专利名称：柔性力触觉再现的对称式板弹簧虚拟模型的建模方法
技术领域：
本发明涉及一种力触觉再现的建模方法，尤其涉及一种用于虚拟手术仿真过程 中，人机交互的基于物理意义的柔性体实时力触觉再现的对称式板弹簧虚拟模型的建模方法。
背景技术：
手术一旦失败会给病人的生命和财产造成极大的损失。因此，在手术前对手术过 程涉及到的人体柔性体进行虚拟手术仿真具有重大的学术、经济和社会意义。在虚拟手术 中，引入力触觉反馈，可以使操作者在手术仿真中不仅能够看到而且还能自然真实的触摸、 感知和控制虚拟代理与虚拟柔性体的交互，使得手术仿真更真实可靠。因此，准确快速的力 触觉再现的建模方法是虚拟手术成功的关键。采用基于物理意义的力触觉再现的建模方 法，对柔性体的变形进行实时仿真，正在成为世界范围内的一个研究热点。目前，常用的基于物理意义的柔性体实时力触觉再现的建模方法主要有如下5 种①弹簧-质点模型结构简单，算法容易实现且计算效率较高，实时性和交互性易于实 现，但是由于该模型本身力学结构的局限性，在系统的模型构建、参数选取和模拟效果的准 确性等方面有一定的困难，故精确性和稳定性往往不能令人满意。②有限元模型虽然可对 物体的形变进行精确和定量的模拟，但涉及大量繁复的计算，实时交互性差。③边界元模型 虽对模型的边界进行离散，简化了计算，但在稳定性方面却存在一定的困难。④长单元模型 具有较高的力触觉反馈刷新速度，求解方便，但由于模型抽象度较高，计算精度较低。⑤形 状保持链模型具有实时性较好的优点，但是基于链元素为刚性体这个假设，故精度不高。以 上说明，这些常用的柔性体实时力触觉再现的建模方法均存在计算较为繁杂和仿真精度不 高等问题，继而影响了计算的实时性和有效性。再加上由于人体柔性体的复杂性、差异性和 多样性，使现有常用的基于物理意义的柔性体实时力触觉再现的建模方法在变形效果上不
王困相鉴于上述问题，为了使虚拟手术仿真过程中力触觉人机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，提出了柔性力触觉再现的对称式板弹簧虚拟模型 的建模方法。
发明内容
本发明提出一种基于物理意义的力触觉再现的建模方法，并将其用于虚拟人机交 互的虚拟柔性体实时变形仿真过程中。该建模方法计算简单，能准确快速的计算变形量，实 现对柔性体的实时变形仿真；且在交互过程中，操作者能实时自然地感知到仿真过程中的 力触觉信息，提高了虚拟手术仿真过程中力触觉交互的逼真度。本发明采用如下技术方案—种柔性力触觉再现的对称式板弹簧 拟模型的建模方法，其特征在于该建模方 法的主要步骤如下
步骤1对虚拟场景进行初始化；步骤2当检测到虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上任何一点时，在给定虚拟接触 拉力F作用下，虚拟代理与虚拟柔性体交互的局部区域内部填充对称式板弹簧虚拟模型， 在交互过程中，输出反馈为采用对称式板弹簧虚拟模型计算出来的反应在拉力作用下虚拟 柔性体实时变形仿真的力触觉信息的信号，所述对称式板弹簧虚拟模型的建模方法为(1)参数初始化，(2)在给定虚拟接触拉力F作用下，当虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上的任意 点时，在碰撞点处下悬挂一叶片宽度为b、厚度为h、长度为I1的对称式单板弹簧，形成第一 层，在第一层的对称式单板弹簧下，设置一叶片宽度为b、厚度为h、长度为I2 = I1Q的对称 式单板弹簧，形成第二层，在第二层的对称式单板弹簧下，设置一叶片宽度为b、厚度为h、 长度为I3 = I1Q2的对称式单板弹簧，形成第三层，依此类推，在第i-Ι层的对称式单板弹簧 下，设置一叶片宽度为b、厚度为h、长度为Ii = I1Qi-1的对称式单板弹簧，形成第i层，i = 1,2,3,……N，N为自然数，各层对称式单板弹簧长度构成以I1为首项，以q为公比的等比 数列，q的取值范围为1 2，假定虚拟接触拉力F的作用线和对称式板弹簧中心线一致，且在虚拟接触拉力F 作用下，若柔性体中共有M层的对称式单板弹簧产生变形，则第M层称为变形截止层，若给定虚拟接触拉力F能使第一层的对称式单板弹簧被拉伸时产生的变形量X1 达到第一层的对称式单板弹簧给定的挠度值χα，对于对称式单板弹簧，当其叶片宽度、厚 度、长度、弹性模量都是已知量，即对应参数给定的情况下，在拉力作用下，对应的最大变形 量即挠度值是一个确定的值，这种情况下假定前M-I层的对称式单板弹簧被拉伸时产生的 变形量均与第一层的对称式单板弹簧给定的挠度值相同，变形截止层第M层的对称式单板 弹簧被拉伸时产生的变形量不大于第一层的对称式单板弹簧给定的挠度值，第一层的对称式单板弹簧消耗的拉力F1为其中，Xci、P1分别表示第一层的对称式单板弹簧给定的挠度值、第一层的对称式单 板弹簧的弹簧刚度，除第一层和变形截止层第M层外，其余各层的对称式单板弹簧消耗的拉力。为
Xci-Zi i = M>\第M层为变形截止层时 Fi^M = \第一层为变形截止层时j的取值范围为2 M-1， 变形截止层第M层的变形量为 Pm为变形截止层第M层的对称式单板弹簧的弹簧刚度，
任意第i层的对称式单板弹簧的弹簧刚度为
其中，E、I、Ii分别为弹性模量、截面惯性矩、第i层的对称式单板弹簧的长度，弹 性模量与柔性体的材质有关，截面惯性矩I满足(3)使虚拟接触拉力F作用于虚拟柔性体碰撞点，第i层对应的对称式单板弹簧被 拉伸，如果前i层所有的对称式单板弹簧消耗的拉力Fi之和小于给定的虚拟接触拉力F，且 前i层所有的对称式单板弹簧产生拉伸变形总计需要的时延时间满足刷新频率1000Hz以 上的要求，设共计经过时延Ti后，第i层的对称式单板弹簧被拉伸到第一层的对称式单板 弹簧给定的挠度值，只有当第i层的对称式单板弹簧被拉伸到第一层的对称式单板弹簧给 定的挠度值后，第i+Ι层对应的对称式单板弹簧才开始被拉伸，依此类推，直到前M层所有 的对称式单板弹簧消耗的拉力之和不小于给定的虚拟接触拉力，或第M层的对称式单板弹 簧产生拉伸变形总计需要的时延时间不满足刷新频率的要求；用、、 \分别表示第i层的对称式单板弹簧产生拉伸变形需要的时延时间、前i层 所有的对称式板弹簧产生拉伸变形总计需要的时延时间，且令层间的时延时间满足以第一 层的对称式单板弹簧产生拉伸变形需要的时延时间、为首项、以q为公比的等比数列tj = qH、(6)从虚拟代理碰撞接触到虚拟柔性体表面算起，假定前i层所有的对称式单板弹簧 产生拉伸变形总计需要的时延时间Ti满足Ti < T，其中Ti =Z1 +t2 +^+--- + I1
l-q'‘(7)=~~—-Z1.T为力触觉再现刷新频率的倒数；所述对称式板弹簧虚拟模型中每层的对称式单板弹簧变形量之和的叠加对外等 效为虚拟柔性体表面的变形，
.M-I
ΣΧ>+Χμ i = M>\第M层为变形截止层时 X = ‘=1(8)
^i = M = \第一层为变形截止层时其中，X为前M层所有的对称式单板弹簧产生的拉伸变形量之和，Xi为前M-I层中 任意第i层的对称式单板弹簧产生的拉伸变形量，Xm为变形截止层第M层产生的拉伸变形 量，F为给定的虚拟接触拉力，P1为第一层的对称式单板弹簧的弹簧刚度。本发明的优点(1)和以往常用的基于物理意义的柔性体变形仿真力触觉建模方法相比，该建模 方法中，若给定的虚拟接触拉力能使第一层的对称式单板弹簧被拉伸时产生的变形量达到 其给定的挠度值，即最大变形量，这种情况下则假定前M-I层的对称式单板弹簧被拉伸时 产生的变形量均与第一层的对称式单板弹簧给定的挠度值相同，从而减少了计算量，加快
6了变形计算的速度。(2)由于每层的对称式单板弹簧叶片宽度、厚度、弹性模量均相同，故前M-I层中， 任意第j层的对称式单板弹簧被拉伸时消耗的拉力与第一层的对称式单板弹簧被拉伸时 消耗的拉力之间的关系比较简单，从而简化了计算。(3)通过改变建模方法中第一层对称式单板弹簧的长度和各层对称式单板弹簧长 度所构成的等比数列的公比系数，就可对不同的柔性体进行变形仿真，建模方法适用性广。(4)可将其应用于远程医疗、军事、虚拟外科手术仿真、航空航天、深空探索等领 域。
图1是柔性体变形仿真流程图；图2是对称式板弹簧虚拟模型的建模方法流程图；图3是柔性力触觉再现的对称式板弹簧虚拟模型的建模方法中拉力、变形层数与 时延时间关系示意图；图4是对称式板弹簧虚拟模型的建模方法示意图，(a)是原始状态，(b)是拉伸下 的状态，(C)为该建模方法各层与虚拟柔性体表面的对应关系及各层对应边界点的受力等 效图。
具体实施例方式具体实施例1 一种柔性力触觉再现的对称式板弹簧虚拟模型的建模方法，其特征在于该建模方 法的主要步骤如下步骤1对虚拟场景进行初始化；步骤2当检测到虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上任何一点时，在给定虚拟接触 拉力F作用下，虚拟代理与虚拟柔性体交互的局部区域内部填充对称式板弹簧虚拟模型， 在交互过程中，输出反馈为采用对称式板弹簧虚拟模型计算出来的反应在拉力作用下虚拟 柔性体实时变形仿真的力触觉信息的信号，所述对称式板弹簧虚拟模型的建模方法为(1)参数初始化，(2)在给定虚拟接触拉力F作用下，当虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上的任意 点时，在碰撞点处下悬挂一叶片宽度为b、厚度为h、长度为I1的对称式单板弹簧，形成第一 层，在第一层的对称式单板弹簧下，设置一叶片宽度为b、厚度为h、长度为I2 = I1Q的对称 式单板弹簧，形成第二层，在第二层的对称式单板弹簧下，设置一叶片宽度为b、厚度为h、 长度为I3 = I1Q2的对称式单板弹簧，形成第三层，依此类推，在第i-Ι层的对称式单板弹簧 下，设置一叶片宽度为b、厚度为h、长度为Ii = I1Qi-1的对称式单板弹簧，形成第i层，i = 1,2,3,……N，N为自然数，各层对称式单板弹簧长度构成以I1为首项，以q为公比的等比 数列，q的取值范围为1 2，假定虚拟接触拉力F的作用线和对称式板弹簧中心线一致，且在虚拟接触拉力F 作用下，若柔性体中共有M层的对称式单板弹簧产生变形，则第M层称为变形截止层，若给定的虚拟接触拉力F能使第一层的对称式单板弹簧被拉伸时产生的变形量X1达到第一层的对称式单板弹簧给定的挠度值Xa，对于对称式单板弹簧，当其叶片宽度、厚 度、长度、弹性模量都是已知量，即对应参数给定的情况下，在拉力作用下，对应的最大变形 量即挠度值是一个确定的值，这种情况下假定前M-I层的对称式单板弹簧被拉伸时产生的 变形量均与第一层的对称式单板弹簧给定的挠度值相同，变形截止层第M层的对称式单板 弹簧被拉伸时产生的变形量不大于第一层的对称式单板弹簧给定的挠度值，第一层的对称式单板弹簧消耗的拉力F1为
权利要求
一种柔性力触觉再现的对称式板弹簧虚拟模型的建模方法，其特征在于该建模方法的主要步骤如下步骤1对虚拟场景进行初始化；步骤2当检测到虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上任何一点时，在给定虚拟接触拉力F作用下，虚拟代理与虚拟柔性体交互的局部区域内部填充对称式板弹簧虚拟模型，在交互过程中，输出反馈为采用对称式板弹簧虚拟模型计算出来的反应在拉力作用下虚拟柔性体实时变形仿真的力触觉信息的信号，所述对称式板弹簧虚拟模型的建模方法为(1)参数初始化，(2)在给定虚拟接触拉力F作用下，当虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上的任意点时，在碰撞点处下悬挂一叶片宽度为b、厚度为h、长度为l1的对称式单板弹簧，形成第一层，在第一层的对称式单板弹簧下，设置一叶片宽度为b、厚度为h、长度为l2＝l1q的对称式单板弹簧，形成第二层，在第二层的对称式单板弹簧下，设置一叶片宽度为b、厚度为h、长度为l3＝l1q2的对称式单板弹簧，形成第三层，依此类推，在第i 1层的对称式单板弹簧下，设置一叶片宽度为b、厚度为h、长度为li＝l1qi 1的对称式单板弹簧，形成第i层，i＝1，2，3，……N，N为自然数，各层对称式单板弹簧长度构成以l1为首项，以q为公比的等比数列，q的取值范围范围为1～2，假定虚拟接触拉力F的作用线和对称式板弹簧中心线一致，且在虚拟接触拉力F作用下，若柔性体中共有M层的对称式单板弹簧产生变形，则第M层称为变形截止层，若给定的虚拟接触拉力F能使第一层的对称式单板弹簧被拉伸时产生的变形量X1达到第一层的对称式单板弹簧给定的挠度值XC1，这种情况下假定前M 1层的对称式单板弹簧被拉伸时产生的变形量均与第一层的对称式单板弹簧给定的挠度值相同，变形截止层第M层的对称式单板弹簧被拉伸时产生的变形量不大于第一层的对称式单板弹簧给定的挠度值，第一层的对称式单板弹簧消耗的拉力F1为其中，XC1、P1分别表示第一层的对称式单板弹簧给定的挠度值、第一层的对称式单板弹簧的弹簧刚度，除第一层和变形截止层第M层外，其余各层的对称式单板弹簧消耗的拉力Fj为Fj＝XC1·Pj(2)j的取值范围为2～M 1，变形截止层第M层的变形量为 <mrow><msub> <mi>X</mi> <mi>M</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>F</mi><mo>-</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mrow><mi>M</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><msub> <mi>F</mi> <mi>i</mi></msub> </mrow> <msub><mi>P</mi><mi>M</mi> </msub></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>PM为变形截止层第M层的对称式单板弹簧的弹簧刚度，任意第i层的对称式单板弹簧的弹簧刚度为 <mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>3</mn><mi>EI</mi> </mrow> <msubsup><mi>l</mi><mi>i</mi><mn>3</mn> </msubsup></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，E、I、li分别为弹性模量、截面惯性矩、第i层的对称式单板弹簧的长度，截面惯性矩I满足 <mrow><mi>I</mi><mo>=</mo><mfrac> <msup><mi>bh</mi><mn>3</mn> </msup> <mn>12</mn></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>(3)使虚拟接触拉力F作用于虚拟柔性体碰撞点，第i层对应的对称式单板弹簧被拉伸，如果前i层所有的对称式单板弹簧消耗的拉力Fi之和小于给定的虚拟接触拉力F，且前i层所有的对称式单板弹簧产生拉伸变形总计需要的时延时间满足刷新频率1000Hz以上的要求，设共计经过时延Ti后，第i层的对称式单板弹簧被拉伸到第一层的对称式单板弹簧给定的挠度值，只有当第i层的对称式单板弹簧被拉伸到第一层的对称式单板弹簧给定的挠度值后，第i+1层对应的对称式单板弹簧才开始被拉伸，依此类推，直到前M层所有的对称式单板弹簧消耗的拉力之和不小于给定的虚拟接触拉力，或第M层的对称式单板弹簧产生拉伸变形总计需要的时延时间不满足刷新频率的要求；用ti、Ti分别表示第i层的对称式单板弹簧产生拉伸变形需要的时延时间、前i层所有的对称式单板弹簧产生拉伸变形总计需要的时延时间，且令层间的时延时间满足以第一层的对称式单板弹簧产生拉伸变形需要的时延时间t1为首项、以q为公比的等比数列为ti＝qi 1t1(6)从虚拟代理碰撞接触到虚拟柔性体表面算起，假定前i层所有的对称式单板弹簧产生拉伸变形总计需要的时延时间Ti满足Ti＜T，其中 <mrow><msub> <mi>T</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>t</mi> <mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub> <mi>t</mi> <mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub> <mi>t</mi> <mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>+</mo><msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi></msub> </mrow> <mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><msup> <mi>q</mi> <mi>i</mi></msup> </mrow> <mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>q</mi> </mrow></mfrac><mo>·</mo><msub> <mi>t</mi> <mn>1</mn></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>T为力触觉再现刷新频率的倒数；所述对称式板弹簧虚拟模型中每层的对称式单板弹簧变形量之和的叠加对外等效为虚拟柔性体表面的变形，其中，X为前M层所有的对称式单板弹簧产生的拉伸变形量之和，Xi为前M 1层中任意第i层的对称式单板弹簧产生的拉伸变形量，XM为变形截止层第M层产生的拉伸变形量，F为给定的虚拟接触拉力，P1为第一层的对称式单板弹簧的弹簧刚度。FSA00000292460100021.tif,FSA00000292460100033.tif
全文摘要
本发明公开了一种柔性力触觉再现的对称式板弹簧虚拟模型的建模方法，其特征是当检测到虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上任何一点时，在给定虚拟接触拉力作用下，虚拟代理与虚拟柔性体交互的局部区域内部填充对称式板弹簧虚拟模型，在交互过程中，输出反馈为采用对称式板弹簧虚拟模型计算出来的反应在拉力作用下柔性体实时变形仿真的力触觉信息的信号；对称式板弹簧虚拟模型中每层的对称式单板弹簧变形量之和的叠加对外等效为柔性体表面的变形，每层的对称式单板弹簧被拉伸时消耗的拉力之和等效为给定的虚拟接触拉力；该建模方法能实现对柔性体的实时变形仿真，力触觉感觉真实、变形效果逼真、满足虚拟现实系统对虚拟手术仿真的要求。
文档编号G06F19/00GK101976299SQ20101029928
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者叶小岭, 孙伟, 宋爱国, 张小娜, 张小瑞, 张颖超, 李佳璐, 陈刚 申请人:南京信息工程大学