[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种受拉力/变形的模拟方法，尤其涉及一种用于虚拟现实人机交互的基于物理意义的任意形状软组织表皮受拉力/变形的模拟方法。

背景技术

随着虚拟现实技术的应用范围日益扩大，虚拟现实的作业任务越来越精细，感知对象越来越复杂，虚拟环境和真实环境之间需要进行大量的信息交互。当操作者与虚拟环境进行力/触觉人机交互时，为了使操作者能够迅速准确地完成作业任务，迫切需要对虚拟或远地的力/触觉进行感知和再现。力/触觉再现技术正是一种基于人类力/触觉感知机理的，模拟人类对实际物体表面进行力/触觉感知过程的，实现对虚拟或远地物体表面进行感知与再现的人机交互技术。它充分利用触觉具有信息和能量传递的双向性，提高了人类对虚拟或远地环境的主动感知能力，有力的促进了虚拟现实技术在远程医疗、教学仿真、虚拟博物馆、网上商店和盲人上网等领域的应用。

虚拟软组织的力/触觉变形模拟方法是力/触觉再现技术中最为重要的环节。目前，虚拟软组织变形按照变形成因可分力变形和力矩变形，其中虚拟力变形研究在虚拟手术的力/触觉人机交互已成为愈来愈受关注的前沿性研究课题。医生在医疗虚拟手术过程中，当用剪刀或镊子等医疗工具对虚拟病人进行医疗动作，能够与虚拟模型和环境进行交互，获取真实力/触觉和动感反馈，从而形成对病人器官一个完整的认识。尤其对胃，心脏，腹部等较大器官的表皮，拉伸，切割、搅动等操作是手术成功的关键。因此，软组织表皮上受拉力/变形的模拟方法对虚拟医疗技术发展有着重要的意义。

发明内容

本发明提出一种任意形状软组织表皮上受拉力/变形的模拟方法,并将其用于虚拟现实人机交互的软组织表皮上的受力变形仿真。该方法能准确快速的计算拉力变形量，实现对弹性组织的实用变形仿真，从而提高虚拟力触觉交互的逼真度。

本发明的具体技术方案如下：

本发明任意形状软组织表皮上受拉力/变形的模拟方法，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；当任意形状软组织表皮上受拉力，在变形计算时，只考虑规则的块状区域，认为不规则的边缘区域主要由软组织表皮的膨胀内力产生；

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，