[发明专利]支持力触觉反馈的虚拟柔性体变形手术仿真系统

摘要

本发明公开了一种支持力触觉反馈的虚拟柔性体手术仿真系统，其特征是采用一种新颖的基于物理意义的等节距圆锥形螺旋弹簧力触觉建模方法，该建模方法中每层等节距圆锥形螺旋弹簧变形量之和的叠加对外等效为柔性体表面的变形，与之相连的每层等节距圆锥形螺旋弹簧开始接触时消耗的外力之和等效为给定的柔性体表面给定的虚拟接触力，建模方法简单，变形计算过程简便，能够保证变形仿真具有较高精度；该系统能较好地模拟虚拟代理对柔性体进行按压的虚拟变形仿真，在交互过程中，可使操作者实时、真实地感知到仿真过程中的力触觉信息。

主权项

一种虚拟柔性体的力触觉反馈仿真系统，包括：计算机主机(2)和力触觉交互设备(3)，在计算机主机(2)上连接有显示器(1)，所述计算机主机(2)至少包括硬盘(24)和1394卡(23)，其特征在于，所述硬盘(24)至少包括：用于检测虚拟代理位置的位置检测模块(241)、用于检测虚拟代理与虚拟柔性体是否发生碰撞的碰撞检测模块(242)、力触觉计算变形模块(243)、根据力触觉计算变形模块(243)发出的最新力触觉变形信息的图形刷新模块(244)及力触觉信息反馈模块(245)，所述硬盘(24)通过1394卡(23)及1394连接线与力触觉交互设备(3)连接，用于将力触觉计算变形模块(243)产生的柔性体表面的变形信息传输至力触觉交互设备(3)，所述力触觉计算变形模块(243)用于在虚拟代理与虚拟柔性体以给定的虚拟接触力F发生碰撞时，在碰撞点下悬挂第一个等节距圆锥形螺旋弹簧，形成第一层，所述第一层等节距圆锥形螺旋弹簧的弹簧丝直径为d1、大圈半径为R1，2、小圈半径为R1，1、节距为t1、大圈半径侧支承圈数n1，s2取值为0.5、小圈半径侧支承圈数n1，s1取值为0.25、有效圈数n1取值为2；在第一层的等节距圆锥形螺旋弹簧下，悬挂第二个等节距圆锥形螺旋弹簧，形成第二层，所述第二层等节距圆锥形螺旋弹簧的弹簧丝直径为d1q、大圈半径为R1，2q、小圈半径为R1，1q、节距为t1q、大圈半径侧支承圈数n2，s2取值为0.5、小圈半径侧支承圈数n2，s1取值为0.25、有效圈数n2取值为2；在第二层的等节距圆锥形螺旋弹簧下，悬挂第三个等节距圆锥形螺旋弹簧，形成第三层，所述第三层等节距圆锥形螺旋弹簧的弹簧丝直径为d1q2、大圈半径为R1，2q2、小圈半径为R1，1q2、节距为t1q2、大圈半径侧支承圈数n3，s2取值为0.5、小圈半径侧支承圈数n3，s1取值为0.25、有效圈数n3取值为2；依次类推，在第i 1层的等节距圆锥形螺旋弹簧下，悬挂第i个等节距圆锥形螺旋弹簧，形成第i层，所述第i层等节距圆锥形螺旋弹簧的弹簧丝直径为d1qi 1、大圈半径为R1，2qi 1、小圈半径为R1，1qi 1、节距为t1qi 1、大圈半径侧支承圈数ni，s2取值为0.5、小圈半径侧支承圈数ni，s1取值为0.25、有效圈数ni取值为2，形成第i层，i＝1，2，3，......，N，N为自然数；假定虚拟接触力F的作用线和螺旋弹簧中心线一致，且在虚拟接触力F作用下，等节距圆锥形螺旋弹簧只产生开始接触时的线性变形，若柔性体中共有M层产生变形，则第M层称为变形截止层，其中前M 1层的等节距圆锥形螺旋弹簧均被压缩到弹簧开始接触时变形的最大线性长度，第M层的弹簧被压缩的长度不大于弹簧开始接触时变形的最大线性长度；对于第i层的等节距圆锥形螺旋弹簧，因其满足：Ri，2 Ri，1＜ni·di (1)故第i层的等节距圆锥形螺旋弹簧开始接触时消耗的外力Fi，z表示为： F i , z = Gd i 4 64 R i , 2 3 ( t i - d i ′ ) - - - ( 2 ) 其中，ti、d′i分别为第i层的等节距圆锥形螺旋弹簧的节距、弹簧压并时圈间中心高度，其大小满足： d i ′ = d i 1 - ( R i , 2 - R i , 1 n i · d i ) 2 - - - ( 3 ) 前M 1层中任意第i层的等节距圆锥形螺旋弹簧开始接触时的线性变形Xi，z为： X i , z = n i R i , 2 - R i , 1 { 16 F i , z Gd i 4 ( R i , 2 4 - R i , 1 4 ) } - - - ( 4 ) 其中，ni、Fi，z、Ri，2、Ri，1、di分别为第i层的等节距圆锥形螺旋弹簧的有效圈数且取值ni＝2、弹簧开始接触时消耗的外力、大圈半径、小圈半径、弹簧丝直径，G为切变模量；变形截止层第M层的变形为： X M , z = F - Σ i = 1 M - 1 F i , z P M ′ - - - ( 5 ) 其中，P′M为第M层的等节距圆锥形螺旋弹簧的弹簧刚度，其大小满足： P M ′ = Gd M 4 16 n M ( R M , 2 2 + R M , 1 2 ) ( R M , 2 + R M , 1 ) - - - ( 6 ) 其中dM、nM、RM，2、RM，1分别为变形截至层第M层的等节距圆锥形螺旋弹簧的弹簧丝直径、有效圈数、大圈半径、小圈半径；使虚拟接触力作用于柔性体碰撞点，第i层对应的等节距圆锥形螺旋弹簧开始被压缩，如果前i层的等节距圆锥形螺旋弹簧开始接触时消耗的外力Fi，z之和小于给定的虚拟接触力F，且第i层的等节距圆锥形螺旋弹簧产生线性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Li后，第i层的弹簧被压缩，相应的等节距圆锥形螺旋弹簧产生线性变形，只有当第i层的等节距圆锥形螺旋弹簧被压缩到最大线性变形长度后，第i+1层对应的等节距圆锥形螺旋弹簧才开始被压缩，依此类推，直到前M层所有的等节距圆锥形螺旋弹簧开始接触时消耗的外力之和不小于给定的虚拟接触力，或第M层的等节距圆锥形螺旋弹簧产生线性变形总计需要的时延时间不满足刷新频率的要求；用li、Li分别表示第i层的等节距圆锥形螺旋弹簧产生线性变形需要的时延时间、前i层的等节距圆锥形螺旋弹簧产生线性变形需要的时延时间，且令层间的时延时间满足以第一层的等节距圆锥形螺旋弹簧产生线性变形需要的时延时间l1为首项，以q为公比的等比数列：li＝qi 1l1 (7)从虚拟代理碰撞接触到虚拟柔性体表面算起，假定第i层的等节距圆锥形螺旋弹簧产生线性变形总计需要的时延时间为Li，且其须满足Li＜L，其中 L i = l 1 + l 2 + l 3 + . . . + l i - 1 + l i = 1 - q i 1 - q · l 1 - - - ( 8 ) L为力触觉再现刷新频率的倒数；等节距圆锥形螺旋弹簧力触觉建模方法中每层的等节距圆锥形螺旋弹簧变形量之和的叠加对外等效为柔性体表面的变形， X = Σ i = 1 M - 1 X i , z + X M , z - - - ( 9 ) 其中，Xi，z为前M 1层中任意第i层的等节距圆锥形螺旋弹簧的最大线性变形，XM，z为变形截止层第M层的线性变形，X为前M层所有等节距圆锥形螺旋弹簧的线性变形之和。