[发明专利]一种支持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力触觉反馈的多股螺旋弹簧模型，所述多股螺旋弹簧模型由多个多股螺旋弹簧依次旋转串接组成，在交互过程中，输出回馈为采用多股螺旋弹簧模型计算出来的，反应在给定虚拟外力作用下，柔性体实时变形仿真的力触觉信息的信号，该多股螺旋弹簧模型中所有层上产生拉伸或压缩变形量之和，对外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，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、远程医疗领域。

主权项

1.一种支持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，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；步骤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。