一種支持增強力觸覺反饋的渦卷彈簧仿真系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種支持增強力觸覺反饋的渦卷彈簧仿真系統，其特征是采用一種支持增強力觸覺反饋的渦卷彈簧模型，在交互過程中，虛擬柔性體產生實時變形力觸覺信息，該力觸覺信息與有色狀態噪聲信號相加，作為反饋輸出信號。本發明系統采用的渦卷彈簧每層的拉伸或壓縮變形量計算方法相同，計算簡單，加快了變形計算速度，能夠保證變形仿真具有較高精度，通過調節渦卷彈簧第一層半徑，任意兩層彈簧之間的間距和彈簧絲的直徑等，就可模擬不同類型的柔性體；加入的有色狀態噪聲信號能提高人的力觸覺感知能力；為開發基于力觸交互的虛擬手術平臺提供了解決思路。
【專利說明】一種支持增強力觸覺反饋的渦卷彈簧仿真系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種支持增強力觸覺反饋的渦卷彈簧仿真系統，屬于虛擬現實人機交 互領域。
【背景技術】
[0002] 現代醫療技術的日新月異，對外科手術的精細程度要求越來越苛刻，但一名優秀 的外科醫生需經過大量訓練、實驗，花費8-10年才能成長起來。和傳統以動物和尸體作為 實驗對象不同，虛擬手術在模擬虛擬柔性體的各種物理、生理特性的同時，還可得到實驗數 據，為分析總結提供依據，極大地改善了手術訓練效果，同時還可根據醫生的需要提供不同 的可以反復利用的實驗對象，大大降低了外科醫生手術訓練成本。
[0003] 虛擬手術仿真除在視覺上給使用者營造一種沉浸感、真實感之外，還要提供一種 力觸覺反饋機制，使人們在看見虛擬對象的同時，還可觸摸到它的幾何形狀和物理特征，視 覺和力觸覺的有機結合使虛擬手術仿真更加真實可信。用于力觸覺交互的形變模型是虛擬 手術仿真系統的關鍵技術，國內外學者在這方面已做了很多工作。彈簧-質點模型雖然不 需要連續參數化，且在靜態和動態都可進行分析，但當變形較大時不能準確描述柔性體的 形變，系統穩定低。有限元模型雖然計算精度較高，算法適應性也比較廣泛，但模型復雜度 高、計算時耗多，實時性較差。邊界元模型通過對模型邊界進行離散來降低問題的維數，減 少自由度數目使得計算簡化，但由于考慮內部結點位移使得計算復雜度高。以上說明，這些 常用的柔性體變形物理建模方法均存在計算較為繁雜和仿真精度不高等問題，繼而影響了 計算的實時性和有效性。因此，在保證形變建模方法準確性的同時，簡化算法，提高計算實 時性是當前虛擬力觸覺交互系統亟待解決的首要問題。
[0004] 人機工程學的大量研究表明：人的力觸覺感知存在著信號與噪聲之間的協同行 為，即適量噪聲的加入會提高人的力觸覺感知能力，這主要原因是因為人手皮膚對一個持 續作用力具有很強的適應性，而對噪聲信號比較敏感，所以當加入合適的噪聲信號，會產生 比較真實的感覺。根據這一原理，為了提高虛擬現實人機力觸覺交互過程的穩定性和感知 真實性，提出了一種支持增強力觸覺反饋的渦卷彈簧仿真系統。
[0005] 現代隨機信號的大量研究表明：實際的觀測和數據處理中，觀測誤差和動力學模 型往往是具有一定時間相關或空間相關性的有色噪聲。因此我們加入適量的有色的狀態噪 聲，對于探索建模效果的真實性以及精確性的提高，形變模型的好壞是手術成功的關鍵，同 時柔性體變形所需實時性和準確性直接決定了虛擬手術能否成功進行。
【發明內容】
[0006] 本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種支持增強力觸覺 反饋的渦卷彈簧仿真系統。
[0007] 為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：
[0008] -種支持增強力觸覺反饋的渦卷彈簧仿真系統，包括：計算機主機和力觸覺交互 設備，在計算機主機上連接有顯示器，所述計算機主機至少包括硬盤和1394卡，其特征在 于，所述硬盤至少包括：用于檢測虛擬代理位置的位置檢測模塊、用于檢測虛擬代理與虛擬 柔性體是否發生碰撞的碰撞檢測模塊、力觸覺計算變形模塊、根據力觸覺計算變形模塊輸 出的最新力觸覺變形信息進行圖形顯示的圖形刷新模塊及力觸覺信息反饋模塊，所述硬盤 通過1394卡及1394連接線與力觸覺交互設備連接，用于將力觸覺計算變形模塊產生的柔 性體表面的變形信息傳輸至力觸覺交互設備，
[0009] 所述力觸覺計算變形模塊243用于在檢測到虛擬代理碰撞到虛擬柔性體表面上 任何一點時，在給定虛擬外力F作用下，虛擬代理與虛擬柔性體交互的局部區域內部，填充 支持力觸覺反饋的渦卷彈簧模型；在交互過程中，虛擬柔性體產生實時變形力觸覺信息， 該力觸覺信息與有色狀態噪聲信號η (t)相加，即采用支持增強力觸覺反饋的渦卷彈簧模 型，產生的力觸覺信息作為反饋輸出信號；所述渦卷彈簧模型的建模步驟如下：
[0010] 步驟1，建立空間直角坐標系，確定柔性體表面上任意點處安放的渦卷彈簧模型， 其過程如下：
[0011] 步驟1-1，建立空間直角坐標系，
[0012] 在給定虛擬外力F作用下，在柔性體表面任意點處安放一渦卷彈簧，在距離任 意點Oi為r處，取渦卷彈簧第一層的一個外側點匕，即r為渦卷彈簧第一層的半徑，以任意 點h為原點，射線所在方向為X軸正方向，建立XYZ空間坐標系；
[0013] 步驟1-2,按層設置渦卷彈簧，渦卷彈簧任意兩層的間距均為d，渦卷彈簧每層彈 簧絲的直徑均為h;
[0014] 所述渦卷彈簧的總層數包含兩種，分別是奇數和偶數，令n = 1，2, 3……S，S為自 然數；則所述渦卷彈簧具體描述如下：
[0015] A.當該渦卷彈簧總層數為奇數時，設層數為2n+l，在Z軸上等間距取2n+l個點， 分別為％ 〇2，…，〇i，…，〇2n，〇2n+1，間距為d ;以〇i為圓心，設置渦卷彈簧第i層，且該渦卷彈 簧第i層的半徑為氏，其表達式如下：
[0016]
【權利要求】
1. 一種支持增強力觸覺反饋的渦卷彈簧仿真系統，其特征在于，包括：計算機主機（2) 和力觸覺交互設備（3)，在計算機主機（2)上連接有顯示器（1)，所述計算機主機（2)至少 包括硬盤（24)和1394卡（23)，其特征在于，所述硬盤（24)至少包括：用于檢測虛擬代理位 置的位置檢測模塊（241)、用于檢測虛擬代理與虛擬柔性體碰撞的碰撞檢測模塊（242)、力 觸覺計算變形模塊（243)、根據力觸覺計算變形模塊（243)輸出的最新力觸覺變形信息進 行圖形顯示的圖形刷新模塊（244)及力觸覺信息反饋模塊（245)，所述硬盤（24)通過1394 卡（23)及1394連接線與力觸覺交互設備（3)連接，用于將力觸覺計算變形模塊（243)產 生的柔性體表面的變形信息傳輸至力觸覺交互設備（3)， 所述力觸覺計算變形模塊（243)用于在檢測到虛擬代理碰撞到虛擬柔性體表面上任 何一點時，在給定虛擬外力F作用作用下，虛擬代理與虛擬柔性體交互的局部區域內部，填 充支持力觸覺反饋的渦卷彈簧模型；在交互過程中，虛擬柔性體產生實時變形力觸覺信息， 該力觸覺信息與有色狀態噪聲信號η (t)相加，作為反饋輸出信號；所述渦卷彈簧模型的 建模步驟如下： 步驟1，建立空間直角坐標系，確定柔性體表面上任意點處安放的渦卷彈簧模型，其過 程如下： 步驟1-1，建立空間直角坐標系， 在給定虛擬外力F作用下，在柔性體表面任意點處安放一渦卷彈簧，在距離任意點 Oi為r處，取渦卷彈簧第一層的一個外側點匕，即r為渦卷彈簧第一層的半徑，以任意點 為原點，射線所在方向為X軸正方向，建立XYZ空間坐標系； 步驟1-2,按層設置渦卷彈簧，渦卷彈簧任意兩層的間距均為d，渦卷彈簧每層彈簧絲 的直徑均為h ; 所述渦卷彈簧的總層數包含兩種，分別是奇數和偶數，令n = 1，2, 3……S，S為自然數； 則所述渦卷彈簧具體描述如下： A. 當該渦卷彈簧總層數為奇數時，設層數為2n+l，在Z軸上等間距取2n+l個點，分別 為Op 02，…，〇i，…，02n，02n+1，間距為d ;以為圓心，設置渦卷彈簧第i層，且該渦卷彈簧 第i層的半徑為氏，其表達式如下：
B. 當該渦卷彈簧總層數為偶數時，設層數為2n，則在Z軸上等間距取2n個點，分別為 Op 02，…，〇i，…，02lri，02n，間距為d ;以為圓心，設置渦卷彈簧第i層，且該渦卷彈簧第i 層的半徑為氏，其表達式如下：
其中，P是等差數列的公差，為實數； 渦卷彈簧每層的截面慣性矩均為
渦卷彈簧各層的撓度值相同，撓度值為X'， 彈性模量E取決于柔性體的材質，且柔性體的材質均相同； 步驟2,確定渦卷彈簧任一層所消耗的外力， 假定給定虛擬外力F的作用線與渦卷彈簧中心線一致，且在給定虛擬外力F作用下， 如果渦卷彈簧共有前C層產生變形，則第C層稱為變形截止層；被拉伸或壓縮時，變形截止 層產生的變形量不大于撓度值Γ，渦卷彈簧前C-1層中，任意一層的變形量均等于撓度值 V 步驟2-1，確定渦卷彈簧前C-1層消耗的外力， 渦卷彈簧第一層消耗的外力匕為：
其中，I表示渦卷彈簧第一層的剛度系數； 除第一層和變形截止層第C層外，渦卷彈簧第i層消耗的外力匕為：
其中，G表示該渦卷彈簧的切變模量，2彡i彡C-1 ; 步驟2-2,確定渦卷彈簧第一層和變形截止層第C層的剛度系數，分別表示為&和K。； 其表達式分別如下：
其中，Ip 1。分別為該渦卷彈簧第一層和變形截止層的工作長度，其計算式分別如下： 1丄=2 π札
步驟3,渦卷彈簧變形截止層產生拉伸或壓縮的變形量為X。，其計算公式為：
步驟4,將渦卷彈簧變形量相加，所得變形量之和X等效為虛擬柔性體表面的變形：
第C層為變形截止層 第一層為變形截止層 步驟5,所述有色狀態噪聲信號η (t)，其表達式為： n(t) =0(^)/0(^1) ξ (t) 式中， 0(疒）、以(^)分別表示單位滯后算子cf1的多項式，其表達式分別為： D (q = 1+Djq 1+D2q 2+D3q 3 C(q-1) = l+C^qH+C^q-2 其中以為以乂乂皆是常數； ξ (t)是零均值白噪聲，t為時間。
2. 根據權利要求1所述的一種支持增強力觸覺反饋的渦卷彈簧仿真系統，其特征在 于，步驟2中，所述常數01、0 2、03、(：1、(：2的取值分別為： Di = -1. 5, D2 = 0· 7, D3 = 0· 1，Q = 0· 5, C2 = 0· 2。
3. 根據權利要求1所述的一種支持增強力觸覺反饋的渦卷彈簧仿真系統，其特征在 于，所述渦卷彈簧產生拉伸或壓縮變形總計需要的時延時間不大于lms。
4. 根據權利要求1所述的一種支持增強力觸覺反饋的渦卷彈簧仿真系統，其特征在 于，所有渦卷彈簧層數中，每層產生拉伸或壓縮變形需要的時延時間構成等比數列，即滿 足： ti = p^ti, 其中，h表示渦卷彈簧第i層產生拉伸或壓縮變形需要的時延時間，p為等比數列的公 t匕，h為渦卷彈簧第一層產生拉伸或壓縮變形需要的時延時間，1 < i < C。
5. 根據權利要求1或2或3或4所述的一種支持增強力觸覺反饋的渦卷彈簧仿真系 統，其特征在于，在所述渦卷彈簧上任一層產生拉伸或壓縮變形達到給定的撓度值后，其下 一層才開始產生拉伸或壓縮變形。
【文檔編號】A61B19/00GK104063057SQ201410255686
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月10日 優先權日:2014年6月10日
【發明者】張小瑞, 曹燚, 孫偉, 宋愛國, 牛建偉, 張小娜 申請人:南京信息工程大學