一種用于力觸覺人機(jī)交互的柔性物體變形仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種用于力觸覺人機(jī)交互的柔性物體變形仿真方法，基于等邊三角形分割的彈簧質(zhì)點(diǎn)模型，將柔性物體的變形視為由于作用力從局部區(qū)域內(nèi)的表面質(zhì)點(diǎn)逐層地、順序地傳播到組織內(nèi)的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)，直至到達(dá)某預(yù)設(shè)的邊界為止；并不需要對變形物體作整體考慮，而是有效地將計(jì)算資源集中投入到局部區(qū)域里的質(zhì)點(diǎn)。本方法的計(jì)算只涉及柔性物體表面的局部區(qū)域內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)，變形區(qū)域由接觸力決定，分割精度可以根據(jù)準(zhǔn)確性要求調(diào)整，不僅大大簡化了計(jì)算量，加快了變形計(jì)算的速度，且調(diào)整靈活，適用范圍廣泛，可應(yīng)用于具有各向同性的柔性物體在平穩(wěn)接觸下的變形情況，例如虛擬外科手術(shù)仿真、遙操作機(jī)器人控制等虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互領(lǐng)域。
【專利說明】一種用于力觸覺人機(jī)交互的柔性物體變形仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于柔性觸覺交互【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種柔性物體變形仿真方法，尤其是涉及一種用于力觸覺人機(jī)交互的，基于等邊三角形分割的彈簧質(zhì)點(diǎn)模型的柔性物體變形仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002]柔性觸覺交互技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在觸覺再現(xiàn)上的一個(gè)重要應(yīng)用，通過計(jì)算機(jī)構(gòu)成虛擬的三維空間，將現(xiàn)實(shí)環(huán)境復(fù)制到計(jì)算機(jī)中去產(chǎn)生逼真的“虛擬環(huán)境”，從而使得用戶在多種感官上產(chǎn)生一種沉浸于虛擬環(huán)境的感覺。某些專用的交互設(shè)備可以將人的操作動作轉(zhuǎn)換成為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠識別的指令序列，同時(shí)該設(shè)備可以使人能夠感受到虛擬環(huán)境提供的反饋。當(dāng)人與虛擬環(huán)境交互時(shí)，將圖形顯示和觸覺顯示結(jié)合起來，使操作者不但能通過眼睛觀察到虛擬場景的視覺信息，還可以通過手或者相關(guān)工具對真實(shí)環(huán)境進(jìn)行操作，而且還可以感受得到來自真實(shí)環(huán)境的反作用力，可以極大增強(qiáng)操作者身臨其境的感受。
[0003]在柔性觸覺交互系統(tǒng)中，操作者通過該系統(tǒng)可以觸摸虛擬環(huán)境中的虛擬物體，感知虛擬物體的柔性、剛度、表面紋理等觸覺特性。該技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛，目前在娛樂、教育、藝術(shù)、軍事、航空、醫(yī)學(xué)、機(jī)器人等多方面有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。
[0004]模擬物體變形技術(shù)主要有兩個(gè)方面，基于幾何模型和基于物理模型技術(shù)。由于基于幾何模型方法很難模擬復(fù)雜的物體受力變形，所以基于物理模型的模擬物體變形技術(shù)受到越來越多的研究者的關(guān)注。目前應(yīng)用于物體的物理變形模型方法主要有質(zhì)點(diǎn)-彈簧模型和有限單元模型。
[0005]在經(jīng)典的質(zhì)點(diǎn)-彈簧模型中，整個(gè)物體被模擬成一個(gè)由大量質(zhì)點(diǎn)和彈簧組成的系統(tǒng)，一般每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都和其鄰域中的至少8個(gè)鄰點(diǎn)用彈簧相連。進(jìn)行變形計(jì)算時(shí)，要對系統(tǒng)中所有的質(zhì)點(diǎn)建立動力學(xué)偏微分方程。對這些偏微分方程，一般采用經(jīng)典的歐拉方法、龍格-庫塔或共軛梯度法求解。求解過程需要迭代多次才能收斂到平衡狀態(tài)。盡管和有限元方法相比計(jì)算量小的多，但是這種方法也存在如下缺點(diǎn):
[0006]首先，由于模型是由不連續(xù)的拉格朗日方程得來，這個(gè)決定系統(tǒng)動態(tài)特性的微分方程必須滿足一些特殊條件，才能避免在求數(shù)值解時(shí)失穩(wěn)。
[0007]其次，存在力的到達(dá)深度不受限制的問題。力的到達(dá)深度是指在質(zhì)點(diǎn)一彈簧模型中，由應(yīng)力引起的變形過程:力首先由中心質(zhì)點(diǎn)通過彈簧傳播到鄰近的質(zhì)點(diǎn)，再由這些鄰近的質(zhì)點(diǎn)進(jìn)一步傳播至更遠(yuǎn)的和他們相鄰的質(zhì)點(diǎn)。一般的算法沒有對彈簧的彈性力的傳播深度做限制，即認(rèn)為接觸力影響的范圍是所有的質(zhì)點(diǎn)，因而要對所有的質(zhì)點(diǎn)建立拉格朗日力學(xué)方程。但是實(shí)際作用力能夠影響受力變形范圍是有限的。所以對于那些勢能無限趨近于零的彈簧質(zhì)點(diǎn)就沒有計(jì)算的必要。
[0008]再者，由于網(wǎng)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很大程度上決定了系統(tǒng)的行為，若拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理就會導(dǎo)致失真。具體建立某個(gè)物體模型時(shí)，需要根據(jù)物體的材料來確定所采用的彈簧參數(shù)。但這些參數(shù)一般很難從物體材料的特性參數(shù)中直接得到，如果參數(shù)值選取不合適就會導(dǎo)致較大的誤差，而且一些材料的屬性也無法在模型中得到自然的表達(dá)；要達(dá)到相同的計(jì)算精度，彈簧質(zhì)點(diǎn)模型需要比其它模型更細(xì)密的網(wǎng)格分割，這使得計(jì)算量大大增加，目前的趨勢是采用細(xì)節(jié)層次技術(shù)來減少要處理的質(zhì)點(diǎn)數(shù)，但不同層次的模型還存在動態(tài)銜接問題；在動態(tài)彈簧質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)中，剛度K與計(jì)算所需的時(shí)間步長成反比，即若物體的剛度大則計(jì)算所需的時(shí)間步長就要減小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對彈簧質(zhì)點(diǎn)模型存在缺乏力的作用深度限制以及精確性和實(shí)時(shí)性難于控制的問題，本發(fā)明提出一種用于力觸覺人機(jī)交互的柔性物體變形仿真方法，該仿真方法基于等邊三角形分割的彈簧質(zhì)點(diǎn)模型，能準(zhǔn)確快速的計(jì)算變形量和力反饋，實(shí)現(xiàn)對柔性物體的實(shí)時(shí)變形仿真，從而提高虛擬力觸覺交互的逼真度。
[0010]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0011]一種用于力觸覺人機(jī)交互的柔性物體變形仿真方法，包括如下步驟:
[0012]步驟I對虛擬場景進(jìn)行初始化；
[0013]步驟2檢測虛擬手和虛擬物體是否接觸，當(dāng)檢測到虛擬手和虛擬物體接觸式,從力觸覺人機(jī)交互裝置獲得接觸力；
[0014]步驟3根據(jù)步驟2中獲得的接觸力，基于等邊三角形分割的彈簧質(zhì)點(diǎn)模型計(jì)算虛擬物體的變形和力反饋，所述基于等邊三角形分割的彈簧質(zhì)點(diǎn)模型建立方法為:
[0015](I)以接觸點(diǎn)為中心，把整個(gè)柔性物體分割成一系列均勻的同心等邊三角形，邊長依次為a, 2a, 3a......;每圈均勻分`布有6個(gè)離散的由彈簧相連的質(zhì)點(diǎn)；
[0016](2)假設(shè)對X正方向的彈簧質(zhì)點(diǎn)，匕是作用力f在垂直方向上作用力分量，對于各向同性的情況，fz = f/6 ；
[0017]在作用點(diǎn)中心，根據(jù)受力平衡關(guān)系有:
[0018]fz = kN1 Δ Z^k11 Δ BiSin θ χ = fN1+fT1sin Q1 (I)
[0019]對于第η個(gè)質(zhì)點(diǎn)有:
【權(quán)利要求】
1.一種用于力觸覺人機(jī)交互的柔性物體變形仿真方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟I對虛擬場景進(jìn)行初始化； 步驟2檢測虛擬手和虛擬物體是否接觸，當(dāng)檢測到虛擬手和虛擬物體接觸式，從力觸覺人機(jī)交互裝置獲得接觸力； 步驟3根據(jù)步驟2中獲得的接觸力，基于等邊三角形分割的彈簧質(zhì)點(diǎn)模型計(jì)算虛擬物體的變形和力反饋，所述基于等邊三角形分割的彈簧質(zhì)點(diǎn)模型建立方法為: (O以接觸點(diǎn)為中心，把整個(gè)柔性物體分割成一系列均勻的同心等邊三角形，邊長依次為a, 2a, 3a......;每圈均勻分布有6個(gè)離散的由彈簧相連的質(zhì)點(diǎn)； (2)假設(shè)對X正方向的彈簧質(zhì)點(diǎn)，fz是作用力f在垂直方向上作用力分量，對于各向同性的情況，fz = f/6 ； 在作用點(diǎn)中心，根據(jù)受力平衡關(guān)系有:
fz = kN1 Δ Z^k11 Δ ajsin Θ j = fN1+fT1sin Q1 (I) 對于第n個(gè)質(zhì)點(diǎn)有:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于力觸覺人機(jī)交互的柔性物體變形仿真方法,其特征在于:所述β取值為4.0，受力中心點(diǎn)的切向彈簧的變形率S1取值為0.3，lm/a取值為1/57.3。
【文檔編號】G06F17/50GK103869983SQ201410114203
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】劉佳, 鄭勇, 偰冬慧, 蘇毅 申請人:南京信息工程大學(xué)