[发明专利]一种用于柔性体变形仿真的力触觉建模方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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，提出了一种用于柔性体变形仿真的力触觉建模方法。

发明内容

本发明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。

本发明采用如下技术方案：

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，