[发明专利]一种模拟柔性体扭转变形的盘香弹簧模型

摘要

本发明提出了一种模拟柔性体扭转变形的盘香弹簧模型，所述盘香弹簧模型由多个盘香弹簧依次串接组成，在交互过程中，输出回馈为采用盘香弹簧模型计算出来的反应在扭矩作用下柔性体实时变形仿真的力触觉信息的信号，该盘香弹簧模型中所有圈上产生扭转变形量之和的叠加对外等效为柔性体表面的变形。本发明盘香弹簧模型每圈盘香弹簧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；通过调节盘香弹簧可旋转芯轴半径，盘香弹簧的厚度和悬挂截面宽度等，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、遥控操作机器人控制、远程医疗等领域。

主权项

1.一种模拟柔性体扭转变形的盘香弹簧模型，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盘香弹簧，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O处设置一盘香弹簧；在距离任意点O为r处，选取盘香弹簧可旋转芯轴外侧点A₀，r为盘香弹簧可旋转芯轴半径；以任意点O为原点，以射线OA₀所在方向为X轴正方向，建立XYZ空间坐标系；步骤1.2，按圈设置盘香弹簧，其中，第i圈盘香弹簧是以原点O(0,0,0)为圆心，以R_i=r+ih为半径的圆，h为第i圈盘香弹簧的厚度，i=1,2,3,……S，S为自然数；第i圈盘香弹簧的悬挂截面宽度为b，截面惯性矩为弹性模量为E取决于柔性体的材质，且柔性体材质均相同；步骤2，确定任一圈盘香弹簧所消耗的扭矩；设定给定扭矩M的作用线与盘香弹簧可旋转芯轴外侧点A₀所在的圆相切，且在给定扭矩M作用下，如果柔性体中共有前P圈盘香弹簧产生扭转变形，则第P圈盘香弹簧称为扭转变形截止圈；P≤S，也就是盘香弹簧的圈数至少等于P；根据盘香弹簧特性，设定：前P-1圈盘香弹簧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圈盘香弹簧上任意一点在给定扭矩M作用下，所消耗的最大扭转力F_P′均相等，且不大于F₀；步骤2.1，确定前P-1圈盘香弹簧中，第i圈上所有点共消耗的扭矩M_i为：M_i=l_i·F₀=2πR_i·F₀其中，l_i为第i圈盘香弹簧的有效长度，R_i为第i圈盘香弹簧的半径，步骤2.2，确定第P圈盘香弹簧所有点共消耗的扭矩M_P′为：Mp′=M-Σi=1P-1Mi]]>第P圈盘香弹簧在给定扭矩M作用下，任意一点消耗的最大扭转力F_P′为：Fp′=Mp′2πRp=Mp′2π(r+Ph)]]>步骤3，计算第i圈盘香弹簧上所有点，在共消耗的扭矩M_i作用下，产生的扭转圈数ni；ni1.25Mili2πEIi=1,2,3,···,p-11.25Mp′li2πEIi=p]]>其中，l_i为第i圈盘香弹簧的有效长度，其表达式如下：li=2πRii=1,2,3,···,P-1Mp′F0i=P.]]>