一種增強(qiáng)模擬柔性體可旋轉(zhuǎn)變形的發(fā)條彈簧模型的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種增強(qiáng)模擬柔性體可旋轉(zhuǎn)變形的發(fā)條彈簧模型，其特征是虛擬代理未碰撞到虛擬柔性體之前，僅反饋輸出熱噪聲信號(hào)和1/f噪聲信號(hào)兩部分組成的增強(qiáng)噪聲信號(hào)。而交互過(guò)程中，反饋輸出符合人體對(duì)刺激反應(yīng)規(guī)律的熱噪聲信號(hào)和1/f噪聲信號(hào)，與采用可旋轉(zhuǎn)變形的發(fā)條彈簧模型計(jì)算出來(lái)的反應(yīng)在給定扭矩作用下，虛擬柔性體實(shí)時(shí)變形仿真的力觸覺(jué)信息，兩者疊加在一起的信號(hào)，該發(fā)條彈簧模型中所有圈上產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形量之和的疊加對(duì)外等效為柔性體表面的變形。本發(fā)明計(jì)算簡(jiǎn)單，加快了扭轉(zhuǎn)變形計(jì)算的速度；通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)條彈簧可旋轉(zhuǎn)芯軸半徑等參數(shù)，就可模擬不同柔性體；加入增強(qiáng)噪聲信號(hào)，可提高交互的沉浸感和真實(shí)感。
【專利說(shuō)明】一種增強(qiáng)模擬柔性體可旋轉(zhuǎn)變形的發(fā)條彈簧模型
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)仿真【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種增強(qiáng)模擬柔性體可旋轉(zhuǎn)變形的發(fā)條彈簧模型。
【背景技術(shù)】
[0002]虛擬手術(shù)仿真是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在現(xiàn)代化手術(shù)訓(xùn)練中的重要應(yīng)用，主要由醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)可視化與建模，人體柔性體器官受力形變仿真兩部分構(gòu)成，在視覺(jué)和力觸覺(jué)器官上為用戶提供手術(shù)場(chǎng)景的真時(shí)再現(xiàn)。與傳統(tǒng)手術(shù)相比，虛擬手術(shù)可以最大性能模擬出真實(shí)柔性體的各種物理特性，同時(shí)還可以根據(jù)醫(yī)生的需要提供可以反復(fù)利用的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，大大降低外科手術(shù)訓(xùn)練成本。
[0003]針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互的基于物理意思的柔性體變形仿真的力觸覺(jué)模型已成為當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究的前沿和熱點(diǎn)。目前基于物理意義的柔性體變形仿真力觸覺(jué)模型主要有3種:①?gòu)椈?質(zhì)點(diǎn)模型具有簡(jiǎn)單易行、計(jì)算量較小、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但精度和穩(wěn)定性有限，另外還存在拓?fù)浞治隼щy等弊端。②有限元模型雖然較為準(zhǔn)確，但涉及大量繁雜的計(jì)算，實(shí)時(shí)交互性能差。③邊界元模型雖對(duì)模型的邊界進(jìn)行離散，簡(jiǎn)化了計(jì)算，但在穩(wěn)定性方面卻存在一定的不足。以上說(shuō)明，這些常用的柔性體變形物理模型均存在計(jì)算較為繁雜和仿真精度不高等問(wèn)題，繼而影響了計(jì)算的實(shí)時(shí)性和有效性。因此，在保證變形模型準(zhǔn)確性的同時(shí)，簡(jiǎn)化算法，提高計(jì)算的實(shí)時(shí)性是當(dāng)前虛擬力觸覺(jué)交互系統(tǒng)亟待解決的首要問(wèn)題。
[0004]人機(jī)工程學(xué)的研究表明:人的力觸覺(jué)感知存在著信號(hào)與噪聲之間的協(xié)同行為，即適量噪聲的加入會(huì)提高人的力觸覺(jué)感知能力，其主要原因是人手皮膚對(duì)一個(gè)持續(xù)作用力具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，而對(duì)噪聲信號(hào)比較敏感，所以當(dāng)加入合適的噪聲信號(hào)，會(huì)產(chǎn)生比較真實(shí)的感覺(jué)。
[0005]最新的大量實(shí)驗(yàn)表明:不同的隨機(jī)模擬聲音譜的醫(yī)療效果不同，發(fā)現(xiàn)白噪聲由于太沒(méi)有規(guī)律，會(huì)使病人產(chǎn)生恐懼感；而熱噪聲的功率譜符合人體對(duì)刺激的反應(yīng)規(guī)律，使人在接受刺激的過(guò)程中不感到恐懼和緊張，Ι/f噪聲反而會(huì)有輕松甚至甜美的感覺(jué)，它可以從某種程度上減輕患者的痛苦，甚至在噪聲停止相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍能保持一定的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種增強(qiáng)模擬柔性體可旋轉(zhuǎn)變形的發(fā)條彈簧模型。本發(fā)明模型為了提高手術(shù)仿真過(guò)程中，力觸覺(jué)交互的穩(wěn)定性和感知真實(shí)性，在可旋轉(zhuǎn)變形的發(fā)條彈簧模型的基礎(chǔ)上，加入熱噪聲信號(hào)和Ι/f噪聲信號(hào)兩部分組成的增強(qiáng)噪聲信號(hào)。
[0007]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0008]一種增強(qiáng)模擬柔性體可旋轉(zhuǎn)變形的發(fā)條彈簧模型，包括如下步驟:
[0009]步驟I，對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行初始化；
[0010]步驟2，當(dāng)檢測(cè)到虛擬代理碰撞到虛擬柔性體之前，即在靠近虛擬柔性體的過(guò)程中，反饋輸出一種增強(qiáng)噪聲信號(hào)，其由熱噪聲信號(hào)和Ι/f噪聲信號(hào)兩部分組成，表示為:
[0011]
【權(quán)利要求】
1.一種增強(qiáng)模擬柔性體可旋轉(zhuǎn)變形的發(fā)條彈簧模型，其特征在于，包括如下步驟: 步驟I，對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行初始化； 步驟2，在檢測(cè)到虛擬代理碰撞到虛擬柔性體之前，即在靠近虛擬柔性體的過(guò)程中，反饋輸出一種增強(qiáng)噪聲信號(hào)，其由熱噪聲信號(hào)和Ι/f噪聲信號(hào)兩部分組成，表示為:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增強(qiáng)模擬柔性體可旋轉(zhuǎn)變形的發(fā)條彈簧模型，其特征在于，所述前P圈發(fā)條彈簧產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形總計(jì)需要的時(shí)延時(shí)間不大于lrns。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增強(qiáng)模擬柔性體可旋轉(zhuǎn)變形的發(fā)條彈簧模型，其特征在于，所有發(fā)條彈簧中，每圈產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形需要的時(shí)延時(shí)間構(gòu)成等比數(shù)列，即滿足:
(7) 其中，\表示第i圈發(fā)條彈簧產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形需要的時(shí)延時(shí)間，q為等比數(shù)列的公比，h為第I圈發(fā)條彈簧產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形需要的時(shí)延時(shí)間，I ^ i
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種增強(qiáng)模擬柔性體可旋轉(zhuǎn)變形的發(fā)條彈簧模型，其特征在于，所述發(fā)條彈簧模型，在任一圈發(fā)條彈簧上任意一點(diǎn)消耗的扭轉(zhuǎn)力達(dá)到最大扭轉(zhuǎn)力后，其下一圈開(kāi)始產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103699741SQ201310715091
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】張小瑞, 楊松, 孫偉, 宋愛(ài)國(guó), 牛建偉, 朱建棟, 沈舒豪 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)