一種支持增強(qiáng)力觸覺反饋的渦卷彈簧模型的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種支持增強(qiáng)力觸覺反饋的渦卷彈簧模型，所述渦卷彈簧模型由多個(gè)渦卷彈簧依次串接組成，在交互過程中，輸出回饋為采用渦卷彈簧模型計(jì)算出來的反應(yīng)在壓力作用下柔性體實(shí)時(shí)變形仿真的力觸覺信息的信號(hào)，該渦卷彈簧模型中所有層上產(chǎn)生壓縮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)明渦卷彈簧模型每層渦卷彈簧的壓縮變形量計(jì)算方法相同，計(jì)算簡(jiǎn)單，加快了壓縮變形計(jì)算的速度；通過調(diào)節(jié)渦卷彈簧第一層半徑，渦卷彈簧的節(jié)距和渦卷彈簧絲的直徑等，就可模擬不同類型的柔性體，適用性廣；可應(yīng)用于虛擬外科手術(shù)仿真、遙控操作機(jī)器人控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域。
【專利說明】一種支持增強(qiáng)力觸覺反饋的渦卷彈簧模型

【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】，尤其涉及一種支持增強(qiáng)力觸覺反饋的的渦卷彈 簧模型。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，我國(guó)在醫(yī)療衛(wèi)生方面也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。近幾年由于 外科手術(shù)發(fā)展的需要，我國(guó)在虛擬手術(shù)方面開展了大量的研究工作。虛擬手術(shù)是指醫(yī)生在 計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中進(jìn)行手術(shù)訓(xùn)練和手術(shù)規(guī)劃，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的一種重要應(yīng)用， 虛擬手術(shù)能夠模擬常見的手術(shù)操作過程，通過虛擬手術(shù)，醫(yī)生可在手術(shù)前對(duì)手術(shù)過程中涉 及到的人體柔性體進(jìn)行虛擬手術(shù)仿真，減小手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，獲得最好的手術(shù)效果。
[0003] 利用虛擬手術(shù)仿真，可大大減少所需的培訓(xùn)時(shí)間和昂貴的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。因此，作 為虛擬手術(shù)基礎(chǔ)的柔性體仿真技術(shù)成為當(dāng)前的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的熱點(diǎn)和前沿。
[0004] 目前基于物理意義的柔性體變形仿真力觸覺建模方法主要有5種：①?gòu)椈?質(zhì)點(diǎn) 建模方法具有簡(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有限元建模方法雖然較為準(zhǔn)確，但涉及大量繁雜的計(jì)算，實(shí)時(shí)交互 性能差。③Kim等人提出的形狀保持鏈建模方法具有實(shí)時(shí)性較好的優(yōu)點(diǎn)，但鏈元素是以剛 性體為假設(shè)的，精度不高。④邊界元建模方法雖對(duì)建模方法的邊界進(jìn)行離散，簡(jiǎn)化計(jì)算，但 在穩(wěn)定性方面卻存在一定的不足。⑤長(zhǎng)單元建模方法具有較高的力觸覺反饋刷新速度，求 解方便，但由于建模方法抽象度較高，因此計(jì)算精度較低。以上說明，這些常用的柔性體變 形物理建模方法均存在計(jì)算較為繁雜和仿真精度不高等問題，繼而影響了計(jì)算的實(shí)時(shí)性和 有效性。因此，在保證變形建模方法準(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 擬力觸覺交互系統(tǒng)亟待解決的首要問題。
[0005] 人機(jī)工程學(xué)的大量研究表明：人的力觸覺感知存在著信號(hào)與噪聲之間的協(xié)同行 為，即適量噪聲的加入會(huì)提高人的力觸覺感知能力，這主要原因是因?yàn)槿耸制つw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。根據(jù)這一原理，為了提高虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)力觸覺交互過程的穩(wěn)定性和感知 真實(shí)性，提出了一種基于疊加噪聲的增強(qiáng)力觸覺反饋的渦卷彈簧模型。
[0006] 現(xiàn)代隨機(jī)信號(hào)的大量研究表明：實(shí)際的觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理中，觀測(cè)誤差和動(dòng)力學(xué)模 型往往是具有一定時(shí)間相關(guān)或空間相關(guān)性的有色噪聲。因此我們加入適量的有色的狀態(tài)噪 聲，對(duì)于探索建模效果的真實(shí)性以及精確性的提高，有重要的意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種支持增強(qiáng)力觸覺 反饋的渦卷彈簧模型。
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案案是：
[0009] -種支持增強(qiáng)力觸覺反饋的渦卷彈簧模型，包括如下步驟：
[0010] 步驟1，對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行初始化；
[0011] 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程 中，反饋輸出有色狀態(tài)噪聲信號(hào)η (t)，其表達(dá)式為：
[0012]

【權(quán)利要求】
1. 一種支持增強(qiáng)力觸覺反饋的渦卷彈簧模型，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1，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程中，反 饋輸出有色狀態(tài)噪聲信號(hào)η (t)，其表達(dá)式為：
式中， 0(疒）、以(^)分別表示單位滯后算子cf1的多項(xiàng)式，其表達(dá)式分別為：
其中以為以乂乂皆是常數(shù)； ξ (t)是零均值白噪聲，t為時(shí)間； 步驟3,當(dāng)檢測(cè)到虛擬代理碰撞到虛擬柔性體表面上任何一點(diǎn)時(shí)，在給定虛擬外力F作 用下，虛擬代理與虛擬柔性體交互的局部區(qū)域內(nèi)部，填充支持力觸覺反饋的渦卷彈簧模型； 在交互過程中，虛擬柔性體產(chǎn)生實(shí)時(shí)變形力觸覺信息，該力觸覺信息與有色狀態(tài)噪聲信號(hào) 相加，作為反饋輸出信號(hào)；所述渦卷彈簧模型的建模建模步驟如下： 步驟3-1，建立空間直角坐標(biāo)系，確定柔性體表面上任意點(diǎn)處安放的渦卷彈簧模型，其 過程如下： 步驟3-1-1，建立空間直角坐標(biāo)系， 在給定虛擬外力F作用下，在柔性體表面任意點(diǎn)處安放一渦卷彈簧，在距離任意點(diǎn) Oi為r處，取渦卷彈簧第一層的一個(gè)外側(cè)點(diǎn)匕，即r為渦卷彈簧第一層的半徑，以任意點(diǎn) 為原點(diǎn)，射線所在方向?yàn)閄軸正方向，建立XYZ空間坐標(biāo)系； 步驟3-1-2,按層設(shè)置渦卷彈簧，渦卷彈簧任意兩層的間距均為d，渦卷彈簧每層彈簧 絲的直徑均為h ; 所述渦卷彈簧的總層數(shù)包含兩種，分別是奇數(shù)和偶數(shù)，令n = 1，2, 3……S，S為自然數(shù)； 則所述渦卷彈簧具體描述如下： A. 當(dāng)該渦卷彈簧總層數(shù)為奇數(shù)時(shí)，設(shè)層數(shù)為2n+l，在Z軸上等間距取2n+l個(gè)點(diǎn)，分別 為％ 02，…，〇i，…，02n，02n+1，間距為d ;以為圓心，設(shè)置渦卷彈簧第i層，且該渦卷彈簧第 i層的半徑為氏，其表達(dá)式如下：
B. 當(dāng)該渦卷彈簧總層數(shù)為偶數(shù)時(shí)，設(shè)層數(shù)為2n，則在Z軸上等間距取2n個(gè)點(diǎn)，分別為 Op 02，…，〇i，…，02lri，02n，間距為d ;以為圓心，設(shè)置渦卷彈簧第i層，且該渦卷彈簧第i 層的半徑為氏，其表達(dá)式如下：
其中，P是等差數(shù)列的公差，為實(shí)數(shù)； 渦卷彈簧每層的截面慣性矩均為
，渦卷彈簧各層的撓度值相同，撓度值為X'， 彈性模量E取決于柔性體的材質(zhì)，且柔性體的材質(zhì)均相同； 步驟3-2,確定渦卷彈簧任一層所消耗的外力， 假定給定虛擬外力F的作用線與渦卷彈簧中心線一致，且在給定虛擬外力F作用下， 如果渦卷彈簧共有前C層產(chǎn)生變形，則第C層稱為變形截止層；被拉伸或壓縮時(shí)，變形截止 層產(chǎn)生的變形量不大于撓度值Γ，渦卷彈簧前C-1層中，任意一層的變形量均等于撓度值 V 步驟3-2-1，確定渦卷彈簧前C-1層消耗的外力， 渦卷彈簧第一層消耗的外力匕為：
其中，I表示渦卷彈簧第一層的剛度系數(shù)； 除第一層和變形截止層第C層外，渦卷彈簧第i層消耗的外力匕為： I
其中，G表示該渦卷彈簧的切變模量，
步驟3-2-2,確定渦卷彈簧第一層和變形截止層第C層的剛度系數(shù)，分別表示為&和 K。；其表達(dá)式分別如下：
其中，Ip 1。分別為該渦卷彈簧第一層和變形截止層的工作長(zhǎng)度，其計(jì)算式分別如下：
步驟3-3,渦卷彈簧變形截止層產(chǎn)生拉伸或壓縮的變形量為X。，其計(jì)算公式為：
步驟3-4,將渦卷彈簧變形量相加，所得變形量之和X等效為虛擬柔性體表面的變形：
第ΟΙ為變形截止層 〇 第一層為變形截止層
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種支持增強(qiáng)力觸覺反饋的渦卷彈簧模型，其特征在于，步 驟2中，所述常數(shù)01、02、03、(：1、(： 2的取值分別為：
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種支持增強(qiáng)力觸覺反饋的渦卷彈簧模型，其特征在于，所 述渦卷彈簧產(chǎn)生拉伸或壓縮變形總計(jì)需要的時(shí)延時(shí)間不大于lms。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種支持增強(qiáng)力觸覺反饋的渦卷彈簧模型，其特征在于，所 有渦卷彈簧層數(shù)中，每層產(chǎn)生拉伸或壓縮變形需要的時(shí)延時(shí)間構(gòu)成等比數(shù)列，即滿足：
其中，h表示渦卷彈簧第i層產(chǎn)生拉伸或壓縮變形需要的時(shí)延時(shí)間，p為等比數(shù)列的公 t匕，h為渦卷彈簧第一層產(chǎn)生拉伸或壓縮變形需要的時(shí)延時(shí)間，
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種支持增強(qiáng)力觸覺反饋的渦卷彈簧模型，其 特征在于，在所述渦卷彈簧上任一層產(chǎn)生拉伸或壓縮變形達(dá)到給定的撓度值后，其下一層 才開始產(chǎn)生拉伸或壓縮變形。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104063540SQ201410256000
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】張小瑞, 黃昆, 孫偉, 宋愛國(guó), 牛建偉, 張小娜, 金炎 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)