意點A處所在的半圓相切，且在給定扭矩M作用下，如果柔性體中共有前P個蝸卷彈簧半圈產生扭轉變形，則第P個蝸卷彈簧半圈為變形截止半圈；P ( S，也就是蝸卷彈簧的半圈數至少等於P ； 根據蝸卷彈簧特性，設定: 前P-1個蝸卷彈簧半圈上任意一點在給定扭矩M作用下，所消耗的最大扭轉力相等且均為Ftl ;第P個蝸卷彈簧半圈上任意一點在給定扭矩M作用下，所消耗的最大扭轉力FP』均相等，且不大於Ftl; 步驟2-1，確定前P-1個蝸卷彈簧半圈中，第i個半圈上所有點共消耗的扭矩Mi為: Mi=F0 JI Ri=F0 JI [r+(21-l)d] 步驟2-2，確定第P個蝸卷彈簧半圈所有點共消耗的扭矩Mp'為:

2.根據權利要求1所述的一種模擬柔性體扭轉變形的蝸卷彈簧模型，其特徵在於，所述前P個蝸卷彈簧半圈產生扭轉變形總計需要的時延時間不大於1ms。
3.根據權利要求1所述的一種模擬柔性體扭轉變形的蝸卷彈簧模型，其特徵在於，所有蝸卷彈簧半圈中，每個半圈產生扭轉變形需要的時延時間構成等比數列，即滿足: 其中，\表示第i個蝸卷彈簧半圈產生扭轉變形需要的時延時間，h為第I個蝸卷彈簧半圈產生扭轉變形需要的時延時間，I ^ i ^ Po
4.根據權利要求1或2或3所述的一種模擬柔性體扭轉變形的蝸卷彈簧模型，其特徵在於，所述蝸卷彈簧模型，在任一蝸卷彈簧半圈上任意一點消耗的扭轉力達到最大扭轉力後，其下一個半圈 開始產生扭轉變形。
【文檔編號】G06F17/50GK103699724SQ201310665201
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月10日 優先權日:2013年12月10日
【發明者】張小瑞, 朱建棟, 孫偉, 宋愛國, 牛建偉, 楊松, 朱哲夫 申請人:南京信息工程大學