[发明专利]一种增强力触觉再现的圆柱扭转弹簧虚拟模型

说明书

技术领域

本发明属于计算机仿真技术领域，尤其涉及一种增强力触觉再现的圆柱扭转弹簧虚拟模型。

背景技术

随着虚拟现实技术日趋成熟，虚拟手术在医学领域中正发展成一个新的研究方向。

虚拟手术在医学领域中正发展成为一个新的研究方向，虚拟手术利用各种医学影像数据，采用虚拟现实技术在计算机中建立一个虚拟3D环境以及可交互操作平台，通过虚拟手术器械仿真模拟手术过程，与传统手术规划相比，虚拟手术具有交互性、无损伤性、可重复性和可定制性等优点。

目前国内外已经有许多研究机构对虚拟现实尤其是在虚拟医学手术仿真方面进行了大量研究和实践。

虚拟手术最大的难点在于人体软组织器官的生理建模，由于目前人们对自身组织器官的实际物理和生理属性研究不够，自然就更难以对其进行仿真建模了。

Majumder等基于有限元素法(FEM)提出了具有物理意义的软组织形变模型，虽然精确，但要求网格节点数多、计算成本高。Peterlik等提出的非线性有限元模型，提高了实时性，但仍无法满足力触觉反馈上千赫兹的频率要求。Wang等用边界元法建立模型，虽对模型的边界进行了离散，简化了计算，但在稳定性方面却存在一点的困难。Zhong等提出的具有物理化学特性的反应扩散表面模型，难于进行复杂的手术操作。Chen等在2006年提出的基于弹簧质点的三角形表面网络拓扑结构模型，模型原理简单，但稳定性有待提高。徐少平等基于无网格的软组织切割模型的研究现状进行了分析，提出其未来发展反向，但稳定性很差。吴涓等提出了一种基于沿径向方向分割为呈同心圆分布弹簧质点模型及实时力觉响应算法，但该模型各点计算不一致，不易扩展。弹簧质点模型原理简单，易建模，能够满足实时性交互操作要求，但精度有待提高。因此，在保证变形模型准确性的同时，提高计算的实时性，是当前虚拟力交互触觉系统亟待解决的首要问题。

国内外涉及人机工程学的大量研究表明：人的力触觉感知存在着信号与噪声之间的协同行为，即适量噪声的加入会提高人的力触觉感知能力，这主要原因是因为人手皮肤对一个持续作用力具有很强的适应性，而对噪声信号比较敏感，所以当加入合适的噪声信号，会产生比较真实的感觉。根据这一原理，为提高虚拟现实人机力触觉交互过程的稳定性和感知真实性，使虚拟手术仿真过程中力触觉人机交互过程更加符合人们自身的习惯，提高交互的沉浸感和真实感，提出一种增强力触觉再现的圆柱扭转弹簧虚拟模型。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种增强力触觉再现的圆柱扭转弹簧虚拟模型。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种增强力触觉再现的圆柱扭转弹簧虚拟模型，包括如下步骤：

步骤1，对虚拟场景进行初始化；

步骤2，在检测到虚拟代理碰撞到虚拟柔性体之前，即在靠近虚拟柔性体的过程中，反馈输出散粒噪声，散粒噪声的噪声功率谱S为：

S＝2eI_g

式中，e为电子电量，I_g为电流；

其中，电流I_g的表达式为:

Ig=2e2hVΣn=1NTn]]>

式中，h为普朗克常量，V为施加电压，N为通道个数，T_n为本征通道的投射系数；

步骤3，当检测到虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上任何一点时，在给定虚拟扭矩M作用下，虚拟代理与虚拟柔性体交互的局部区域内部填充圆柱扭转弹簧虚拟模型，在交互过程中，虚拟柔性体实时变形产生的力触觉信号与散粒噪声相叠加，作为反馈输出信号；所述圆柱扭转弹簧虚拟模型的建模方法为：

步骤3-1，建立空间直角坐标系，确定柔性体表面上任意点处安放的圆柱扭转弹簧，其过程如下：

步骤3-1-1，建立空间直角坐标系；