[发明专利]柔性力触觉再现的叠合碟形弹簧虚拟模型的建模方法

摘要

本发明公开了柔性力触觉再现的叠合碟形弹簧虚拟模型的建模方法，其特征是当检测到虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上的任意点时，在给定虚拟接触压力作用下，虚拟代理与虚拟柔性体交互的局部区域内部填充叠合碟形弹簧虚拟模型，在交互过程中，输出反馈为采用叠合碟形弹簧虚拟模型计算出来的反应在压力作用下柔性体实时变形仿真的力触觉信息的信号；叠合碟形弹簧虚拟模型中每层的单片碟形弹簧变形量之和的叠加对外等效为柔性体表面的变形，每层的叠合碟形弹簧被压缩时消耗的压力之和等效为给定虚拟接触压力。本发明建模方法能实时逼真地模拟柔性体的变形过程，反馈的力触觉信息真实稳定，为虚拟手术仿真的实用化探索出一条可行的道路。

主权项

柔性力触觉再现的叠合碟形弹簧虚拟模型的建模方法，其特征在于，其步骤如下：步骤1，虚拟场景初始化；步骤2，在给定虚拟接触压力F作用下，当虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上的任意点时，在碰撞点处悬挂一外径为D、内径为d、厚度为l、自由高度为H0、被压平时的最大变形量为h0、弹簧刚度为k的单片碟形弹簧，形成叠合碟形弹簧第一层；在第一层的单片碟形弹簧下，同方向设置与第一层的单片碟形弹簧同规格的单片碟形弹簧，形成叠合碟形弹簧第二层；在第二层的单片碟形弹簧下，同方向设置与第一层的单片碟形弹簧同规格的单片碟形弹簧，形成叠合碟形弹簧第三层；依此类推，在第i层的单片碟形弹簧下，同方向设置与第一层的单片碟形弹簧同规格的单片碟形弹簧，形成叠合碟形弹簧第i+1层；i＝1,2,3,…,N，N为自然数，叠合碟形弹簧各层中的单片碟形弹簧的外径、内径、厚度、自由高度、被压平时的最大变形量、弹簧刚度均相同；假定给定虚拟接触压力F的作用线和叠合碟形弹簧中心线一致，且在给定虚拟接触压力F作用下，若柔性体中共有M层单片碟形弹簧产生变形，则第M层称为变形截止层；若给定虚拟接触压力F能使第一层的单片碟形弹簧被压缩时产生的变形量h1达到第一层的单片碟形弹簧被压平时的最大变形量h0，这种情况下，假定前M‑1层的单片碟形弹簧被压缩时产生的变形量均与第一层的单片碟形弹簧被压平时的最大变形量h0相同，变形截止层第M层的单片碟形弹簧被压缩时产生的变形量不大于第一层的单片碟形弹簧被压平时的最大变形量h0；叠合碟形弹簧第一层的单片碟形弹簧消耗的压力F1为：其中，k、h0分别表示单片碟形弹簧的弹簧刚度、被压平时的最大变形量；单片碟形弹簧的弹簧刚度k为：k=4E1-μ2l3αD2]]>其中，E、μ、α分别为单片碟形弹簧的弹性模量、泊松比、计算系数，具体数值与单片碟形弹簧的材料有关；计算系数α满足：α=1π(C-1C)2C+1C-1-2lnC]]>其中，C为外径和内径之比：C=Dd]]>单片碟形弹簧被压平时的最大变形量h0为：h0＝H0‑l除叠合碟形弹簧第一层和变形截止层第M层外，叠合碟形弹簧其余各层的单片碟形弹簧消耗的压力Fj为： Fj＝k·h0j的取值范围为[2,M‑1]；变形截止层第M层的变形量hM为：hM=F-Σi=1M-1Fik]]>步骤3，使给定虚拟接触压力F作用于虚拟柔性体碰撞点，叠合碟形弹簧第i层对应的单片碟形弹簧被压缩，如果叠合碟形弹簧前i层所有的单片碟形弹簧消耗的压力Fi之和小于给定虚拟接触压力F，且叠合碟形弹簧前i层所有的单片碟形弹簧产生压缩变形总计需要的时延时间满足刷新频率1000Hz以上的要求，设共计经过时延Ti后，叠合碟形弹簧第i层的单片碟形弹簧被压缩到被压平时的最大变形量h0，只有当叠合碟形弹簧第i层的单片碟形弹簧被压缩到被压平时的最大变形量h0后，叠合碟形弹簧第i+1层对应的单片碟形弹簧才开始被压缩，依此类推，直到叠合碟形弹簧前M层所有的单片碟形弹簧消耗的压力之和不小于给定虚拟接触压力，或叠合碟形弹簧第M层的单片碟形弹簧产生压缩变形总计需要的时延时间不满足刷新频率的要求；用ti、Ti分别表示叠合碟形弹簧第i层的单片碟形弹簧产生压缩变形需要的时延时间、叠合碟形弹簧前i层所有的单片碟形弹簧产生压缩变形总计需要的时延时间，且令层间的时延时间满足以叠合碟形弹簧第一层的单片碟形弹簧产生压缩变形需要的时延时间t1为首项、以q为公比的等比数列为：ti＝qi‑1t1从虚拟代理碰撞接触到虚拟柔性体表面算起，假定叠合碟形弹簧前i层所有的单片碟形弹簧产生压缩变形总计需要的时延时间Ti满足Ti<T，其中Ti=t1+t2+t3+...+ti=1-qi1-q·t1]]>T为力触觉再现刷新频率的倒数；所述虚拟柔性体表面的变形量，也即叠合碟形弹簧中各层的变形量之和h的表达式为：其中，(M‑1)h0为叠合碟形弹簧前M‑1层被压平时的最大变形量。