一种用于柔性体变形仿真的力触觉建模方法技术

本发明专利技术公开了一种用于柔性体变形仿真的等节距圆锥形螺旋弹簧力触觉建模方法，其特征是只有当检测到虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上任何一点时，在给定虚拟接触力作用下，虚拟代理与虚拟柔性体交互的局部区域内部才填充该等节距圆锥形螺旋弹簧模型，进而用于该局部区域力与变形之间的计算；输出反馈由等节距圆锥形螺旋弹簧力触觉建模方法计算出来的反应在外力作用下柔性体实时变形仿真的力触觉信息的信号；该建模方法中每层的等节距圆锥形螺旋弹簧变形量之和的叠加对外等效为柔性体表面的变形。该模型的建模方法简单，变形计算过程简便，因而能够保证变形仿真具有较高精度，在模拟柔性体变形仿真形变时具有较好的稳定性和实时性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种力触觉建模方法，尤其涉及一种用于虚拟现实人机交互的基于物 理意义的柔性体变形仿真力触觉建模方法。
技术介绍
虚拟现实技术能够使操作者直接参与和探索虚拟对象在所处环境中的作用和变 化，使其仿佛置身于一个虚拟世界中，能给用户逼真的体验，产生沉浸感，提高虚拟操作的 效率，同时，能为人们探索宏观世界和微观世界提供极大的便利，具有很好的经济、社会效 益和诱人的发展前景。由于作业任务越来越精细，感知对象越来越复杂，将需要越来越精确 的力触觉建模方法，因此，针对虚拟现实人机交互的基于物理意义的柔性体变形仿真力触 觉建模方法已成为当前虚拟现实技术研究的前沿和热点。目前，常用的基于物理意义的柔性体变形仿真力触觉建模方法主要有如下6种 ①有限元建模方法虽然可对物体的形变进行精确和定量的模拟，但涉及大量繁杂的计算， 实时交互性能差。②弹簧_质点建模方法具有简单易行、计算量较小、易于实现等优点，但 存在拓扑分析困难等弊端。③Suvranu等人提出的配点法建模方法，虽计算简单，但计算精 度不高。④张量质点建模方法，易于实现切割或撕裂等操作，但稳定性差的问题依然存在。 ⑤长单元建模方法具有较高的力触觉反馈刷新速度，求解方便，但由于建模方法抽象度较 高，因此计算精度较低。⑥边界元建模方法虽对建模方法的边界进行离散，简化了计算，但 在稳定性方面却存在一定的不足。以上说明，这些常用的柔性体变形物理建模方法均存在 计算较为繁杂和仿真精度不高等问题，继而影响了计算的实时性和有效性。因此，建立精确 高效的虚拟柔性体变形仿真的力触觉建模方法，已成为当前虚拟力触觉交互系统亟待解决 的首要问题。鉴于上述问题，为了使虚拟现实人机力触觉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，提出了。
技术实现思路
本专利技术提出一种基于物理意义的力触觉建模方法，并将其用于虚拟现实人机交互 的柔性体变形仿真。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；且在交互过程中，操作者能实时、真实地感知到仿真过程中的力触觉信息，提高 了虚拟力触觉交互的逼真度。本专利技术采用如下技术方案—种用于柔性体变形仿真的力触觉建模方法，其特征在于该建模方法的主要步骤 如下步骤1对虚拟场景进行初始化；步骤2当检测到虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上任何一点时，在给定虚拟接触 力F作用下，虚拟代理与虚拟柔性体交互的局部区域内部填充每层均为等节距圆锥形螺旋4弹簧力触觉虚拟模型，在交互过程中，输出反馈为采用等节距圆锥形螺旋弹簧力触觉虚拟 模型计算出来的反应在外力作用下柔性体实时变形仿真的力触觉信息的信号，所述等节距 圆锥形螺旋弹簧力触觉虚拟模型的建模方法为(1)参数初始化， (2)在给定虚拟接触力F作用下，当虚拟代理碰撞到柔性体表面上的任意点时，在 碰撞点下悬挂第一个等节距圆锥形螺旋弹簧，形成第一层，所述第一层等节距圆锥形螺旋 弹簧的弹簧丝直径为屯、大圈半径为礼,2、小圈半径为Ru、节距为、、大圈半径侧支承圈数 叫，力取值为0. 5、小圈半径侧支承圈数ni,sl取值为0. 25、有效圈数ni取值为2 ；在第一层的 等节距圆锥形螺旋弹簧下，悬挂第二个等节距圆锥形螺旋弹簧，形成第二层，所述第二层等 节距圆锥形螺旋弹簧的弹簧丝直径为diq、大圈半径为Ruq、小圈半径为Ryq、节距为tiq、 大圈半径侧支承圈数n2, s2取值为0. 5、小圈半径侧支承圈数n2, sl取值为0. 25、有效圈数n2 取值为2 ；在第二层的等节距圆锥形螺旋弹簧下，悬挂第三个等节距圆锥形螺旋弹簧，形成 第三层，所述第三层等节距圆锥形螺旋弹簧的弹簧丝直径为diq2、大圈半径为Ruq2、小圈半 径为礼，乂、节距为tiq2、大圈半径侧支承圈数％s2取值为0. 5、小圈半径侧支承圈数％sl取 值为0. 25、有效圈数113取值为2 ；依次类推，在第i_l层的等节距圆锥形螺旋弹簧下，悬挂 第i个等节距圆锥形螺旋弹簧，形成第i层，所述第i层等节距圆锥形螺旋弹簧的弹簧丝直 径为屯广1、大圈半径为！^广1、小圈半径为！^广1、节距为、广1、大圈半径侧支承圈数ni,s2 取值为0. 5、小圈半径侧支承圈数ni,sl取值为0. 25、有效圈数ni取值为2，形成第i层，i = 1,2,3,......，N，N为自然数；假定虚拟接触力F的作用线和螺旋弹簧中心线一致，且在虚拟接触力F作用下，等 节距圆锥形螺旋弹簧只产生开始接触时的线性变形，若柔性体中共有M层产生变形，则第M 层称为变形截止层，其中前M-1层的等节距圆锥形螺旋弹簧均被压缩到弹簧开始接触时变 形的最大线性长度，第M层的弹簧被压缩的长度不大于弹簧开始接触时变形的最大线性长 度；对于第i层的等节距圆锥形螺旋弹簧，因其满足 故第i层的等节距圆锥形螺旋弹簧开始接触时消耗的外力Fi,z表示为 其中，tpd' i分别为第i层的等节距圆锥形螺旋弹簧的节距、弹簧压并时圈间中 心高度，其大小满足 前M-1层中任意第i层的等节距圆锥形螺旋弹簧开始接触时的线性变形Xi,z为(4) 其中，叫工“、!^，!^…‘分别为第i层的等节距圆锥形螺旋弹簧的有效圈数且取 值^ = 2、弹簧开始接触时消耗的外力、大圈半径、小圈半径、弹簧丝直径，G为切变模量，与5柔性体的材质有关，这里假定每层的等节距圆锥形螺旋弹簧的柔性体材质相同；变形截止层第M层的变形为 其中，P' M为第M层的等节距圆锥形螺旋弹簧的弹簧刚度，其大小满足其中dM、nM、Rm,2、RMa分别为变形截至层第M层的等节距圆锥形螺旋弹簧的弹簧丝 直径、有效圈数、大圈半径、小圈半径；假定第i层的等节距圆锥形螺旋弹簧大、小端支承圈数、有效圈数分别为ni,s2、ni, sl、ni，且任意一层的等节距圆锥形螺旋弹簧大、小端支承圈数、有效圈数均相同，即 (3)使虚拟接触力作用于柔性体碰撞点，第i层对应的等节距圆锥形螺旋弹簧开 始被压缩，如果前i层的等节距圆锥形螺旋弹簧开始接触时消耗的外力Fi,z之和小于给定 的虚拟接触力F，且第i层的等节距圆锥形螺旋弹簧产生线性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k后，第i层的弹簧被压缩，相应的等节距 圆锥形螺旋弹簧产生线性变形，只有当第i层的等节距圆锥形螺旋弹簧被压缩到最大线性 变形长度后，第i+1层对应的等节距圆锥形螺旋弹簧才开始被压缩，依此类推，直到前M层 所有的等节距圆锥形螺旋弹簧开始接触时消耗的外力之和不小于给定的虚拟接触力，或第 M层的等节距圆锥形螺旋弹簧产生线性变形总计需要的时延时间不满足刷新频率的要求；用li、Li分别表示第i层的等节距圆锥形螺旋弹簧产生线性变形需要的时延时间、 前i层的等节距圆锥形螺旋弹簧产生线性变形需要的时延时间，且令层间的时延时间满足 以第一层的等节距圆锥形螺旋弹簧产生线性变形需要的时延时间h为首项，以q为公比的 等比数列 从虚拟代理碰撞接触到虚拟柔性体表面算起，假定第i层的等节距圆锥形螺旋弹 簧产生线性变形总计需要的时延时间为L”且其须满足k <L，其中 ⑴)L为力触觉再现刷新频率的倒数；等节距圆锥形螺旋弹簧力触觉建模方法中每层的等节距圆锥形螺旋弹簧变形量 之和的叠加对外等效为柔性体表面的变形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于柔性体变形仿真的力触觉建模方法，其特征在于该建模方法的主要步骤如下：步骤１对虚拟场景进行初始化；步骤２当检测到虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上任何一点时，在给定虚拟接触力Ｆ作用下，虚拟代理与虚拟柔性体交互的局部区域内部填充每层均为等节距圆锥形螺旋弹簧力触觉虚拟模型，在交互过程中，输出反馈为采用等节距圆锥形螺旋弹簧力触觉虚拟模型计算出来的反应在外力作用下柔性体实时变形仿真的力触觉信息的信号，所述等节距圆锥形螺旋弹簧力触觉虚拟模型的建模方法为：（１）参数初始化，（２）在给定＜ｎ↓［ｉ］.ｄ↓［ｉ］（１）故第ｉ层的等节距圆锥形螺旋弹簧开始接触时消耗的外力Ｆ↓［ｉ，ｚ］表示为：Ｆ↓［ｉ，ｚ］＝Ｇｄ↓［ｉ］↑［４］／６４Ｒ↓［ｉ，２］↑［３］（ｔｉ－ｄ′↓［ｉ］）（２）其中，ｔ↓［ｉ］、ｄ′↓［ｉ］分别为第ｉ层的等节距圆锥形螺旋弹簧的节距、弹簧压并时圈间中心高度，其大小满足：＊＊＊（３）前Ｍ－１层中任意第ｉ层的等节距圆锥形螺旋弹簧开始接触时的线性变形Ｘ↓［ｉ，ｚ］为：Ｘ↓［ｉ，ｚ］＝ｎ↓［ｉ］／Ｒ↓［ｉ，２］－Ｒ↓［ｉ，１］｛１６Ｆ↓［ｉ，ｚ］／Ｇｄ↓［ｉ］↑［４］（Ｒ↓［ｉ，２］↑［４］－Ｒ↓［ｉ，１］↑［４］）｝（４）其中，ｎ↓［ｉ］、Ｆ↓［ｉ，ｚ］、Ｒ↓［ｉ，２］、Ｒ↓［ｉ，１］、ｄ↓［ｉ］分别为第ｉ层的等节距圆锥形螺旋弹簧的有效圈数且取值ｎ↓［ｉ］＝２、弹簧开始接触时消耗的外力、大圈半径、小圈半径、弹簧丝直径，Ｇ为切变模量；变形截止层第Ｍ层的变形为：Ｘ↓［Ｍ，ｚ］＝Ｆ－＊Ｆ↓［ｉ，ｚ］／Ｐ′↓［Ｍ］（５）其中，Ｐ′↓［Ｍ］为第Ｍ层的等节距圆锥形螺旋弹簧的弹簧刚度，其大小满足：Ｐ′↓［Ｍ］＝Ｇｄ↓［Ｍ］↑［４］／１６ｎ↓［Ｍ］（Ｒ↓［Ｍ，２］↑［２］＋Ｒ↓［Ｍ，１］↑［２］）（Ｒ↓［Ｍ，２］＋Ｒ↓［Ｍ，１］）（６）其中ｄ↓［Ｍ］、ｎ↓［Ｍ］、Ｒ↓［Ｍ，２］、Ｒ↓［Ｍ，１］分别为变形截至层第Ｍ层的等节距圆锥形螺旋弹簧的弹簧丝直径、有效圈数、大圈半径、小圈半径；（３）使虚拟接触力作用于柔性体碰撞点，第ｉ层对应的等节距圆锥形螺旋弹簧开始被压缩，如果前ｉ层的等节距圆锥形螺旋弹簧开始接触时消耗的外力Ｆ↓［ｉ，ｚ］之和小于给定的虚拟接触力Ｆ，且第ｉ层的等节距圆锥形螺旋弹簧产生线性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Ｌ↓［ｉ］后，第ｉ层的弹簧被压缩，相应的等节距圆锥形螺旋弹簧产生线性变形，...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宋爱国，张小瑞，孙伟，胡小科，李佳璐，程盈盈，王楠，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]