一种用于力触觉人机交互的柔性物体变形仿真方法
【专利摘要】本发明提出一种用于力触觉人机交互的柔性物体变形仿真方法，基于等边三角形分割的弹簧质点模型，将柔性物体的变形视为由于作用力从局部区域内的表面质点逐层地、顺序地传播到组织内的各个质点，直至到达某预设的边界为止；并不需要对变形物体作整体考虑，而是有效地将计算资源集中投入到局部区域里的质点。本方法的计算只涉及柔性物体表面的局部区域内的质点，变形区域由接触力决定，分割精度可以根据准确性要求调整，不仅大大简化了计算量，加快了变形计算的速度，且调整灵活，适用范围广泛，可应用于具有各向同性的柔性物体在平稳接触下的变形情况，例如虚拟外科手术仿真、遥操作机器人控制等虚拟现实人机交互领域。
【专利说明】一种用于力触觉人机交互的柔性物体变形仿真方法
【技术领域】
[0001]本发明属于柔性触觉交互【技术领域】，涉及一种柔性物体变形仿真方法，尤其是涉及一种用于力触觉人机交互的，基于等边三角形分割的弹簧质点模型的柔性物体变形仿真方法。
【背景技术】
[0002]柔性触觉交互技术是虚拟现实技术在触觉再现上的一个重要应用，通过计算机构成虚拟的三维空间，将现实环境复制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在多种感官上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。某些专用的交互设备可以将人的操作动作转换成为虚拟现实系统能够识别的指令序列，同时该设备可以使人能够感受到虚拟环境提供的反馈。当人与虚拟环境交互时，将图形显示和触觉显示结合起来，使操作者不但能通过眼睛观察到虚拟场景的视觉信息，还可以通过手或者相关工具对真实环境进行操作，而且还可以感受得到来自真实环境的反作用力，可以极大增强操作者身临其境的感受。
[0003]在柔性触觉交互系统中，操作者通过该系统可以触摸虚拟环境中的虚拟物体，感知虚拟物体的柔性、刚度、表面纹理等触觉特性。该技术的应用范围非常广泛，目前在娱乐、教育、艺术、军事、航空、医学、机器人等多方面有着相当广泛的应用。
[0004]模拟物体变形技术主要有两个方面，基于几何模型和基于物理模型技术。由于基于几何模型方法很难模拟复杂的物体受力变形，所以基于物理模型的模拟物体变形技术受到越来越多的研究者的关注。目前应用于物体的物理变形模型方法主要有质点-弹簧模型和有限单元模型。
[0005]在经典的质点-弹簧模型中，整个物体被模拟成一个由大量质点和弹簧组成的系统，一般每个质点都和其邻域中的至少8个邻点用弹簧相连。进行变形计算时，要对系统中所有的质点建立动力学偏微分方程。对这些偏微分方程，一般采用经典的欧拉方法、龙格-库塔或共轭梯度法求解。求解过程需要迭代多次才能收敛到平衡状态。尽管和有限元方法相比计算量小的多，但是这种方法也存在如下缺点:
[0006]首先，由于模型是由不连续的拉格朗日方程得来，这个决定系统动态特性的微分方程必须满足一些特殊条件，才能避免在求数值解时失稳。
[0007]其次，存在力的到达深度不受限制的问题。力的到达深度是指在质点一弹簧模型中，由应力引起的变形过程:力首先由中心质点通过弹簧传播到邻近的质点，再由这些邻近的质点进一步传播至更远的和他们相邻的质点。一般的算法没有对弹簧的弹性力的传播深度做限制，即认为接触力影响的范围是所有的质点，因而要对所有的质点建立拉格朗日力学方程。但是实际作用力能够影响受力变形范围是有限的。所以对于那些势能无限趋近于零的弹簧质点就没有计算的必要。
[0008]再者，由于网格的拓扑结构很大程度上决定了系统的行为，若拓扑结构设计不合理就会导致失真。具体建立某个物体模型时，需要根据物体的材料来确定所采用的弹簧参数。但这些参数一般很难从物体材料的特性参数中直接得到，如果参数值选取不合适就会导致较大的误差，而且一些材料的属性也无法在模型中得到自然的表达；要达到相同的计算精度，弹簧质点模型需要比其它模型更细密的网格分割，这使得计算量大大增加，目前的趋势是采用细节层次技术来减少要处理的质点数，但不同层次的模型还存在动态衔接问题；在动态弹簧质点系统中，刚度K与计算所需的时间步长成反比，即若物体的刚度大则计算所需的时间步长就要减小。
【发明内容】
[0009]针对弹簧质点模型存在缺乏力的作用深度限制以及精确性和实时性难于控制的问题，本发明提出一种用于力触觉人机交互的柔性物体变形仿真方法，该仿真方法基于等边三角形分割的弹簧质点模型，能准确快速的计算变形量和力反馈，实现对柔性物体的实时变形仿真，从而提高虚拟力触觉交互的逼真度。
[0010]为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0011]一种用于力触觉人机交互的柔性物体变形仿真方法，包括如下步骤:
[0012]步骤I对虚拟场景进行初始化；
[0013]步骤2检测虚拟手和虚拟物体是否接触，当检测到虚拟手和虚拟物体接触式,从力触觉人机交互装置获得接触力；
[0014]步骤3根据步骤2中获得的接触力，基于等边三角形分割的弹簧质点模型计算虚拟物体的变形和力反馈，所述基于等边三角形分割的弹簧质点模型建立方法为:
[0015](I)以接触点为中心，把整个柔性物体分割成一系列均匀的同心等边三角形，边长依次为a, 2a, 3a......;每圈均匀分`布有6个离散的由弹簧相连的质点；
[0016](2)假设对X正方向的弹簧质点，匕是作用力f在垂直方向上作用力分量，对于各向同性的情况，fz = f/6 ；
[0017]在作用点中心，根据受力平衡关系有:
[0018]fz = kN1 Δ Z^k11 Δ BiSin θ χ = fN1+fT1sin Q1 (I)
[0019]对于第η个质点有:
【权利要求】
1.一种用于力触觉人机交互的柔性物体变形仿真方法，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检测虚拟手和虚拟物体是否接触，当检测到虚拟手和虚拟物体接触式，从力触觉人机交互装置获得接触力； 步骤3根据步骤2中获得的接触力，基于等边三角形分割的弹簧质点模型计算虚拟物体的变形和力反馈，所述基于等边三角形分割的弹簧质点模型建立方法为: (O以接触点为中心，把整个柔性物体分割成一系列均匀的同心等边三角形，边长依次为a, 2a, 3a......;每圈均匀分布有6个离散的由弹簧相连的质点； (2)假设对X正方向的弹簧质点，fz是作用力f在垂直方向上作用力分量，对于各向同性的情况，fz = f/6 ； 在作用点中心，根据受力平衡关系有:
fz = kN1 Δ Z^k11 Δ ajsin Θ j = fN1+fT1sin Q1 (I) 对于第n个质点有:
2.根据权利要求1所述的用于力触觉人机交互的柔性物体变形仿真方法,其特征在于:所述β取值为4.0，受力中心点的切向弹簧的变形率S1取值为0.3，lm/a取值为1/57.3。
【文档编号】G06F17/50GK103869983SQ201410114203
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月26日 优先权日:2014年3月26日
【发明者】刘佳, 郑勇, 偰冬慧, 苏毅 申请人:南京信息工程大学