一種模擬柔性體扭轉變形的盤香彈簧模型的製作方法

2023-09-12 04:37:10

一種模擬柔性體扭轉變形的盤香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盤香彈簧模型，所述盤香彈簧模型由多個盤香彈簧依次串接組成，在交互過程中，輸出回饋為採用盤香彈簧模型計算出來的反應在扭矩作用下柔性體實時變形仿真的力觸覺信息的信號，該盤香彈簧模型中所有圈上產生扭轉變形量之和的疊加對外等效為柔性體表面的變形。本發明盤香彈簧模型每圈盤香彈簧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；通過調節盤香彈簧可旋轉芯軸半徑，盤香彈簧的厚度和懸掛截面寬度等，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、遙控操作機器人控制、遠程醫療等領域。
【專利說明】一種模擬柔性體扭轉變形的盤香彈簧模型
【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盤香彈簧模型。
【背景技術】
[0002]虛擬手術作為一種新式的手術訓練手段，即在計算機建立的虛擬環境中進行實時手術仿真已成為近幾年研究的熱點。虛擬手術仿真系統除在視覺上給使用者營造一種沉浸感、真實感之外，還要提供一種力觸覺反饋機制，使人們在看見虛擬對象的同時，還可以觸摸到它的幾何形狀和物理特徵，視覺和觸覺的有機結合使虛擬實境、虛擬仿真更加真實可?目。
[0003]準確性和實時性是虛擬手術系統至關重要的性能指標，良好的建模方法將為此提供必要的保障。目前，主要有質點-彈簧模型，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；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；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。因此，深入開展用於柔性體扭轉變形仿真技術建模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]本發明所要解決的技術問題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盤香彈簧模型。
[0005]為了解決上述技術問題，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盤香彈簧模型，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盤香彈簧，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O處設置一盤香彈簧；在距離任意點O為r處，選取盤香彈簧可旋轉芯軸外側點Atl, r為盤香彈簧可旋轉芯軸半徑；以任意點O為原點，以射線OAtl所在方向為X軸正方向，建立XYZ空間坐標系；
[0010]步驟1.2，按圈設置盤香彈簧，
[0011]其中，第i圈盤香彈簧是以原點0(0，0，O)為圓心，以Ri=r+ih為半徑的圓，h為第i圈盤香彈簧的厚 度，i=l,2, 3，……S，S為自然數；
[0012]第i圈盤香彈簧的懸掛截面寬度為b，截面慣性矩為
【權利要求】
1.一種模擬柔性體扭轉變形的盤香彈簧模型，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盤香彈簧，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O處設置一盤香彈簧；在距離任意點O為r處，選取盤香彈簧可旋轉芯軸外側點Atl, r為盤香彈簧可旋轉芯軸半徑；以任意點O為原點，以射線OAtl所在方向為X軸正方向，建立XYZ空間坐標系； 步驟1.2，按圈設置盤香彈簧， 其中，第i圈盤香彈簧是以原點0(0，0，O)為圓心，以Rfr+ih為半徑的圓，h為第i圈盤香彈簧的厚度，i=l,2, 3，……S，S為自然數； 第i圈盤香彈簧的懸掛截面寬度為b，截面慣性矩為
2.根據權利要求1所述的一種模擬柔性體扭轉變形的盤香彈簧模型，其特徵在於，所述前P圈盤香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盤香彈簧模型，其特徵在於，所有盤香彈簧圈數中，每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圈盤香彈簧產生扭轉變形需要的時延時間，h為第I圈盤香彈簧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盤香彈簧模型，其特徵在於，所述盤香彈簧模型，在任一圈盤香彈簧上任意一點消耗的扭轉力達到最大扭轉力後，其下一圈開始產生扭轉變形。
【文檔編號】G06F17/50GK103678806SQ201310680358
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月12日 優先權日:2013年12月12日
【發明者】張小瑞, 楊松, 孫偉, 宋愛國, 牛建偉, 朱建棟, 沈舒豪 申請人:南京信息工程大學