[发明专利]一种任意形状软组织表皮上受拉力/变形的模拟方法

摘要

本发明公开了一种任意形状软组织表皮受拉力/变形的模拟方法，该方法以平行于软组织表皮所在平面轴方向取条直线，以平行轴方向取条直线，从而将任意形状的软组织表皮分割成一系列网格区域；在原点处施加轴方向上的拉力，使其产生位移形变量，采用微型圆柱紧密螺旋弹簧模型来表现软组织表皮上受力点位移形变量与方向上的所受拉力关系，通过实验获得关键点的位移形变量，由遗传算法优化神经网络训练数据库得到准确度较高的关键点位移形变量与平面原点处轴方向上的拉力，关键点到原点间距离之间关系函数，得到软组织表皮上任意点受力情况和位移形变量，进而更新软组织上受力后更加准确的网格模型，该模拟方法准确，快速，交互效果逼真。

主权项

1.一种任意形状软组织表皮上受拉力/变形的模拟方法，其特征在于具体步骤如下：步骤一：建立空间直角坐标系，分割任意形状软组织表皮；在给定拉力F作用下，当虚拟机器机械手碰撞到虚拟任意形状软组织表皮上的任意点时，在碰撞点处下，假定与碰撞点处连接的任意形状的软组织表皮所在的平面为XY平面，以该任意形状软组织表皮上，任意两点间的最长距离的线段中点作为形心点O，以形心点O作为原点，并以通过原点O所在的直线且该直线垂直于XY平面作为Z轴，建立XYZ空间坐标系，取m条平行于X轴的直线，且相邻直线间间隔1毫米，m条直线包括X轴所在的直线，其中m的取值范围为m＝2,3,4,5,...,300，取n条平行于Y轴的直线，且相邻直线间间隔1毫米，n条直线包括Y轴所在的直线，其中n的取值范围为n＝2,3,4,5,...,300，通过平行于X轴的m条直线和平行于Y轴的n条直线，将任意形状软组织表皮，该表皮还未发生变形，可在该表皮上划分成一系列区域，区域个数为s，其中包括规则的块状区域和不规则的边缘区域，规则的块状区域个数和不规则的边缘区域个数分别为s₁、s₂；一系列区域，区域个数为：s＝m·(n-1)，m＝2,3,4,5,...,300，n＝2,3,4,5,...,300    (1)其中规则的块状区域个数s₁＜s，s₁不低于总数的80%；其中s为任意形状软组织表皮划分成一系列区域的个数，m为平行于X轴的直线且包括X轴所在的直线，n为平行于Y轴的直线且包括Y轴所在的直线；步骤二：以任意形状软组织表皮所在的XYZ空间坐标系的原点O为起始点，以平行于X轴方向为行，行的总数为m，以平行于Y轴方向为列，列的总数为n，将任意形状软组织表皮划分成的一系列规则的块状区域，以行与列的交点作为顶点，将各个块状区域的四个顶点分别进行空间坐标标注，则在采取此标注方法下，各个块状区域的顶点在四个象限内的坐标可分别表示为A_0,0(x_0,0,y_0,0,0)，A_-1,-1(x_-1,-1,y_-1,-1,0)，A_-1,1(x_-1,1,y_-1,1,0)，A_1,-1(x_1,-1,y_1,-1,0)…其中m＝2,3,4,5…300，n＝2,3,4,5…300,各个顶点到坐标原点的距离为d_i,j，且其可表示为：di,j=(Xi,j-X0.0)2+(Yi,j-Y0.0)2+(Zi,j-Z0.0)2---(2)]]>各个块状网格的顶点在原点处受到Z轴方向上的微小拉力时，Z方向上四个象限内网格顶点的位移变化量分别为ΔZ₀₀，ΔZ_-1-1，ΔZ_-11，ΔZ_1-1，ΔZ_1,1，…由于在坐标原点O处受微小拉力F_i时，距离原点的距离相等的圆周上所有点的位移变化形变量都相同，所以选取坐标点作为关键点研究时只选取软组织表皮所在平面的截面坐标系XY平面的第一象限上Y＝X上的顶点作为关键点研究即可，可表示为A_1,1，A_2,2，…A_n,n,其中n＝2,3,4,5…300；步骤三：研究XY平面第一象限Y＝X直线上的任意关键点在圆心受到不同Z方向上的微小拉力F_i时，Z轴垂直方向上的变化量可通过实验测量出，从而建立关键点数据库，其中关键点的选取是按照软组织表皮所在平面的截面坐标系XY平面的第一象限上Y＝X上的顶点作为关键点，即为任意点垂直方向位移变化量与坐标原点O点处施加Z轴方向上的拉力F_i，关键点到原点O的空间距离d_i，该数据库可表示为：d0,0d1,1d2,2...dn-1,n-1dn,nΔZ0.0ΔZ1,1ΔZ2,2...ΔZn-1,n-1ΔZn,n---(3)]]>在研究软组织表皮上坐标原点受Z方向上的微小拉力F_i时，对其Z轴方向上的变化量ΔZ与受力F_i的大小关系，采用微型圆柱型紧密螺旋弹簧作为研究模型，该弹簧模型符合软组织表皮的弹性特征，适合采用该模型进行分析，软组织表皮上任意点受力时都可以模拟竖直的弹簧受到垂直弹簧截面方向上的微小拉力，通过该弹簧模型可得出软组织表皮上受Z轴方向上的拉力F_i和ΔZ的大小存在的下列关系：F_i＝k|ΔZ|         （4）且k=NR44tr3---(5)]]>上述弹簧拉伸弹力公式表示拉伸弹力与伸长形变量成正比，即为软组织表皮上点所受力F_i与其在Z轴方向上的变化量ΔZ成正比，k为弹簧的劲度系数，N为剪切模量，R弹簧半径，t为弹簧匝数，r为弹簧柱体半径；步骤四：以步骤三中的数据库为基础，建立遗传算法优化BP神经网络，得到软组织表皮上任意点A_i在Z轴上的变化量ΔZ_i与在坐标原点O处所受Z轴方向上拉力F_i，软组织上所划分出的网格顶点到坐标原点O的空间距离d_i,j之间存在非线性函数关系，遗传算法优化BP神经网络是用于优化BP神经网络的初始权值和阈值，使优化后的BP神经网络能够更好地预测输出，即通过遗传算法优化BP神经网络得到ΔZ_i,j与F_i，d_i,j得出准确的函数关系，遗传算法优化BP神经网络的要素包括种群初始化，适应度函数，选择函数，交叉操作和变异操作；步骤五：当在软组织表皮上原点处施加Z轴方向上的拉力F_i时，软组织表皮上任意坐标点的Z轴方向上的变化量ΔZ都可以通过遗传算法优化BP神经网络得出，且通过微型弹簧模型能够得出该点的Z轴方向上的受力情况，从而可以建立一平面的软组织表皮网格模型，并可以得到该组织上任意点的Z轴方向上的变化量。