[发明专利]一种针灸力反馈形变模型的建模方法

摘要

本发明公开了一种针灸力反馈形变模型的建模方法，首先重建软组织模型；然后计算用于记录软组织模型的全局形变信息的全局形变矩阵；接着计算针刺点形变前的初始坐标和针刺点坐标之间的距离，并据此判定针尖是否刺破表皮；如果针尖未刺破表皮，实时产生虚拟弹簧计算皮肤表层的力反馈；如果针尖已刺破表皮，则计算软组织模型的内部力反馈，同时对针刺后的皮肤进行复原控制。本发明通过虚拟弹簧和体元模型可以分别计算针在皮肤内部和外部的力反馈，在确保计算简单的同时确保高精度的变形模拟，在交互过程中，操作者可以感受到触觉信息的实时性和真实感。

主权项

1.一种针灸力反馈形变模型的建模方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1)，重建软组织模型：采用体元模型重建软组织内部，采用网格模型重建软组织表皮；所述体元模型包含用于表示软组织内部的内部体元和用于表示模型针头的针体元；进行针灸模拟时，将模型针头在软组织内部所经过路径上的内部体元替换成针体元；步骤2)，根据以下公式计算用于记录软组织模型的全局形变信息的全局形变矩阵A：其中，n是软组织模型的网格质点数，m_i是软组织模型中质点i的质量，i为大于等于1小于等于n的自然数，p_i是软组织模型中质点i的坐标，p_cm是形变后软组织模型的质心坐标，是质点i的初始坐标，是初始状态下软组织模型的质心坐标；步骤3)，计算针刺点形变前的初始坐标和针刺点坐标p_c之间的距离当且针尖坐标x与针刺点坐标p_c重合时，判定皮肤表层为未被刺破的状态，执行步骤4)，其中，d_max为预设的皮肤最大形变量；当且针尖坐标x与针刺点坐标p_c不重合时，判定皮肤表层为被刺破的状态，执行步骤5)；步骤4)，根据以下公式实时产生虚拟弹簧计算皮肤表层的力反馈Fout：其中,σ(i)为软组织模型中受形变影响的网格质点集合，k为预设的虚拟弹簧系数，为软组织模型中质点i的初始坐标和当前坐标p_i之间的距离，N_out为以针尖为顶点沿针方向的单位向量；步骤5)，根据针刺深度计算软组织模型的内部力反馈，同时对针刺后的皮肤进行复原控制；步骤5.1)，根据针刺点坐标pc和针尖坐标x的距离din计算软组织模型的内部力反馈Fin：Fin＝ρ·din·Nin其中，ρ是预设的皮下组织密度，din是针刺点坐标pc和针尖坐标x的距离，Nin是从针尖坐标x到针刺点坐标pc的单位向量；步骤5.2)，根据以下公式计算软组织模型中各个质点目标位置的坐标：其中，为质点i目标位置的坐标，R是旋转矩阵，S是对称系数，矩阵A^T是矩阵A的转置矩阵；步骤5.3)，根据以下公式优化软组织模型中各质点目标位置的坐标：其中，ηi为预设的恢复系数，ηi∈[0,1]；步骤5.4)，对于软组织模型中的各个质点i，控制其在预设的速率Rr下以ηi＝ηi‑Rr的速度向其目标位置移动。