一种支持增强力触觉反馈的多股螺旋弹簧虚拟模型的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种支持增强力触觉反馈的多股螺旋弹簧模型，所述模型在虚拟代理未碰撞到虚拟柔性体之前，仅反馈输出相位噪声信号；交互过程中，虚拟柔性体产生实时变形力触觉仿真信息，该力触觉仿真信息与相位噪声信号相加，将得到的相加值作为反馈输出信号；该多股螺旋弹簧模型中所有层上产生拉伸或压缩的变形量之和，等效为柔性体表面的变形。本发明多股螺旋弹簧模型每层拉伸或压缩变形量计算方法相同，计算简单，加快了变形计算的速度；通过调节多股螺旋弹簧的直径、中径、股数等就可模拟不同类型的柔性体，适用性广；可应用于虚拟外科手术仿真、遥控操作机器人控制、远程医疗等领域。
【专利说明】一种支持增强力触觉反馈的多股螺旋弹簧虚拟模型
【技术领域】
[0001]本发明属于计算机仿真【技术领域】，尤其涉及一种支持增强力触觉反馈的多股螺旋弹簧虚拟模型。
【背景技术】
[0002]随着科技的发展，计算机虚拟技术正在医学领域发挥着重要作用，由于虚拟手术仿真可提供一个廉价、低风险的手术训练手段，其正受到越来越多医学机构的关注。应用虚拟手术仿真，医生可进行术前手术规划，选择最优手术方案和手术步骤，提高了医生做手术的精确性又可尽量减轻对伤者的手术创伤，如何利用计算机技术对虚拟手术进行仿真是一个极具研究价值的课题。虚拟手术仿真的关键又在于如何建立一个合理有效的基于物理意义的力触觉形变模型，它直接决定了手术仿真系统中力触觉反馈的精度、速度和仿真效果。
[0003]常用的基于物理意义的柔性体变形仿真力触觉建模方法主要有如下几种:①长单元模型是一种新出现的基于物理方法的形变模型。该方法把整个变形体离散成许多长单元，每个单元的数量与边长的平方成正比，而在标准的基于四面体或六面体的离散方法中数量与边长的立方成比例，因此其网格数量比四面体或立方体少一个数量级，该模型可求出全局弹性形变的静态解，得到更为真实理想的形变效果。该模型较为简单，计算速度快，但计算精度低，鲁棒性差。②3D ChainMail模型:每个体积单元与其最近邻的六个单元相连，当结构中的某个结点被推拉时，单元之间的链接会通过填充结构间的空隙来吸收这种运动，通过改变链接长度的约束就可对不同的刚体和柔性体进行建模。该模型计算速度较快，实时性较好，但计算精度低，鲁棒性差。③Shape-Retaining Chain Linked模型是Kim等在3DChainMail模型的基础上提出的，它的基本思想与3D ChainMail模型相类似。模型中，每个节点假定为一个链元素，每个节点和它相邻的节点之间的初始状态定义为初始距离。最大、最小距离分别定义为一个节点被拉伸或压缩时离开初始位置的最远距离，该模型已能实时逼真模拟人体的肝脏手术及赛车游戏，满足精细作业对虚拟现实系统的要求；该模型较为简单，实时性较好，但计算精度低，鲁棒性差。
[0004]最新的大量实验表明:相位噪声大小对柔性体变形仿真有一定影响,如果相位噪声较差，会增加通信中的误码率，影响传感器跟踪准确度和通信接收机信道内、外性能的测量。
[0005]根据这一原理，为了提高手术仿真系统中，力触觉交互的稳定性和感知真实性，本文在多股螺旋弹簧虚拟模型的基础上，加入相位噪声信号，提出了一种基于相位噪声的增强力触觉模型的建模方法。
[0006]鉴于上述问题，为了使虚拟现实人机力触觉交互过程更加符合人们自身的习惯，提高交互的沉浸感和真实感，提出了一种用于柔性体变形仿真的力触觉建模方法。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，一种支持增强力触觉反馈的多股螺旋弹簧虚拟模型。本发明模型为了提高手术仿真过程中，力触觉交互的稳定性和感知真实性，在支持增强力触觉反馈的多股螺旋弹簧虚拟模型的基础上，加入相位噪声信号。
[0008]为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:
[0009]一种支持增强力触觉反馈的多股螺旋弹簧虚拟模型，包括如下步骤:
[0010]步骤I，对虚拟场景进行初始化；
[0011]步骤2，在检测到虚拟代理碰撞到虚拟柔性体之前，即在靠近虚拟柔性体的过程中，反馈输出一种相位噪声信号L’ _(fm)，其计算公式为:
[0012]
【权利要求】
1.一种支持增强力触觉反馈的多股螺旋弹簧虚拟模型，其特征在于，包括如下步骤: 步骤I，对虚拟场景进行初始化； 步骤2，在检测到虚拟代理碰撞到虚拟柔性体之前，即在靠近虚拟柔性体的过程中，反馈输出一种相位噪声信号L’ _(fm)，其计算公式为:
2.根据权利要求1所述的一种支持力触觉反馈的多股螺旋弹簧虚拟模型，其特征在于，所述前M层多股螺旋弹簧产生拉伸或压缩变形总计需要的时延时间不大于1ms。
3.根据权利要求1所述的一种支持力触觉反馈的多股螺旋弹簧虚拟模型，其特征在于，所有多股螺旋弹簧层数中，每层产生拉伸或压缩变形需要的时延时间构成等比数列，即满足: ti=qi-1t 其中，\表示第i层多股螺旋弹簧产生拉伸或压缩变形需要的时延时间，q为等比数列的公比，h为第I层多股螺旋弹簧产生拉伸或压缩变形需要的时延时间，I ^ I^M0
4.根据权利要求1或2或3所述的一种支持力触觉反馈的多股螺旋弹簧虚拟模型，其特征在于，所述多股螺旋弹簧，在多股螺旋弹簧上任一层变形达到给定的挠度值Xa后，其下一层开始产生拉伸或压缩变形。
【文档编号】G06F17/50GK103699753SQ201310751185
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】张小瑞, 朱建栋, 孙伟, 宋爱国, 赵沁平, 牛建伟, 杨松, 朱哲夫 申请人:南京信息工程大学