用于力触觉再现的板弹簧虚拟模型的建模方法技术

本发明专利技术公开了一种用于力触觉再现的板弹簧虚拟模型的建模方法，其特征是当检测到虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上任何一点时，在给定的虚拟接触拉力作用下，虚拟代理与虚拟柔性体交互的局部区域内部填充板弹簧虚拟模型，在交互过程中，输出反馈为采用板弹簧虚拟模型计算出来的反应在拉力作用下虚拟柔性体实时变形仿真的力触觉信息的信号；用于力触觉再现的板弹簧虚拟模型中所有单板弹簧变形量之和的叠加对外等效为虚拟柔性体表面的变形，所有单板弹簧被拉伸时消耗的拉力之和等效为给定的虚拟接触拉力；该建模方法准确可靠、计算简便、实时性好、通用性强，能真实的将力触觉信息反馈给操作者，实时逼真地实现对虚拟柔性体的变形仿真。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种力触觉再现的建模方法，尤其涉及一种用于虚拟手术仿真过程中，人机交互的基于物理意义的用于柔性体实时力触觉再现的板弹簧虚拟模型的建模方法。
技术介绍
虚拟手术具有交互性、无损伤性、可重复性和可定制性等优点。它使得医生可在计算机建立的虚拟环境中进行实时仿真，设计手术过程，进刀的部位、角度、力的大小、提高医生的协作能力等，且可使医生在虚拟手术系统上观察专家手术过程、重复实习、节约成本、规避风险及减少手术并发症。虚拟手术作为一种新式的手术训练手段，准确快速的力触觉再现的建模方法是虚拟手术成功的关键。采用基于物理意义的力触觉再现的建模方法，实现操作者与操作对象之间的力触觉反馈信息的交互，对柔性体的变形进行实时仿真，一直是虚拟手术仿真的焦点和难点。目前，常用的基于物理意义的柔性体实时力触觉再现的建模方法主要有如下5种：①弹簧-质点模型具有网格构建直观、简单、联合方程组易于求解的优点，但递归求解时容易引起不稳定的振荡现象，造成仿真结果不够精确。②有限元模型具有较高的仿真精度和真实度，然而计算量较大成为其应用于实时仿真的主要障碍。③锁链模型离散化精度依然不高，且形变由锁链的几何结构来决定，因而所仿真的物体不够真实，此外，该模型的实现不可避免地需要较高的计算量。④边界元模型在求解过程中，虽系统仿真规模较小，但在稳定性方面却存在一定的困难。⑤形状保持链模型具有实时性较好的优点，但是基于链元素为刚性体这个假设，故精度不高。以上说明，这些常用的柔性体实时力触觉再现的建模方法，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。再加上由于人体柔性体的复杂性、差异性和多样性，使现有常用的基于物理意义的柔性体实时力触觉再现的建模方法在变形效果上不够理想。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，提出了用于力触觉再现的板弹簧虚拟模型的建模方法。
技术实现思路
本专利技术提出一种基于物理意义的用于力触觉再现的板弹簧虚拟模型的建模方法，并适用于柔性体实时虚拟手术仿真过程中。该建模方法计算简单，力触觉表达真实，能快速准确的计算变形，逼真地模拟柔性体实时按压变形仿真，人机交互过程更加真实自然。本专利技术采用如下技术方案：1、一种用于力触觉再现的板弹簧虚拟模型的建模方法，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，在给定的虚拟接触拉力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板弹簧虚拟模型，在交互过程中，输出反馈为采用板弹簧虚拟模型计算出来的反应在拉力作用下虚拟柔性体实时变形仿真的力触觉信息的信号，所述板弹簧虚拟模型的建模方法为：(1)参数初始化，(2)在给定的虚拟接触拉力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，在碰撞点处下悬挂第一层板弹簧，所述第一层板弹簧为n1＝1片单板弹簧，单板弹簧的宽度为b、厚度为h1、长度为l1，n1为第一层板弹簧中单板弹簧的片数；在第一层的板弹簧下悬挂第二层板弹簧，所述第二层板弹簧由n2＝3片单板弹簧叠加构成，单板弹簧的宽度为b、厚度为h2＝h1α、长度分别为l1q、l1q2、l1q3，n2为第二层板弹簧中单板弹簧的片数；在第二层的板弹簧下悬挂第三层板弹簧，所述第三层板弹簧由n3＝5片单板弹簧叠加构成，单板弹簧的宽度为b、厚度为h3＝h1α2、长度分别为l1q4、l1q5、l1q6、l1q7、l1q8，n3为第三层板弹簧中单板弹簧的片数；依此类推，在第i-1层的板弹簧下悬挂第i层板弹簧，所述第i层板弹簧由ni＝2i-1片单板弹簧叠加构成，单板弹簧的宽度为b、厚度为hi＝h1αi-1、长度分别为ni为第i层板弹簧中单板弹簧的片数，i＝1，2，3，……N，N为自然数；各层板弹簧厚度构成以h1为首项，以α为公比的等比数列，α＝1～2，组成板弹簧的所有单板弹簧长度构成以l1为首项，以q为公比的等比数列，q＝1～1.5，用一宽度为B的簧箍，将组成板弹簧的所有单板弹簧夹紧在一起，b≤B≤b+0.1，采用簧箍夹紧时，组成力触觉再现的板弹簧虚拟模型中的所有单板弹簧均有一段无效部分，在计算弹簧刚度时，应考虑其影响并进行必要的修正，且假定处于第i层板弹簧中ni片单板弹簧的弹簧刚度均相同，修正后第i层板弹簧中ni片单板弹簧的等效弹簧刚度为：P~i=(2Li′2Li′-0.6B)3·Pi---(1)]]>其中，L′i、Pi、B分别表示第i层板弹簧中ni片单板弹簧的等效长度、第i层板弹簧中ni片单板弹簧在未考虑无效部分时的等效弹簧刚度、簧箍宽度，Li′=l1q(i-1)2+l1q(i-1)2+1+l1q(i-2)2+2+......+l1qi2-1ni---(2)]]>ni为第i层板弹簧中单板弹簧的片数，即：ni＝2i-1                            (3)第i层板弹簧中ni片单板弹簧在未考虑无效部分时的等效弹簧刚度Pi为：Pi=3EIi′Li′3---(4)]]>E、I′i分别为弹性模量、第i层板弹簧中ni片单板弹簧的等效截面惯性矩，第i层板弹簧中ni片单板弹簧的等效截面惯性矩I′i满足：Ii′=bHi′312---(5)]]>b、H′i分别为单板弹簧的宽度、第i层板弹簧中ni片单板弹簧的等效厚度，-->H′i＝hi＝h1αi-1                        (6)hi、h1、α分别为第i层板弹簧中ni片单板弹簧的厚度、第一层板弹簧中n1片单板弹簧的厚度，各层板弹簧厚度构成的等比数列的公比；假定给定的虚拟接触拉力F的作用线和组成力触觉再现的板弹簧虚拟模型的中心线一致，且在给定的虚拟接触拉力F作用下，若柔性体中共有M层的力触觉再现的板弹簧虚拟模型产生变形，则第M层称为变形截止层，若给定的虚拟接触拉力F能使第一层板弹簧中n1＝1片单板弹簧被拉伸时产生的变形量X1达到第一层板弹簧中n1＝1片单板弹簧给定的挠度值XC1，这种情况下假定前M-1层板弹簧中的所有单板弹簧被拉伸时产生的变形量与第一层板弹簧中n1＝1片单板弹簧给定的挠度值相同，变形截止层第M层板弹簧中nM片单板弹簧被同时拉伸时任一单板弹簧产生的变形量均不大于第一层板弹簧中n1＝1片单板弹簧给定的挠度值XC1，第一层板弹簧中n1＝1片单板弹簧被拉伸时消耗的拉力F1为：其中，XC1、分别表示第一层板弹簧中n1＝1片单板弹簧给定的挠度值、修正后第一层板弹簧中n1＝1片单板弹簧的等效弹簧刚度，P~1=(2L1′2L1′-0.6B)3·P1---(8)]]>其中，L′1、P1、B分别表示第一层板弹簧中n1片单板弹簧的等效长度、第一层板弹簧中n1片单板弹簧在未考虑无效部分时的等效弹簧刚度、簧箍宽度，根据：L′1＝l1                                (9)第一层板弹簧中n1片单板弹簧在未考虑无效部分时的等效弹簧刚度P1满足P1=3EI1′L1′3---(1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于力触觉再现的板弹簧虚拟模型的建模方法，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，在给定的虚拟接触拉力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板弹簧虚拟模型，在交互过程中，输出反馈为采用板弹簧虚拟模型计算出来的反应在拉力作用下虚拟柔性体实时变形仿真的力触觉信息的信号，所述板弹簧虚拟模型的建模方法为：（１）参数初始化，（２）在给定的虚拟接触拉力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，在碰撞点处下悬挂第一层板弹簧，所述第一层板弹簧为ｎ↓［１］＝１片单板弹簧，单板弹簧的宽度为ｂ、厚度为ｈ↓［１］、长度为ｌ↓［１］，ｎ↓［１］为第一层板弹簧中单板弹簧的片数；在第一层的板弹簧下悬挂第二层板弹簧，所述第二层板弹簧由ｎ↓［２］＝３片单板弹簧叠加构成，单板弹簧的宽度为ｂ、厚度为ｈ↓［２］＝ｈ↓［１］α、长度分别为ｌ↓［１］ｑ、ｌ↓［１］ｑ↑［２］、ｌ↓［１］ｑ↑［３］，ｎ↓［２］为第二层板弹簧中单板弹簧的片数；在第二层的板弹簧下悬挂第三层板弹簧，所述第三↓［ｉ］、Ｔ↓［ｉ］分别表示第ｉ层板弹簧中ｎ↓［ｉ］片单板弹簧被同时拉伸变形需要的时延时间、前ｉ层板弹簧中的所有单板弹簧被拉伸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板弹簧中ｎ↓［１］片单板弹簧被拉伸变形需要的时延时间ｔ↓［１］为首项，以ω为公比的等比数列，即：ｔ↓［ｉ］＝ω↑［ｉ－１］ｔ↓［１］（２６）从虚拟代理碰撞接触到虚拟柔性体表面算起，假定前ｉ层板弹簧中的所有单板弹簧被拉伸变形总计需要的时延时间为Ｔ↓［ｉ］，且其须满足Ｔ↓［ｉ］＜Ｔ，其中Ｔ↓［ｉ］＝ｔ↓［１］＋ｔ↓［２］＋ｔ↓［３］＋．．．＋ｔ↓［ｉ－１］＋ｔ↓［ｉ］＝１－ω↑［ｉ］／１－ω.ｔ↓［１］（２７）Ｔ为力触觉再现刷新频率的倒数；所述用于力触觉再现的板弹簧虚拟模型中所有单板弹簧变形量之和的叠加对外等效为虚拟柔性体表面的变形，＊＊＊其中，Ｘ为前Ｍ层板弹簧中的所有单板弹簧被拉伸时产生的变形量之和，Ｘ↓［ｉ］为前Ｍ－１层板弹簧中任意第ｉ层板弹簧中ｎ↓［ｉ］片单板弹簧被同时拉伸时产生的变形量之和，Ｘ↓［Ｍ］为变形截止层第Ｍ层板弹簧中ｎ↓［Ｍ］片单板弹簧被同时拉伸时产生的变层板弹簧由ｎ↓［３］＝５片单板弹簧叠加构成，单板弹簧的宽度为ｂ、厚度为ｈ↓［３］＝ｈ↓［１］α↑［２］、长度分别为ｌ↓［１］ｑ↑...

【技术特征摘要】
1.一种用于力触觉再现的板弹簧虚拟模型的建模方法，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，在给定的虚拟接触拉力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板弹簧虚拟模型，在交互过程中，输出反馈为采用板弹簧虚拟模型计算出来的反应在拉力作用下虚拟柔性体实时变形仿真的力触觉信息的信号，所述板弹簧虚拟模型的建模方法为：(1)参数初始化，(2)在给定的虚拟接触拉力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，在碰撞点处下悬挂第一层板弹簧，所述第一层板弹簧为n1＝1片单板弹簧，单板弹簧的宽度为b、厚度为h1、长度为l1，n1为第一层板弹簧中单板弹簧的片数；在第一层的板弹簧下悬挂第二层板弹簧，所述第二层板弹簧由n2＝3片单板弹簧叠加构成，单板弹簧的宽度为b、厚度为h2＝h1α、长度分别为l1q、l1q2、l1q3，n2为第二层板弹簧中单板弹簧的片数；在第二层的板弹簧下悬挂第三层板弹簧，所述第三层板弹簧由n3＝5片单板弹簧叠加构成，单板弹簧的宽度为b、厚度为h3＝h1α2、长度分别为l1q4、l1q5、l1q6、l1q7、l1q8，n3为第三层板弹簧中单板弹簧的片数；依此类推，在第i-1层的板弹簧下悬挂第i层板弹簧，所述第i层板弹簧由ni＝2i-1片单板弹簧叠加构成，单板弹簧的宽度为b、厚度为hi＝h1αi-1、长度分别为ni为第i层板弹簧中单板弹簧的片数，i＝1，2，3，……N，N为自然数；各层板弹簧厚度构成以h1为首项，以α为公比的等比数列，α＝1～2，组成板弹簧的所有单板弹簧长度构成以l1为首项，以q为公比的等比数列，q＝1～1.5，用一宽度为B的簧箍，将组成板弹簧的所有单板弹簧夹紧在一起，b≤B≤b+0.1，采用簧箍夹紧时，组成力触觉再现的板弹簧虚拟模型中的所有单板弹簧均有一段无效部分，在计算弹簧刚度时，应考虑其影响并进行必要的修正，且假定处于第i层板弹簧中ni片单板弹簧的弹簧刚度均相同，修正后第i层板弹簧中ni片单板弹簧的等效弹簧刚度为：P~i=(2Li′2Li′-0.6B)3·Pi---(1)]]>其中，L′i、Pi、B分别表示第i层板弹簧中ni片单板弹簧的等效长度、第i层板弹簧中ni片单板弹簧在未考虑无效部分时的等效弹簧刚度、簧箍宽度，Li′=l1q(i-1)2+l1q(i-1)2+1+l1q(i-2)2+2+......+l1qi2-1ni---(2)]]>ni为第i层板弹簧中单板弹簧的片数，即：ni＝2i-1                        (3)第i层板弹簧中ni片单板弹簧在未考虑无效部分时的等效弹簧刚度Pi为：Pi=3EIi′Li′3---(4)]]>E、Ii′分别为弹性模量、第i层板弹簧中ni片单板弹簧的等效截面惯性矩，第i层板弹簧中ni片单板弹簧的等效截面惯性矩Ii′满足：Ii′=bHi′312---(5)]]>b、Hi′分别为单板弹簧的宽度、第i层板弹簧中ni片单板弹簧的等效厚度，H′i＝hi＝h1αi-1                    (6)hi、h1、α分别为第i层板弹簧中ni片单板弹簧的厚度、第一层板弹簧中n1片单板弹簧的厚度，各层板弹簧厚度构成的等比数列的公比；假定给定的虚拟接触拉力F的作用线和组成力触觉再现的板弹簧虚拟模型的中心线一致，且在给定的虚拟接触拉力F作用下，若柔性体中共有M层的力触觉再现的板弹簧虚拟模型产生变形，则第M层称为变形截止层，若给定的虚拟接触拉力F能使第一层板弹簧中n1＝1片单板弹簧被拉伸时产生的变形量X1达到第一层板弹簧中n1＝1片单板弹簧给定的挠度值XC1，这种情况下假定前M-1层板弹簧中的所有单板弹簧被拉伸时产生的变形量与第一层板弹簧中n1＝1片单板弹簧给定的挠度值相同，变形截止层第M层板弹簧中nM片单板弹簧被同时拉伸时任一单板弹簧产生的变形量均不大于第一层板弹簧中ni＝1片单板弹簧给定的挠度值XC1，第一层板弹簧中n1＝1片单板弹簧被拉伸时消耗的拉力F1为：其中，XC1、分别表示第一层板弹簧中n1＝1片单板弹簧给定的挠度值、修正后第一层板弹簧中n1＝1片单板弹簧的等效弹簧刚度，P~1=(2L1′2L1′-0.6B)3·P1---(8)]]>其中，L′1、P1、B分别表示第一层板弹簧中n1片单板弹簧的等效长度、第一层板弹簧中n1片单板弹簧在未考虑无效部分时的等效弹簧刚度、簧箍宽度，根据：L′1＝l1                        (9)第一层板弹簧中n1片单板弹簧在未考虑无效部分时的等效弹簧刚度P1满足P1=3EI1′L1′3---(10)]]>E、I1′分别为弹性模量、第一层板弹簧中n1片单板弹簧的等效截面惯性矩，第一层板弹簧中n1片单板弹簧的等效截面惯性矩I1′满足：I1′=bH1′312---(11)]]>b、H1′分别为单板弹簧的宽度、第一层板弹簧中n1片单板弹簧的等效厚度，H′1＝h1                    (12)h1为第一层板弹簧中n1片单板弹簧的厚度，除第一层板弹簧和变形截止层第M层板弹簧外，其余第j层板弹簧中nj片单板弹簧被同时拉伸时消耗的拉力Fj为：Fj=...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小瑞，孙伟，宋爱国，李佳璐，王楠，程盈盈，吴伟雄，李莅圆，胡小科，王东霞，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]