[发明专利]一种增强模拟柔性体可旋转变形的发条弹簧模型

摘要

本发明提出了一种增强模拟柔性体可旋转变形的发条弹簧模型，其特征是虚拟代理未碰撞到虚拟柔性体之前，仅反馈输出热噪声信号和1/f噪声信号两部分组成的增强噪声信号。而交互过程中，反馈输出符合人体对刺激反应规律的热噪声信号和1/f噪声信号，与采用可旋转变形的发条弹簧模型计算出来的反应在给定扭矩作用下，虚拟柔性体实时变形仿真的力触觉信息，两者叠加在一起的信号，该发条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。本发明计算简单，加快了扭转变形计算的速度；通过调节发条弹簧可旋转芯轴半径等参数，就可模拟不同柔性体；加入增强噪声信号，可提高交互的沉浸感和真实感。

主权项

1.一种增强模拟柔性体可旋转变形的发条弹簧模型，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，对虚拟场景进行初始化；步骤2，在检测到虚拟代理碰撞到虚拟柔性体之前，即在靠近虚拟柔性体的过程中，反馈输出一种增强噪声信号，其由热噪声信号和1/f噪声信号两部分组成，表示为：U2=V2+W2=83ηT1gB+αzLf---(1)]]>其中，U、V、W分别为：增强噪声信号的电压、热噪声信号的电压、1/f噪声信号的电压，η=1.38×10^-23为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，g为MOS场效应晶体管的管跨导，B为测量系统带宽，α为因素影响常数，z、L、f分别为MOS场效应晶体管的沟道宽、长和频率；步骤3，当检测到虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上任何一点时，在给定扭矩M作用下，虚拟代理与虚拟柔性体交互的局部区域内部填充可旋转变形的发条弹簧模型，在交互过程中，虚拟柔性体产生实时变形力触觉仿真信息，将该力触觉仿真信息与增强噪声信号相加，作为反馈输出信号；所述可旋转变形的发条弹簧模型的建模方法为：步骤3-1，建立空间直角坐标系，确定柔性体表面上任意点处安放的发条弹簧，其过程如下：步骤3-1-1，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处安放一发条弹簧，在距离任意点O为r处设置一发条弹簧可旋转芯轴外侧点A₀，即r为发条弹簧可旋转芯轴半径，以任意点O为原点，射线OA₀所在方向为X轴正方向，建立XYZ空间坐标系；步骤3-1-2，按圈设置发条弹簧，其中，在第i-1圈发条弹簧外侧A_i-1点，悬挂厚度为h_i=h₁+(i-1)d的第i圈发条弹簧，其中h₁为第1圈发条弹簧的厚度，d为给定常数且d>0，即第i圈发条弹簧以原点O(0,0,0)为圆心，以为半径的圆，i=1,2,3,……Q，Q为自然数，每圈发条弹簧的宽均为b、截面惯性矩弹性模量E取决于柔性体的材质，且柔性体材质均相同；步骤3-2，确定任一圈发条弹簧所消耗的扭矩；设定给定扭矩M的作用线与发条弹簧可旋转芯轴外侧点A₀处所在的圆相切，且在给定扭矩M作用下，如果柔性体中共有前P圈发条弹簧产生扭转变形，则第P圈发条弹簧称为变形截止圈；且P≤Q，也就是发条弹簧的圈数至少等于P；根据发条弹簧特性，设定：前P-1圈发条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圈发条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3-2-1，确定前P-1圈发条弹簧中，第i圈上所有点共消耗的扭矩M_i为：Mi=F0·Ri=F0·(r+Σi=1ihi)---(2)]]>步骤3-2-2，确定第P圈发条弹簧所有点共消耗的扭矩M′_P为：MP′=M-Σi=1P-1Mi---(3)]]>第P圈发条弹簧上任意一点在给定扭矩M作用下，消耗的最大扭转力F′_P为：FP′=MP′RP=MP′r+Σi=1Phi---(4)]]>步骤3-3，计算第i圈发条弹簧上所有点，在共消耗的扭矩M_i作用下，产生的扭转圈数n_i；ni=Mili2πEIii=1,2,3,...,P-1Mp′li2πEIii=P---(5)]]>其中，l_i为第i圈发条弹簧的有效长度，其表达式如下：li=2π(R1+R2+···+Ri)i=1,2,3,...,P-12π(R1+R2+···+RP-1)+MP′F0i=P---(6).]]>