一种支持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力触觉反馈的多股螺旋弹簧模型，所述多股螺旋弹簧模型由多个多股螺旋弹簧依次旋转串接组成，在交互过程中，输出回馈为采用多股螺旋弹簧模型计算出来的，反应在给定虚拟外力作用下，柔性体实时变形仿真的力触觉信息的信号，该多股螺旋弹簧模型中所有层上产生拉伸或压缩变形量之和，对外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，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、远程医疗领域。
【专利说明】一种支持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】，尤其涉及一种支持力触觉反馈的多股螺旋弹簧虚拟模型。
【背景技术】
[0002]在虚拟手术仿真系统中，柔性体形变模型主要用于描述人体器官柔性体和手术器械之间的交互过程，它直接决定了手术仿真系统中力触觉的精度、速度和仿真效果。目前，解决柔性体形变模型的力触觉逼真度和计算实时性之间的矛盾是虚拟手术仿真系统当前重要的研究课题。
[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自由式形变模型核心思想在于变形操作不直接作用于物体，而是作用于物体所嵌入的变形空间，嵌入对象随着变形空间被挤压、弯曲或扭曲成任意形状而发生相应的变形，该模型较为简单，计算速度快，但计算精度低，鲁棒性差。②3DChainMail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。③有限元模型基本思想是把整个物体所在的连续空间离散化为一个个小单元，每个小单元都有一些节点，然后把动力学方程离散到每个小单元，求出这些节点的位移，再运用预先选定的插值函数来计算单元内每一点的位移；该模型计算精度高，鲁棒性好，但较为复杂，计算速度慢。
[0004]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，需要建立一种支持力触觉反馈的虚拟模型。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，一种支持力触觉反馈的多股螺旋弹簧虚拟模型。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:一种支持力触觉反馈的多股螺旋弹簧虚拟模型，包括如下步骤:
[0007]步骤1，按层设置多股螺旋弹簧虚拟模型；
[0008]在给定虚拟外力F作用下，在柔性体表面任意点O处，分层水平设置相同的多股螺旋弹簧；点O在多股螺旋弹簧中心线上，且多股螺旋弹簧中心线与水平方向垂直；
[0009]其中，第i层多股螺旋弹簧的直径为d、中径为D、股数为g ;该第i层多股螺旋弹簧分为上下两段，上段水平设置，下段与上段夹角为α ;1=1，2，3，4，一，3，3为自然数；
[0010]步骤2，多股螺旋弹簧特性设定；
[0011]给定虚拟外力F的作用线和多股螺旋弹簧中心线一致，且在虚拟外力F作用下，如果柔性体中共有前M层的多股螺旋弹簧产生变形，则第M层称为变形截止层；其中，MS S，也就是多股螺旋弹簧的层数至少等于M ；[0012]根据多股螺旋特性，设定:
[0013]在给定虚拟外力F作用下，第一层多股螺旋弹簧被拉伸或压缩时产生的变形量为X1，若X1达到第一层多股螺旋弹簧给定的挠度值Xa，这种情况下，假定前M-1层多股螺旋弹簧的变形量，均与第一层多股螺旋弹簧给定的挠度值相同，则变形截止层第M层多股螺旋弹簧的变形量，不大于第一层多股螺旋弹簧给定的挠度值；
[0014]步骤3，计算任意一层多股螺旋弹簧的弹簧刚度P，其计算公式为；
[0015]
【权利要求】
1.一种支持力触觉反馈的多股螺旋弹簧虚拟模型，其特征在于，包括如下步骤: 步骤1，按层设置多股螺旋弹簧虚拟模型； 在给定虚拟外力F作用下，在柔性体表面任意点O处，分层水平设置相同的多股螺旋弹簧；点O在多股螺旋弹簧中心线上，且多股螺旋弹簧中心线与水平方向垂直； 其中，第i层多股螺旋弹簧的直径为d、中径为D、股数为g ;该第i层多股螺旋弹簧分为上下两段，上段水平设置，下段与上段夹角为α ;1=1，2，3，4，一，3，3为自然数； 步骤2，多股螺旋弹簧特性设定； 给定虚拟外力F的作用线和多股螺旋弹簧中心线一致，且在虚拟外力F作用下，如果柔性体中共有前M层的多股螺旋弹簧产生变形，则第M层称为变形截止层；其中，MS S，也就是多股螺旋弹簧的层数至少等于M ； 根据多股螺旋特性，设定: 在给定虚拟外力F作用下，第一层多股螺旋弹簧被拉伸或压缩时产生的变形量为X1,若X1达到第一层多股螺旋弹簧给定的挠度值Xa，这种情况下，假定前M-1层多股螺旋弹簧的变形量，均与第一层多股螺旋弹簧给定的挠度值相同，则变形截止层第M层多股螺旋弹簧的变形量，不大于第一层多股螺旋弹簧给定的挠度值； 步骤3，计算任意一层多股螺旋弹簧的弹簧刚度P，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: Vq1I1 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】G06F9/455GK103714215SQ201310751418
【公开日】2014年4月9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, 杨松, 孙伟, 宋爱国, 赵沁平, 牛建伟, 朱建栋, 沈舒豪 申请人:南京信息工程大学