支持实时按压的柔性体变形仿真建模方法技术

本发明专利技术公开了一种支持实时按压的柔性体变形仿真建模方法，包括以下步骤：虚拟场景初始化；位置检测，当虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上的任意点时，给定虚拟接触压力作用；利用不同厚度的碟形弹簧叠合成组合弹簧虚拟模型来填充虚拟代理与虚拟柔性体交互的局部区域内部；利用组合弹簧虚拟模型计算虚拟柔性体局部区域变形量；图形刷新，不断反馈输出力触觉信息，可以被用于虚拟人机交互的虚拟柔性体实时变形仿真过程中。该建模方法计算简单，能准确快速的计算变形量，实现对柔性体的实时变形仿真；反馈给操作者的力触觉信息真实，软组织形变逼真，人机交互过程自然。

Flexible body deformation simulation modeling method supporting real-time compression

The invention discloses a flexible body to support real-time compression deformation simulation modeling method, which comprises the following steps: virtual scene initialization; position detection, when the virtual agent collision to virtual flexible body on the surface of an arbitrary point, given the virtual contact pressure; internal local area to fill the virtual agent and virtual flexible body interaction using the dish spring superposition combined spring virtual model with different thickness of the composite spring; using the virtual model to calculate the virtual flexible body local deformation; graphic refresh, continuous output force feedback haptic information, can be used for virtual flexible body deformation real-time human-computer interaction in virtual simulation process. This modeling method is simple, accurate and quick to calculate the deformation and the real-time simulation of the deformation of the flexible body; tactile feedback to the operator of the soft tissue deformation information is true, vivid, natural human-computer interaction process.

【技术实现步骤摘要】
支持实时按压的柔性体变形仿真建模方法
本专利技术涉及一种力触觉建模方法，尤其涉及一种用于实时变形仿真的，支持实时按压的柔性体变形仿真建模方法。
技术介绍
研究表明：医学临床上近80％的手术失误是由人为因素引起的，因此手术训练尤为重要。然而传统培训中，真实手术训练模式由于成本高、风险大，易导致医疗事故发生。采用尸体、动物或模型等实物对象的手术培训，很难达到实际手术训练所应有的效果，而虚拟手术仿真系统能够有效地解决上述培训方式存在的问题，在医疗培训中正逐步占据主要地位。虚拟力触觉交互过程中，柔性体变形仿真建模方法是虚拟手术仿真的关键。目前常用的基于物理意义的柔性体变形仿真建模方法中，弹簧-质点具有建模简单、计算复杂程度低等优点，但该模型精度有限，且在变形较大时易失真。有限元可构造出较为精确的模型，但计算相对复杂，当网络节点数多时，交互性差。基于球面调和函数的建模方法具有预测功能，能很好地表达柔性体的表面轮廓及细节部分，但所能表达的几何复杂性有一定限制，且运行耗时较长。层状菱形链连接提高了建模计算速度，保证了变形效果的逼真性，但对边界上各个质点的变形量未进行深入分析。光滑粒子流(SPH)具有计算简单，易实现，实时性高等优点，能够满足柔性体大范围形变，但存在稳定性低，粘弹性差等问题。因此，研究具有良好交互性和真实感的柔性体变形仿真建模方法将直接关系到虚拟手术系统应用价值的提升。
技术实现思路
鉴于上述问题，为了使虚拟手术仿真过程中，力触觉人机交互过程更加符合人们自身的习惯，提高交互的沉浸感和真实感，本专利技术提出了支持实时按压的柔性体变形仿真建模方法，在准确地表达柔性体、增强虚拟环境沉浸感的同时，大大提高了虚拟环境中交互的实时性。实现上述技术目的，达到上述技术效果，本专利技术通过以下技术方案实现：支持实时按压的柔性体变形仿真建模方法，包括以下步骤：步骤一、虚拟场景初始化；步骤二、位置检测，当虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上的任意点时，给定虚拟接触压力；步骤三、利用不同厚度的碟形弹簧叠合成组合弹簧虚拟模型来模拟虚拟代理与虚拟柔性体交互的局部区域的内部；步骤四、利用组合弹簧虚拟模型计算虚拟柔性体的局部区域变形量；步骤五、图形刷新，不断反馈输出力触觉信息，完成支持实时按压的柔性体变形仿真建模。进一步地，所述步骤三具体为：在给定虚拟接触压力F作用下，当虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上的任意点时，在碰撞点处悬挂一外径为D、内径为d、厚度为t1、自由高度为H01、被压平时的最大变形量为h0、弹簧刚度为k1的单片碟形弹簧，形成第一层；在第一层的单片碟形弹簧下，同方向设置一外径为D、内径为d、厚度为t2、自由高度为H02、被压平时的最大变形量为h0、弹簧刚度为k2的单片碟形弹簧，形成第二层；在第二层的单片碟形弹簧下，同方向设置一外径为D、内径为d、厚度为t3、自由高度为H03、被压平时的最大变形量为h0、弹簧刚度为k3的单片碟形弹簧，形成第三层，依此类推，在第i层的单片碟形弹簧下，同方向设置一外径为D、内径为d、厚度为ti、自由高度为H0i、被压平时的最大变形量为h0、弹簧刚度为ki的单片碟形弹簧，形成第i+1层，i＝1,2,3,...,N，N为自然数，最终形成组合弹簧虚拟模型；各层单片碟形弹簧的外径、内径、被压平时的最大变形量均相同，且从上至下每一层单片碟形弹簧厚度是前一层单片碟形弹簧厚度的一半。进一步地，所述步骤四具体为：假定给定虚拟接触压力F的作用线和与组合弹簧中心线一致，且在给定虚拟接触压力F作用下，当柔性体中共有M层单片碟形弹簧产生变形，则第M层称为变形截止层；当给定虚拟接触压力F能使第一层单片碟形弹簧被压缩时产生的变形量h1达到h0时，假定前M-1层单片碟形弹簧被压缩时产生的变形量均与第一层单片碟形弹簧被压平时的最大变形量h0相同，变形截止层第M层单片碟形弹簧被压缩时产生的变形量小于或者等于第一层单片碟形弹簧被压平时的最大变形量h0，则第一层单片碟形弹簧消耗的压力F1为：其中，k1表示第一层单片碟形弹簧的弹簧刚度，h0表示第一层单片碟形弹簧被压平时的最大变形量；第一层单片碟形弹簧的弹簧刚度k1为：其中，E、t1、μ、α、D分别为弹性模量、第一层单片碟形弹簧的厚度、泊松比、计算系数、单片碟形弹簧的外径，其中，弹性模量、泊松比的具体数值与柔性体的材质有关；计算系数α为：C为外径和内径之比：第一层单片碟形弹簧被压平时的最大变形量h0为：h0＝H01-t1其中H01、t1分别为：第一层单片碟形弹簧的自由高度、厚度；第i层单片碟形弹簧被压平时的最大变形量为：其中H0i、ti分别为：第i层单片碟形弹簧的自由高度、厚度，除第一层和变形截止层第M层外，其余各层单片碟形弹簧消耗的压力Fj为：Fj＝kjh0j的取值范围为[2,M-1]，第j层单片碟形弹簧的弹簧刚度kj为：其中，tj为第j层单片碟形弹簧的厚度，假设每一层单片碟形弹簧厚度是前一层单片碟形弹簧厚度的一半，则第i层单片碟形弹簧的厚度为：ti＝21-it1i＝1,2,3,...,N变形截止层第M层的变形量为：变形截止层第M层单片碟形弹簧的弹簧刚度kM为：其中，tM为第M层单片碟形弹簧的厚度；使给定虚拟接触压力F作用于虚拟柔性体碰撞点，第i层对应的单片碟形弹簧被压缩，如果前i层所有单片碟形弹簧消耗的压力Fi之和小于给定虚拟接触压力F，且前i层所有的单片碟形弹簧产生压缩变形总计需要的时延时间满足刷新频率1000Hz以上的要求，设共计经过时延Li后，第i层单片碟形弹簧被压缩到被压平时的最大变形量h0，只有当第i层单片碟形弹簧被压缩到被压平时的最大变形量h0后，第i+1层对应的单片碟形弹簧才开始被压缩，依此类推，直到前M层所有的单片碟形弹簧消耗的压力之和不小于给定的虚拟接触压力，或前M层单片碟形弹簧产生压缩变形总计需要的时延时间不满足刷新频率的要求；用Ti、Li分别表示第i层单片碟形弹簧产生压缩变形需要的时延时间、前i层所有的单片碟形弹簧产生压缩变形总计需要的时延时间，且令层间的时延时间满足以第一层单片碟形弹簧产生压缩变形需要的时延时间T1为系数、以i2为变量的递增数列为：Ti＝i2T1从虚拟代理碰撞接触到虚拟柔性体表面算起，假定前i层所有的单片碟形弹簧产生压缩变形总计需要的时延时间Li满足Li＜L，其中：L为设定的力触觉再现刷新频率的倒数；所述虚拟柔性体表面的变形量，也即组合弹簧中前M层的变形量之和h为：其中，(M-1)h0为组合弹簧前M-1层被压平时的最大变形量。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术提出的支持实时按压的柔性体变形仿真建模方法，可以被用于虚拟人机交互的虚拟柔性体实时变形仿真过程中。该建模方法计算简单，能准确快速的计算变形量，实现对柔性体的实时变形仿真；反馈给操作者的力触觉信息真实，软组织形变逼真，人机交互过程自然。(2)与以往常用的基于物理意义的柔性体变形仿真力触觉建模方法相比，该建模方法中，若给定的虚拟接触压力能使第一层的单片碟形弹簧被压缩时产生的变形量达到第一层的单片碟形弹簧被压平时的最大变形量，这种情况下假定前M-1层的单片碟形弹簧被压缩时产生的变形量均与第一层的单片碟形弹簧被压平时的最大变形量相同，从而提高了建模的计算速度，还保证了变形效果的逼真性。(3)由于每层的单片本文档来自技高网...

【技术保护点】
支持实时按压的柔性体变形仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、虚拟场景初始化；步骤二、位置检测，当虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上的任意点时，给定虚拟接触压力；步骤三、利用不同厚度的碟形弹簧叠合成组合弹簧虚拟模型来模拟虚拟代理与虚拟柔性体交互的局部区域的内部；步骤四、利用组合弹簧虚拟模型计算虚拟柔性体的局部区域变形量；步骤五、图形刷新，不断反馈输出力触觉信息，完成支持实时按压的柔性体变形仿真建模。

【技术特征摘要】
1.支持实时按压的柔性体变形仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、虚拟场景初始化；步骤二、位置检测，当虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上的任意点时，给定虚拟接触压力；步骤三、利用不同厚度的碟形弹簧叠合成组合弹簧虚拟模型来模拟虚拟代理与虚拟柔性体交互的局部区域的内部；步骤四、利用组合弹簧虚拟模型计算虚拟柔性体的局部区域变形量；步骤五、图形刷新，不断反馈输出力触觉信息，完成支持实时按压的柔性体变形仿真建模。2.根据权利要求1所述的支持实时按压的柔性体变形仿真建模方法，其特征在于：所述步骤三具体为：在给定虚拟接触压力F作用下，当虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上的任意点时，在碰撞点处悬挂一外径为D、内径为d、厚度为t1、自由高度为H01、被压平时的最大变形量为h0、弹簧刚度为k1的单片碟形弹簧，形成第一层；在第一层的单片碟形弹簧下，同方向设置一外径为D、内径为d、厚度为t2、自由高度为H02、被压平时的最大变形量为h0、弹簧刚度为k2的单片碟形弹簧，形成第二层；在第二层的单片碟形弹簧下，同方向设置一外径为D、内径为d、厚度为t3、自由高度为H03、被压平时的最大变形量为h0、弹簧刚度为k3的单片碟形弹簧，形成第三层，依此类推，在第i层的单片碟形弹簧下，同方向设置一外径为D、内径为d、厚度为ti、自由高度为H0i、被压平时的最大变形量为h0、弹簧刚度为ki的单片碟形弹簧，形成第i+1层，i＝1,2,3,...,N，N为自然数，最终形成组合弹簧虚拟模型；各层单片碟形弹簧的外径、内径、被压平时的最大变形量均相同，且从上至下每一层单片碟形弹簧厚度是前一层单片碟形弹簧厚度的一半。3.根据权利要求2所述的支持实时按压的柔性体变形仿真建模方法，其特征在于：所述步骤四具体为：假定给定虚拟接触压力F的作用线和与组合弹簧中心线一致，且在给定虚拟接触压力F作用下，当柔性体中共有M层单片碟形弹簧产生变形，则第M层称为变形截止层；当给定虚拟接触压力F能使第一层单片碟形弹簧被压缩时产生的变形量h1达到h0时，假定前M-1层单片碟形弹簧被压缩时产生的变形量均与第一层单片碟形弹簧被压平时的最大变形量h0相同，变形截止层第M层单片碟形弹簧被压缩时产生的变形量小于或者等于第一层单片碟形弹簧被压平时的最大变形量h0，则第一层单片碟形弹簧消耗的压力F1为：其中，k1表示第一层单片碟形弹簧的弹簧刚度，h0表示第一层单片碟形弹簧被压平时的最大变形量；第一层单片碟形弹簧的弹簧刚度k1为：其中，E、t1、μ、α、D分别为弹性模量、第一层单片碟形弹簧的厚度、泊松比、计算系数、单片碟形弹簧的外径，其中，弹性模量、泊松比的具体数值与柔性体的材质有关；计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙伟，吕查德，张小瑞，夏薇薇，朱利丰，宋爱国，牛建伟，王澎湃，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32