一种模拟柔性体可旋转变形的发条弹簧模型的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种模拟柔性体可旋转变形的发条弹簧模型，所述发条弹簧模型由多个发条弹簧依次串接组成，在交互过程中，输出回馈为采用发条弹簧模型计算出来的反应在扭矩作用下柔性体实时变形仿真的力触觉信息的信号，该发条弹簧模型中所有圈上产生扭转变形量之和的叠加对外等效为柔性体表面的变形。本发明发条弹簧模型每圈发条弹簧的扭转变形量计算方法相同，计算简单，加快了扭转变形计算的速度；通过调节发条弹簧可旋转芯轴半径，发条弹簧的厚度和悬挂截面宽度，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】一种模拟柔性体可旋转变形的发条弹簧模型
【技术领域】
[0001]本发明属于计算机仿真【技术领域】，尤其涉及一种模拟柔性体可旋转变形的发条弹簧模型。
【背景技术】
[0002]虚拟手术仿真是虚拟现实技术在现代手术训练中的重要应用，主要由医学数据可视化与建模、人体软组织器官受力、扭矩形变仿真构成，在视觉与触觉感官上为用户提供了手术场景的真实再现。与传统手术训练相比，虚拟手术可以模拟活体组织的各种物理及生理特性，极大地改善了手术训练的效果；同时还可以根据医生的需要提供不同的可以反复利用的实验对象，大大降低了外科医生手术训练的成本。
[0003]人体柔性体形变是虚拟手术仿真的关键技术。目前，主要有质点-弹簧模型、有限元模型、边界元模型等形变模型。弹簧-质点建模方法具有简单易行、计算量较小、易于实现等优点，但存在拓扑分析困难等弊端。有限元建模方法虽然可对物体的形变进行精确和定量的模拟，但涉及大量繁杂的计算，实时交互性能差。边界元建模方法虽对建模方法的边界进行离散，简化了计算，但在稳定性方面却存在一定的不足。以上说明，这些常用的柔性体变形物理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。因此，建立精确高效的虚拟柔性体变形仿真的力触觉建模方法，已成为当前虚拟力触觉交互系统亟待解决的首要问题。
[0004]鉴于上述问题，为了虚拟手术仿真过程中，视觉和力触觉的有机结合使虚拟仿真更加真实、可信，提出了一种模拟柔性体可旋转变形仿真的发条弹簧模型。
【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，提供一种模拟柔性体可旋转变形的发条弹簧模型。
[0006]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:
[0007]一种模拟柔性体可旋转变形的发条弹簧模型，包括如下步骤:
[0008]步骤1，建立空间直角坐标系，确定柔性体表面上任意点处安放的发条弹簧，其过程如下:
[0009]步骤1.1，建立空间直角坐标系，
[0010]在给定扭矩M作用下，在柔性体表面任意点O处安放一发条弹簧，在距离任意点O为r处设置一发条弹簧可旋转芯轴外侧点Atl,即r为发条弹簧可旋转芯轴半径，以任意点O为原点，射线OAtl所在方向为X轴正方向，建立XYZ空间坐标系；
[0011]步骤1.2，按圈设置发条弹簧，
[0012]其中，在第1-Ι圈发条弹簧外侧Aixi点，悬挂厚度为hehja-l) d的第i圈发条弹簧，其中hi为第I圈发条弹簧的厚度，d为给定的常数且d>0，即第i圈发条弹簧以原点0(0,0,0)为圆心，以尺
【权利要求】
1.一种模拟柔性体可旋转变形的发条弹簧模型，其特征在于，包括如下步骤:步骤1，建立空间直角坐标系，确定柔性体表面上任意点处安放的发条弹簧，其过程如下:步骤1.1，建立空间直角坐标系，在给定扭矩Μ作用下，在柔性体表面任意点0处安放一发条弹簧，在距离任意点0为r处设置一发条弹簧可旋转芯轴外侧点A0，即r为发条弹簧可旋转芯轴半径，以任意点0为原点，射线OA0所在方向为X轴正方向，建立XYZ空间坐标系；步骤1.2，按圈设置发条弹簧，其中，在第i_l圈发条弹簧外侧Ah点，悬挂厚度为hehi+a-Dd的第i圈发条弹簧，其中4为第1圈发条弹簧的厚度，d为给定的常数且d>0，即第i圈发条弹簧是以原点0(0，0，0)为圆心，以
2.根据权利要求1所述的一种模拟柔性体可旋转变形的发条弹簧模型，其特征在于，所述前P圈发条弹簧产生扭转变形总计需要的时延时间不大于1ms。
3.根据权利要求1所述的一种模拟柔性体可旋转变形的发条弹簧模型，其特征在于，所有发条弹簧中，每圈产生扭转变形需要的时延时间构成等比数列，即满足: 其中，\表示第i圈发条弹簧产生扭转变形需要的时延时间，q为等比数列的公比，&为第1圈发条弹簧产生扭转变形需要的时延时间，1≤ i≤P.
4.根据权利要求1或2或3所述的一种模拟柔性体可旋转变形的发条弹簧模型，其特征在于，所述发条弹簧模型，在任一圈发条弹簧上任意一点消耗的扭转力达到最大扭转力后，其下一圈开始产生扭转变形。
【文档编号】G06F17/50GK103714205SQ201310713728
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月23日 优先权日:2013年12月23日
【发明者】张小瑞, 朱建栋, 孙伟, 宋爱国, 牛建伟, 杨松, 朱哲夫 申请人:南京信息工程大学