本发明专利技术涉及力学分析技术领域，提供一种柔性器械的力学分析方法、装置、电子设备及存储介质，该方法通过模型训练的方式将有限元分析方法进行建模得到力学分析模型，使力学分析模型可以学习到有限元分析方法，进而通过力学分析模型，不仅可以满足力学分析在计算效率上的要求，还可以满足其在精确度上的要求，可以快速高效且准确地得到待分析柔性器械在驱动力作用下得到的新构型信息，达到对准确性和计算效率的兼顾。而且，将待分析柔性器械的当前构型信息作为力学分析的依据，将待分析柔性器械在驱动力作用下得到的新构型信息作为力学分析结果，相比于直接采用有限元分析过程中得到的节点位移可以简化对待分析柔性器械的表征形式，大大降低计算量。大大降低计算量。大大降低计算量。
【技术实现步骤摘要】
柔性器械的力学分析方法、装置、电子设备及存储介质
[0001]本专利技术涉及力学分析
，尤其涉及一种柔性器械的力学分析方法、装置、电子设备及存储介质。
技术介绍
[0002]目前，柔性器械广泛应用于内科检查和手术。在柔性器械的应用过程中，其通常会与应用对象发生接触，进而受到来自应用对象的接触力。因此，对柔性器械进行力学分析，对术前柔性器械导航以及医生虚拟手术训练，均起到至关重要的作用。
[0003]现有技术中，在力学分析方面，采取的常用手段包括：1)有限单元法。有限单元法建立力学模型的基本步骤是：柔性器械三维数字模型建立；对数字模型进行三维有限元网格划分；采用合适的有限单元对模型进行力学描述；计算碰撞力；求解运动方程；显示与输出。2)分段常曲率法。分段常曲率法将柔性器械分为若干个变形段，将每个变形段近似为一段常曲率的圆弧段。对每一小段，通过分析几何关系，在曲率和半径、圆弧长度之间构建函数关系，最终得到整体模型的运动学方程。3)离散科瑟拉杆(DCM)建模法。DCM法通常用于模拟几何和力学特性类似于杆的机构，如导线、缝线等。该方法将柔性体视为离散的刚体点，仅对管状物体进行中心骨架分析。由于对模型的坐标进行了降维，故模型的尺寸可以得到限制，通常不会产生有限单元法中的大尺寸模型。
[0004]对于有限单元法，虽然其计算较为精确，但该方法更多地被应用于以桁架分析为代表的静态力学分析领域，较少考虑计算速度，通常用一个较长的计算时间来得到对一个结构的精确的力学分析。现代的实时有限元技术则首先应用于计算机动画领域，该方法仅对有较为稀疏网格划分的简单模型有实时的模拟效果。如果模型结构较为复杂，或者使用者希望通过加密网格以获得更高的精度，则实时有限元方法在“实时”上的表现效果则会显著下降。
[0005]对于分段常曲率法，其仅仅考虑几何关系，并未考虑柔性器械本身的力学特性，故而该方法其本身精度并不高，且在模型存在与环境中其他模型的接触与碰撞问题时，无法对接触有所反馈，即其并不能解决接触环境下的形态变化问题，这在微创手术领域中的受限环境(如气管中)下的机器人运动问题上是不可接受的。
[0006]对于离散科瑟拉杆建模法，则是更多地用于柔度较高的结构的建模，如缝线建模等。当模型本身具有一定的刚度时(如柔性机器人本身具有一定抵抗外界力的刚度)，该方法的效果并不好。
技术实现思路
[0007]本专利技术提供一种柔性器械的力学分析方法、装置、电子设备及存储介质，用以解决现有技术中存在的在对柔性器械进行力学分析时无法兼顾准确性与计算速度的缺陷。
[0008]本专利技术提供一种柔性器械的力学分析方法，包括：
[0009]获取待分析柔性器械的当前构型信息以及驱动力信息；
[0010]将所述当前构型信息以及所述驱动力信息输入至力学分析模型，得到所述力学分析模型输出的所述待分析柔性器械在驱动力作用下得到的新构型信息；
[0011]其中，所述力学分析模型基于对受已知力的柔性器械样本进行有限元分析得到的形变数据进行训练得到。
[0012]根据本专利技术提供的一种柔性器械的力学分析方法，所述待分析柔性器械是柔性管状机器人，所述柔性管状机器人的骨架基于目标贝塞尔曲线进行表征；
[0013]所述当前构型信息基于如下步骤获取：
[0014]获取所述待分析柔性器械的多个骨架点；
[0015]将所述多个骨架点输入至构型模型，得到所述构型模型输出的所述目标贝塞尔曲线的控制点；
[0016]其中，所述目标贝塞尔曲线的控制点用于表征所述当前构型信息，所述构型模型基于三维空间中的贝塞尔曲线样本上的若干离散点以及所述贝塞尔曲线样本的控制点训练得到。
[0017]根据本专利技术提供的一种柔性器械的力学分析方法，所述将所述多个骨架点输入至构型模型，得到所述构型模型输出的所述目标贝塞尔曲线的控制点，之前包括：
[0018]将所述多个骨架点由三维空间投影至有限扁平空间；
[0019]所述将所述多个骨架点输入至构型模型，得到所述构型模型输出的所述目标贝塞尔曲线的控制点，之后包括：
[0020]将所述目标贝塞尔曲线的控制点由所述有限扁平空间投影至所述三维空间。
[0021]根据本专利技术提供的一种柔性器械的力学分析方法，所述待分析柔性器械由多根可拉伸的导丝控制，所述驱动力为所述导丝作用于所述待分析柔性器械的导丝拉力。
[0022]根据本专利技术提供的一种柔性器械的力学分析方法，所述当前构型信息由所述待分析柔性器械的初始构型在随机单点外力的作用下得到。
[0023]根据本专利技术提供的一种柔性器械的力学分析方法，所述初始构型为前一时间步内得到的所述待分析柔性器械的新构型，所述驱动力信息为当前时间步内所述待分析柔性器械的驱动力信息。
[0024]根据本专利技术提供的一种柔性器械的力学分析方法，所述力学分析模型基于如下步骤训练得到：
[0025]确定所述柔性器械样本的当前样本构型信息，并将所述已知力施加至所述柔性器械样本，以使所述柔性器械样本产生形变；
[0026]对所述柔性器械样本进行有限元分析，得到所述柔性器械样本在所述已知力的作用下的形变数据，并基于所述形变数据确定所述柔性器械样本的新样本构型信息；
[0027]基于所述当前样本构型信息、所述新样本构型信息以及所述已知力，对初始分析模型进行训练，得到所述力学分析模型。
[0028]本专利技术还提供一种柔性器械的力学分析装置，包括：
[0029]信息获取模块，用于获取待分析柔性器械的当前构型信息以及驱动力信息；
[0030]力学分析模块，用于将所述当前构型信息以及所述驱动力信息输入至力学分析模型，得到所述力学分析模型输出的所述待分析柔性器械在驱动力作用下得到的新构型信息；
[0031]其中，所述力学分析模型基于对受已知力的柔性器械样本进行有限元分析得到的形变数据进行训练得到。
[0032]本专利技术还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述的柔性器械的力学分析方法。
[0033]本专利技术还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述的柔性器械的力学分析方法。
[0034]本专利技术还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述的柔性器械的力学分析方法。
[0035]本专利技术提供的柔性器械的力学分析方法、装置、电子设备及存储介质，首先获取待分析柔性器械的当前构型信息以及驱动力信息；然后将当前构型信息以及驱动力信息输入至力学分析模型，得到力学分析模型输出的待分析柔性器械在驱动力作用下得到的新构型信息；其中，力学分析模型基于对受已知力的柔性器械样本进行有限元分析得到的形变数据进行训练得到。该方法通过模型训练的方式将有限元分析方法进行建模得到力学分析模型，使力学分析模型可以学习到有本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种柔性器械的力学分析方法，其特征在于，包括：获取待分析柔性器械的当前构型信息以及驱动力信息；将所述当前构型信息以及所述驱动力信息输入至力学分析模型，得到所述力学分析模型输出的所述待分析柔性器械在驱动力作用下得到的新构型信息；其中，所述力学分析模型基于对受已知力的柔性器械样本进行有限元分析得到的形变数据进行训练得到。2.根据权利要求1所述的柔性器械的力学分析方法，其特征在于，所述待分析柔性器械是柔性管状机器人，所述柔性管状机器人的骨架基于目标贝塞尔曲线进行表征；所述当前构型信息基于如下步骤获取：获取所述待分析柔性器械的多个骨架点；将所述多个骨架点输入至构型模型，得到所述构型模型输出的所述目标贝塞尔曲线的控制点；其中，所述目标贝塞尔曲线的控制点用于表征所述当前构型信息，所述构型模型基于三维空间中的贝塞尔曲线样本上的若干离散点以及所述贝塞尔曲线样本的控制点训练得到。3.根据权利要求2所述的柔性器械的力学分析方法，其特征在于，所述将所述多个骨架点输入至构型模型，得到所述构型模型输出的所述目标贝塞尔曲线的控制点，之前包括：将所述多个骨架点由三维空间投影至有限扁平空间；所述将所述多个骨架点输入至构型模型，得到所述构型模型输出的所述目标贝塞尔曲线的控制点，之后包括：将所述目标贝塞尔曲线的控制点由所述有限扁平空间投影至所述三维空间。4.根据权利要求1所述的柔性器械的力学分析方法，其特征在于，所述待分析柔性器械由多根可拉伸的导丝控制，所述驱动力为所述导丝作用于所述待分析柔性器械的导丝拉力。5.根据权利要求1所述的柔性器械的力学分析方法，其特征在于，所述当前构型信息由所述待分析柔性器械的初始构型在随机单点外力的作用下得到。6.根据权利...
【专利技术属性】
技术研发人员：王怡虎，刘宏斌，张子惠，陈浩，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：
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