一種增強力觸覺再現的圓柱扭轉彈簧虛擬模型的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于計算機仿真技術領域，尤其涉及一種增強力觸覺再現的圓柱扭轉彈簧 虛擬模型。
【背景技術】
[0002] 隨著虛擬現實技術日趨成熟，虛擬手術在醫學領域中正發展成一個新的研宄方 向。
[0003] 虛擬手術在醫學領域中正發展成為一個新的研宄方向，虛擬手術利用各種醫學影 像數據，采用虛擬現實技術在計算機中建立一個虛擬3D環境以及可交互操作平臺，通過虛 擬手術器械仿真模擬手術過程，與傳統手術規劃相比，虛擬手術具有交互性、無損傷性、可 重復性和可定制性等優點。
[0004] 目前國內外已經有許多研宄機構對虛擬現實尤其是在虛擬醫學手術仿真方面進 行了大量研宄和實踐。
[0005] 虛擬手術最大的難點在于人體軟組織器官的生理建模，由于目前人們對自身組織 器官的實際物理和生理屬性研宄不夠，自然就更難以對其進行仿真建模了。
[0006] Majumder等基于有限元素法（FEM)提出了具有物理意義的軟組織形變模型，雖然 精確，但要求網格節點數多、計算成本高。Peterlik等提出的非線性有限元模型，提高了實 時性，但仍無法滿足力觸覺反饋上千赫茲的頻率要求。Wang等用邊界元法建立模型，雖對模 型的邊界進行了離散，簡化了計算，但在穩定性方面卻存在一點的困難。Zhong等提出的具 有物理化學特性的反應擴散表面模型，難于進行復雜的手術操作。Chen等在2006年提出的 基于彈簧質點的三角形表面網絡拓撲結構模型，模型原理簡單，但穩定性有待提高。徐少平 等基于無網格的軟組織切割模型的研宄現狀進行了分析，提出其未來發展反向，但穩定性 很差。吳涓等提出了一種基于沿徑向方向分割為呈同心圓分布彈簧質點模型及實時力覺響 應算法，但該模型各點計算不一致，不易擴展。彈簧質點模型原理簡單，易建模，能夠滿足實 時性交互操作要求，但精度有待提高。因此，在保證變形模型準確性的同時，提高計算的實 時性，是當前虛擬力交互觸覺系統亟待解決的首要問題。
[0007] 國內外涉及人機工程學的大量研宄表明：人的力觸覺感知存在著信號與噪聲之間 的協同行為，即適量噪聲的加入會提高人的力觸覺感知能力，這主要原因是因為人手皮膚 對一個持續作用力具有很強的適應性，而對噪聲信號比較敏感，所以當加入合適的噪聲信 號，會產生比較真實的感覺。根據這一原理，為提高虛擬現實人機力觸覺交互過程的穩定性 和感知真實性，使虛擬手術仿真過程中力觸覺人機交互過程更加符合人們自身的習慣，提 高交互的沉浸感和真實感，提出一種增強力觸覺再現的圓柱扭轉彈簧虛擬模型。

【發明內容】

[0008] 本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種增強力觸覺再現 的圓柱扭轉彈簧虛擬模型。
[0009] 為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：
[0010] 一種增強力觸覺再現的圓柱扭轉彈簧虛擬模型，包括如下步驟：
[0011] 步驟1，對虛擬場景進行初始化；
[0012] 步驟2,在檢測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，反饋輸出散粒噪聲，散粒噪聲的噪聲功率譜S為：
[0013] S= 2elg
[0014] 式中，e為電子電量，18為電流；
[0015] 其中，電流Ig的表達式為：
【主權項】
1. 一種增強力觸覺再現的圓柱扭轉彈簧虛擬模型，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1，對虛擬場景進行初始化； 步驟2,在檢測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 饋輸出散粒噪聲，散粒噪聲的噪聲功率譜S為： S= 2elg 式中，e為電子電量，18為電流； 其中，電流Ig的表達式為：
式中，h為普朗克常量，V為施加電壓，N為通道個數，Tn為本征通道的投射系數； 步驟3,當檢測到虛擬代理碰撞到虛擬柔性體表面上任何一點時，在給定虛擬扭矩M作 用下，虛擬代理與虛擬柔性體交互的局部區域內部填充圓柱扭轉彈簧虛擬模型，在交互過 程中，虛擬柔性體實時變形產生的力觸覺信號與散粒噪聲相疊加，作為反饋輸出信號；所述 圓柱扭轉彈簧虛擬模型的建模方法為： 步驟3-1，建立空間直角坐標系，確定柔性體表面上任意點處安放的圓柱扭轉彈簧，其 過程如下： 步驟3-1-1，建立空間直角坐標系； 在給定虛擬扭矩M作用下，在柔性體表面任意點0處安放一圓柱扭轉彈簧，以任意點0 為原點，水平方向為X軸正方向，建立XYZ空間坐標系，即0的坐標為（0, 0, 0)，在Z軸上距 離原點〇為d/2處記為(^點，即0 :的坐標為（0, 0,d/2)，距離0i點為R處，設置圓柱扭轉彈 簧第一層彈簧絲的外側點P〇,即R為圓柱扭轉彈簧的第一層半徑； 步驟3-1-2,按層設置圓柱扭轉彈簧； 在XYZ空間坐標系的Z軸方向，在圓柱扭轉彈簧第一層彈簧絲下，依次設置圓柱扭轉 彈簧其它各層，且該圓柱扭轉彈簧各層彈簧絲的直徑均為d，圓柱扭轉彈簧各層的半徑均為 R;該圓柱扭轉彈簧的截面慣性矩為I，/ = ^，彈性模量E取決于柔性體材質，且柔性體材 4 質相同； 步驟3-2,確定圓柱扭轉彈簧任一層消耗的扭矩； 假定該圓柱扭轉彈簧下端固定，在上端施加給定虛擬扭矩M，給定虛擬扭矩M的作用線 與圓柱扭轉彈簧第一層彈簧絲的外側點匕處所在的圓相切，且在給定虛擬扭矩M作用下， 如果柔性體中共有圓柱扭轉彈簧的前C層產生扭轉變形，則該圓柱扭轉彈簧的第C層稱為 變形截止層；圓柱扭轉彈簧的層數至少等于C; 根據圓柱扭轉彈簧特性，設定： 圓柱扭轉彈簧前C-1層上任意一點在給定虛擬扭矩M作用下，所受到的作用力相等且 均為F，圓柱扭轉彈簧第C層上任意一點在給定虛擬扭矩M作用下，所消耗的最大扭轉力 P。均相等，且不大于F; 步驟3-3,確定該圓柱扭轉彈簧每層的螺旋角a，其表達式為：
步驟3-4,當i〈C時，確定圓柱扭轉彈簧第i層消耗的扭矩Mi，其表達式為： Mj=iFR 步驟3-5,當i〈C時，確定圓柱扭轉彈簧第i層所產生的扭轉變形角仍，其表達式為：
其中，li為該圓柱扭轉彈簧第i層的工作長度，其表達式為： li= 2JriR 步驟3-6,確定變形截止層任意一點消耗的最大扭轉力F'。，其表達式為：
其中，M'。為變形截止層任意一點消耗的最大扭矩； 步驟3-7,確定變形截止層所產生的扭轉變形角為抖，其表達式為：
其中，lc為該圓柱扭轉彈簧變形截止層的工作長度，其表達式為： lc= 2JrCR 步驟3-8,將圓柱扭轉彈簧每層的扭轉角疊加，等效為虛擬柔性體表面的變形P，其表 達式如下：
2. 根據權利要求1所述的一種增強力觸覺再現的圓柱扭轉彈簧虛擬模型，其特征在 于，所述圓柱扭轉彈簧前C層扭轉變形總計需要的時延時間不大于lms。
3. 根據權利要求1所述的一種增強力觸覺再現的圓柱扭轉彈簧虛擬模型，其特征在 于，所有圓柱扭轉彈簧層數中，每層產生扭轉變形需要的時延時間構成等比數列，即滿足： ti=q1_1t! 其中，h表示圓柱扭轉彈簧第i層產生扭轉變形需要的時延時間，q為等比數列的公 比，h為圓柱扭轉彈簧第1層產生扭轉變形需要的時延時間，1 <i<C。
4. 根據權利要求1或2或3所述的一種增強力觸覺再現的圓柱扭轉彈簧虛擬模型，其 特征在于，在所述圓柱扭轉彈簧上任一層扭轉變形達到最大的扭轉力后，其下一層開始產 生扭轉變形。
【專利摘要】本發明提出了一種增強力觸覺再現的圓柱扭轉彈簧虛擬模型，所述圓柱扭轉彈簧模型由多個圓柱扭轉彈簧依次串接組成，在交互過程中，輸出回饋為采用圓柱扭轉虛擬模型計算出來的反應在給定虛擬扭矩作用下柔性體實時變形仿真的力觸覺信息的信號，該圓柱扭轉彈簧虛擬模型中所有層上扭轉變形量之和的疊加對外等效為柔性體表面的變形。本發明圓柱扭轉彈簧虛擬模型每層圓柱扭轉彈簧扭轉變形量計算方法相同，計算簡單，加快了扭轉變形計算的速度；通過調節圓柱扭轉彈簧第一層半徑，和圓柱扭轉彈簧彈簧絲的直徑，就可模擬不同類型的柔性體，適用性廣；可應用于虛擬外科手術仿真、遙控操作機器人控制、遠程醫療等領域。
【IPC分類】G06F19-00
【公開號】CN104615879
【申請號】CN201510044754
【發明人】張小瑞, 黃昆, 孫偉, 徐驍晗, 朱建棟, 宋愛國, 牛建偉, 莊穎
【申請人】南京信息工程大學
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年1月28日