[发明专利]柔性力触觉再现的对称式板弹簧虚拟模型的建模方法

说明书

技术领域

本发明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柔性体实时力触觉再现的对称式板弹簧虚拟模型的建模方法。

背景技术

手术一旦失败会给病人的生命和财产造成极大的损失。因此，在手术前对手术过程涉及到的人体柔性体进行虚拟手术仿真具有重大的学术、经济和社会意义。在虚拟手术中，引入力触觉反馈，可以使操作者在手术仿真中不仅能够看到而且还能自然真实的触摸、感知和控制虚拟代理与虚拟柔性体的交互，使得手术仿真更真实可靠。因此，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，对柔性体的变形进行实时仿真，正在成为世界范围内的一个研究热点。

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-质点模型结构简单，算法容易实现且计算效率较高，实时性和交互性易于实现，但是由于该模型本身力学结构的局限性，在系统的模型构建、参数选取和模拟效果的准确性等方面有一定的困难，故精确性和稳定性往往不能令人满意。②有限元模型虽然可对物体的形变进行精确和定量的模拟，但涉及大量繁复的计算，实时交互性差。③边界元模型虽对模型的边界进行离散，简化了计算，但在稳定性方面却存在一定的困难。④长单元模型具有较高的力触觉反馈刷新速度，求解方便，但由于模型抽象度较高，计算精度较低。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，提出了柔性力触觉再现的对称式板弹簧虚拟模型的建模方法。

发明内容

本发明提出一种基于物理意义的力触觉再现的建模方法，并将其用于虚拟人机交互的虚拟柔性体实时变形仿真过程中。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，操作者能实时自然地感知到仿真过程中的力触觉信息，提高了虚拟手术仿真过程中力触觉交互的逼真度。

本发明采用如下技术方案：

一种柔性力触觉再现的对称式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对称式板弹簧虚拟模型，在交互过程中，输出反馈为采用对称式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，所述对称式板弹簧虚拟模型的建模方法为：

(1)参数初始化，

(2)在给定虚拟接触拉力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，在碰撞点处下悬挂一叶片宽度为b、厚度为h、长度为l₁的对称式单板弹簧，形成第一层，在第一层的对称式单板弹簧下，设置一叶片宽度为b、厚度为h、长度为l₂＝l₁q的对称式单板弹簧，形成第二层，在第二层的对称式单板弹簧下，设置一叶片宽度为b、厚度为h、长度为l₃＝l₁q²的对称式单板弹簧，形成第三层，依此类推，在第i-1层的对称式单板弹簧下，设置一叶片宽度为b、厚度为h、长度为l_i＝l₁q^i-1的对称式单板弹簧，形成第i层，i＝1，2，3，……N，N为自然数，各层对称式单板弹簧长度构成以l₁为首项，以q为公比的等比数列，q的取值范围为1～2，

假定虚拟接触拉力F的作用线和对称式板弹簧中心线一致，且在虚拟接触拉力F作用下，若柔性体中共有M层的对称式单板弹簧产生变形，则第M层称为变形截止层，