[发明专利]一种支持增强力触觉反馈的多股螺旋弹簧虚拟模型

摘要

本发明提出了一种支持增强力触觉反馈的多股螺旋弹簧模型，所述模型在虚拟代理未碰撞到虚拟柔性体之前，仅反馈输出相位噪声信号；交互过程中，虚拟柔性体产生实时变形力触觉仿真信息，该力触觉仿真信息与相位噪声信号相加，将得到的相加值作为反馈输出信号；该多股螺旋弹簧模型中所有层上产生拉伸或压缩的变形量之和，等效为柔性体表面的变形。本发明多股螺旋弹簧模型每层拉伸或压缩变形量计算方法相同，计算简单，加快了变形计算的速度；通过调节多股螺旋弹簧的直径、中径、股数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

1.一种支持增强力触觉反馈的多股螺旋弹簧虚拟模型，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，反馈输出一种相位噪声信号L'_osc(f_m)，其计算公式为：Losc′(fm)=Lamp′(fm)[1+(f02Q1fm)2]]]>其中，L'_amp(f_m)为放大器的相噪，f_m为相对于谐振频率f₀的频偏，Q₁为谐振器的有载Q值；L'_amp(f_m)的计算公式为：Lamp′(fm)=FAGAKATPA(1+fcfm)]]>其中，F_A、G_A、K_A、T分别为放大器的噪声系数、增益、波尔兹曼常数、等效噪声温度，f_c为放大器闪烁噪声区和白噪声区的转角频率，P_A为放大器的有效输出功率；Q₁的计算公式为：Q1=Q0[1+Σi=12βi]]]>其中，Q₀为谐振器的无载Q值，β_i为谐振器i端口的耦合系数，i=1,2；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，在给定虚拟接触外力F的作用下，在虚拟代理与虚拟柔性体交互区域内，填充多股螺旋弹簧力触觉虚拟模型；在交互过程中，虚拟柔性体产生实时变形力触觉仿真信息，该力触觉仿真信息与相位噪声信号相加，将得到的相加值作为反馈输出信号；所述多股螺旋弹簧虚拟模型的建模方法为：步骤3-1，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3-2，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3-3，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；步骤3-4，确定任一层多股螺旋弹簧消耗的外力；第一层多股螺旋弹簧消耗的外力F₁为：除第一层和变形截止层第M层外，其余各层多股螺旋弹簧消耗的外力F_j为：F_j=X_C1·Pj的取值范围为2～M-1；步骤3-5，变形截止层第M层产生拉伸或压缩的变形量X_M为：XM=F-Σi=1M-1FiP]]>步骤3-6，所述多股螺旋弹簧虚拟模型中，将各层多股螺旋弹簧变形量相加，等效为虚拟柔性体表面的变形：其中，X为前M层多股螺旋弹簧产生拉伸或压缩变形量之和，X_i为前M-1层中第i层多股螺旋弹簧产生的拉伸或压缩变形量。