[发明专利]一种模拟柔性体扭转变形的蜗卷弹簧模型

摘要

本发明提出了一种模拟柔性体扭转变形的蜗卷弹簧模型，所述蜗卷弹簧模型由多个蜗卷弹簧半圈串接组成，在扭矩作用下，蜗卷弹簧模型的输出表示柔性体实时变形力触觉信息，该蜗卷弹簧模型中所有半圈产生扭转变形量之和等效为柔性体表面的变形量。本发明蜗卷弹簧模型每个蜗卷弹簧半圈的扭转变形量计算方法相同，计算简单，加快了扭转变形计算的速度；通过调节任意蜗卷弹簧半圈的半径，圆心与原点之间的距离，该蜗卷弹簧半圈的宽和厚度，就可模拟不同类型的柔性体，适用性广；可应用于虚拟外科手术仿真、遥操作机器人控制、远程医疗等领域。

主权项

一种模拟柔性体扭转变形的蜗卷弹簧模型，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，建立空间直角坐标系，确定柔性体表面上任意点处安放的蜗卷弹簧，其过程如下：步骤1.1，建立空间直角坐标系，在给定扭矩M作用下，在柔性体表面任意点A处安放一蜗卷弹簧，在距离任意点A为r处设置一原点O，其中r>0，以射线OA所在方向为X轴正方向，建立XYZ空间坐标系；步骤1.2，依次设置蜗卷弹簧半圈，其中，第i个半圈是以Oi((‑1)id,0,0)为圆心，以Ri=r+(2i‑1)d为半径的半圆，d为任一蜗卷弹簧半圈圆心与原点O之间的距离，i=1,2,3,……S，S为自然数；每个蜗卷弹簧半圈的宽为b、厚度为h、截面惯性矩I=bh3/12、弹性模量E取决于柔性体的材质，且柔性体材质均相同；步骤2，确定任一蜗卷弹簧半圈所消耗的扭矩；设定给定扭矩M的作用线和蜗卷弹簧在任意点A处所在的半圆相切，且在给定扭矩M作用下，如果柔性体中共有前P个蜗卷弹簧半圈产生扭转变形，则第P个蜗卷弹簧半圈为变形截止半圈；P≤S，也就是蜗卷弹簧的半圈数至少等于P；根据蜗卷弹簧特性，设定：前P‑1个蜗卷弹簧半圈上任意一点在给定扭矩M作用下，所消耗的最大扭转力相等且均为F0；第P个蜗卷弹簧半圈上任意一点在给定扭矩M作用下，所消耗的最大扭转力FP'均相等，且不大于F0；步骤2‑1，确定前P‑1个蜗卷弹簧半圈中，第i个半圈上所有点共消耗的扭矩Mi为：Mi=F0πRi=F0π[r+(2i‑1)d]步骤2‑2，确定第P个蜗卷弹簧半圈所有点共消耗的扭矩MP′为： M P ′ = M - Σ i = 1 P - 1 M i 第P个蜗卷弹簧半圈在给定扭矩M作用下，任意一点消耗的最大扭转力FP'为： F P ′ = M P ′ π R P = M P ′ π [ r + ( 2 P - 1 ) d ] 步骤3，计算第i个蜗卷弹簧半圈上所有点，在共消耗的扭矩Mi作用下，产生的扭转圈数ni； n i = M i l i 2 πEI i = 1,2,3 , . . . , P - 1 M P ′ l i 2 πEI i = P 其中，li为第i个蜗卷弹簧半圈的有效长度，其表达式如下： l i = π [ r + ( 2 i - 1 ) d ] i = 1,2,3 , . . . , P - 1 M P ′ F 0 i = P .