[发明专利]一种支持力触觉反馈的多股螺旋弹簧虚拟模型

说明书

技术领域

本发明属于计算机仿真技术领域，尤其涉及一种支持力触觉反馈的多股螺旋弹簧虚拟模型。

背景技术

在虚拟手术仿真系统中，柔性体形变模型主要用于描述人体器官柔性体和手术器械之间的交互过程，它直接决定了手术仿真系统中力触觉的精度、速度和仿真效果。目前，解决柔性体形变模型的力触觉逼真度和计算实时性之间的矛盾是虚拟手术仿真系统当前重要的研究课题。

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几种：①自由式形变模型核心思想在于变形操作不直接作用于物体，而是作用于物体所嵌入的变形空间，嵌入对象随着变形空间被挤压、弯曲或扭曲成任意形状而发生相应的变形，该模型较为简单，计算速度快，但计算精度低，鲁棒性差。②3DChainMail模型：每个体积单元与其最近邻的六个单元相连，当结构中的某个结点被推拉时，单元之间的链接会通过填充结构间的空隙来吸收这种运动，通过改变链接长度的约束就可对不同的刚体和柔性体进行建模。该模型计算速度较快，实时性较好，但计算精度低，鲁棒性差。③有限元模型基本思想是把整个物体所在的连续空间离散化为一个个小单元，每个小单元都有一些节点，然后把动力学方程离散到每个小单元，求出这些节点的位移，再运用预先选定的插值函数来计算单元内每一点的位移；该模型计算精度高，鲁棒性好，但较为复杂，计算速度慢。

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，需要建立一种支持力触觉反馈的虚拟模型。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，一种支持力触觉反馈的多股螺旋弹簧虚拟模型。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种支持力触觉反馈的多股螺旋弹簧虚拟模型，包括如下步骤：

步骤1，按层设置多股螺旋弹簧虚拟模型；

在给定虚拟外力F作用下，在柔性体表面任意点O处，分层水平设置相同的多股螺旋弹簧；点O在多股螺旋弹簧中心线上，且多股螺旋弹簧中心线与水平方向垂直；

其中，第i层多股螺旋弹簧的直径为d、中径为D、股数为g；该第i层多股螺旋弹簧分为上下两段，上段水平设置，下段与上段夹角为α；i=1,2,3,4,…,S，S为自然数；

步骤2，多股螺旋弹簧特性设定；

给定虚拟外力F的作用线和多股螺旋弹簧中心线一致，且在虚拟外力F作用下，如果柔性体中共有前M层的多股螺旋弹簧产生变形，则第M层称为变形截止层；其中，M≤S，也就是多股螺旋弹簧的层数至少等于M；

根据多股螺旋特性，设定：

在给定虚拟外力F作用下，第一层多股螺旋弹簧被拉伸或压缩时产生的变形量为X₁，若X₁达到第一层多股螺旋弹簧给定的挠度值X_C1，这种情况下，假定前M-1层多股螺旋弹簧的变形量，均与第一层多股螺旋弹簧给定的挠度值相同，则变形截止层第M层多股螺旋弹簧的变形量，不大于第一层多股螺旋弹簧给定的挠度值；

步骤3，计算任意一层多股螺旋弹簧的弹簧刚度P，其计算公式为；

P=kGd4g8D3]]>

其中，k、G分别为：多股螺旋弹簧的捻索系数、剪切弹性模量；任意一层多股螺旋弹簧的弹簧刚度均相同；

捻索系数k为：

k=(1+μ)cosα1+μcos2α]]>

其中，μ为泊松比；