[发明专利]基于双层迭代涡卷压缩弹簧模型的建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机仿真技术领域，尤其涉及一种基于双层迭代涡卷压缩弹簧模型的建模方法。

背景技术

随着科学技术飞速发展，我国在医疗卫生方面也取得了长足的进步。近几年由于外科手术发展的需要，我国在虚拟手术方面开展了大量的研究工作。虚拟手术是指医生在计算机虚拟环境中进行手术训练和手术规划，是虚拟现实技术在医学上的一种重要应用，虚拟手术能够模拟常见的手术操作过程，通过虚拟手术，医生可在手术前对手术过程中涉及到的人体柔性体进行虚拟手术仿真，减小手术风险，获得最好的手术效果。利用虚拟手术仿真，可大大减少所需的培训时间和昂贵的动物实验费用。因此，作为虚拟手术基础的柔性体仿真技术成为当前的虚拟现实技术的热点和前沿。

目前基于物理意义的柔性体变形仿真力触觉建模方法主要有5种：

1.弹簧-质点建模方法具有简单易行、计算量较小、易于实现等优点，但精度和稳定性有限，另外还存在拓扑分析困难等弊端。

2.有限元建模方法虽然较为准确，但涉及大量繁杂的计算，实时交互性能差。

3.Kim等人提出的形状保持链建模方法具有实时性较好的优点，但链元素是以刚性体为假设的，精度不高。

4.边界元建模方法虽对建模方法的边界进行离散，简化计算，但在稳定性方面却存在一定的不足。

5.长单元建模方法具有较高的力触觉反馈刷新速度，求解方便，但由于建模方法抽象度较高，因此计算精度较低。

以上说明，这些常用的柔性体变形物理建模方法均存在计算较为繁杂和仿真精度不高等问题，继而影响了计算的实时性和有效性。因此，在保证变形建模方法准确性的同时，简化算法，提高计算的实时性是当前虚拟力触觉交互系统亟待解决的首要问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足，提供一种基于双层迭代涡卷压缩弹簧模型的建模方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于双层迭代涡卷压缩弹簧模型的建模方法，包括如下步骤：

步骤1)，对虚拟场景进行初始化；

步骤2)，当检测到虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上任何一点O时，在给定虚拟外力F作用下，虚拟代理与虚拟柔性体交互的局部区域内部填充双层迭代涡卷压缩弹簧模型；

所述双层迭代涡卷压缩弹簧模型的具体构建方法如下：

步骤2.1)，以O为原点，以水平方向为X轴，建立空间直角坐标系XYZ，O点的坐标为(0,0,0)；

步骤2.2)，构建双层迭代涡卷压缩弹簧外层弹簧；

步骤2.2.1)，对于任意大于等于1小于等于N的自然数i，以O_i(0,0,(2i-1)d/2+(i-1)h)为圆心、用直径为d的弹簧丝形成半径为R+(i-1)b的涡卷压缩弹簧，并将该涡卷压缩弹簧作为双层迭代涡卷压缩弹簧外层弹簧的第i层,其中，d为预先设定的第一阈值,N为预先设定的双层迭代涡卷压缩弹簧外层弹簧的层数，R为预先设定的第二阈值，b为预先设定的第三阈值；

步骤2.2.2)，将双层迭代涡卷压缩弹簧外层弹簧的N层涡卷压缩弹簧从上到下依次相连；

步骤2.3)，构建双层迭代涡卷压缩弹簧内层弹簧；

步骤2.3.1)，对于任意大于等于1小于等于N的自然数i，以O_i(0,0,(2i-1)d/2+(i-1)h)为圆心、用直径为d的弹簧丝形成半径为r+(i-1)a的涡卷压缩弹簧，并将该涡卷压缩弹簧作为双层迭代涡卷压缩弹簧内层弹簧的第i层，其中，r为预先设定的第四阈值，a为预先设定的第五阈值，R大于r，且a小于b；

步骤2.3.2)，将双层迭代涡卷压缩弹内层弹簧的N层涡卷压缩弹簧从上到下依次相连；

步骤2.4)，将双层迭代涡卷压缩弹簧外层弹簧的下端和双层迭代涡卷压缩弹簧内层弹簧的下端均固定，并在双层迭代涡卷压缩弹簧外层弹簧的上端施加给定虚拟外力F；

步骤3)，计算双层迭代涡卷压缩弹簧内层弹簧中各层弹簧的形变量；

步骤4)，计算双层迭代涡卷压缩弹簧外层弹簧中各层弹簧的形变量；

步骤5)，将双层迭代涡卷压缩弹簧中内层弹簧和外层弹簧的各层弹簧的形变量相加，得到虚拟柔性体表面的形变量X；

步骤6)，根据计算出的虚拟柔性体表面的形变量刷新图形。

作为本发明基于双层迭代涡卷压缩弹簧模型的建模方法进一步的优化方案，所述步骤3)包含以下具体步骤：

步骤3.1)，根据以下公式计算双层迭代涡卷压缩弹簧内层弹簧每层消耗的外力：