一种支持增强力触觉反馈的多股螺旋弹簧虚拟模型

摘要

本发明提出了一种支持增强力触觉反馈的多股螺旋弹簧模型，所述模型在虚拟代理未碰撞到虚拟柔性体之前，仅反馈输出相位噪声信号；交互过程中，虚拟柔性体产生实时变形力触觉仿真信息，该力触觉仿真信息与相位噪声信号相加，将得到的相加值作为反馈输出信号；该多股螺旋弹簧模型中所有层上产生拉伸或压缩的变形量之和，等效为柔性体表面的变形。本发明多股螺旋弹簧模型每层拉伸或压缩变形量计算方法相同，计算简单，加快了变形计算的速度；通过调节多股螺旋弹簧的直径、中径、股数等就可模拟不同类型的柔性体，适用性广；可应用于虚拟外科手术仿真、遥控操作机器人控制、远程医疗等领域。

主权项

一种支持增强力触觉反馈的多股螺旋弹簧虚拟模型，其特征在于，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，反馈输出一种相位噪声信号L'_osc(f_m)，其计算公式为：$L_{osc}^{\prime }\left(f_m\right)=L_{amp}^{\prime }\left(f_m\right)[1+{\left(\frac{f_0}{2Q_1{f}_m}\right)}^2]$其中，L'_amp(f_m)为放大器的相噪，f_m为相对于谐振频率f₀的频偏，Q₁为谐振器的有载Q值；L'_amp(f_m)的计算公式为：$L_{amp}^{\prime }\left(f_m\right)=\frac{F_A{G}_A{K}_{A}T}{P_A}(1+\frac{f_c}{f_m})$其中，F_A、G_A、K_A、T分别为放大器的噪声系数、增益、波尔兹曼常数、等效噪声温度，f_c为放大器闪烁噪声区和白噪声区的转角频率，P_A为放大器的有效输出功率；Q₁的计算公式为：$Q_1=\frac{Q_0}{[1+\underset{i=1}{\overset{2}{\Sigma }}{\beta }_i]}$其中，Q₀为谐振器的无载Q值，β_i为谐振器i端口的耦合系数，i＝1,2；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，在给定虚拟接触外力F的作用下，在虚拟代理与虚拟柔性体交互区域内，填充多股螺旋弹簧力触觉虚拟模型；在交互过程中，虚拟柔性体产生实时变形力触觉仿真信息，该力触觉仿真信息与相位噪声信号相加，将得到的相加值作为反馈输出信号；所述多股螺旋弹簧虚拟模型的建模方法为：步骤3‑1，按层设置多股螺旋弹簧虚拟模型；在给定虚拟外力F作用下，在柔性体表面任意点O处，分层水平设置相同的多股螺旋弹簧；点O在多股螺旋弹簧中心线上，且多股螺旋弹簧中心线与水平方向垂直；其中，第i层多股螺旋弹簧的直径为d、中径为D、股数为g；该第i层多股螺旋弹簧分为上下两段，上段水平设置，下段与上段夹角为α；i＝1,2,3,4,…,S，S为自然数；步骤3‑2，多股螺旋弹簧特性设定；给定虚拟外力F的作用线和多股螺旋弹簧中心线一致，且在虚拟外力F作用下，如果柔性体中共有前M层的多股螺旋弹簧产生变形，则第M层称为变形截止层；其中，M≤S，也就是多股螺旋弹簧的层数至少等于M；根据多股螺旋特性，设定：在给定虚拟外力F作用下，第一层多股螺旋弹簧被拉伸或压缩时产生的变形量为X₁，若X₁达到第一层多股螺旋弹簧给定的挠度值X_C1，这种情况下，假定前M‑1层多股螺旋弹簧的变形量均与第一层多股螺旋弹簧给定的挠度值相同，则变形截止层第M层多股螺旋弹簧的变形量不大于第一层多股螺旋弹簧给定的挠度值；步骤3‑3，计算任意一层多股螺旋弹簧的弹簧刚度P，其计算公式为；$P=\frac{{\mathrm{kGd}}^{4}g}{8D^3}$其中，k、G分别为：多股螺旋弹簧的捻索系数、剪切弹性模量；任意一层多股螺旋弹簧的弹簧刚度均相同；捻索系数k为：$k=\frac{(1+\mu )cos\alpha }{1+{\mathrm{\mu cos}}^2\alpha }$其中，μ为泊松比；步骤3‑4，确定任一层多股螺旋弹簧消耗的外力；第一层多股螺旋弹簧消耗的外力F₁为：除第一层和变形截止层第M层外，其余各层多股螺旋弹簧消耗的外力F_j为：F_j＝X_C1·Pj的取值范围为2～M‑1；步骤3‑5，变形截止层第M层产生拉伸或压缩的变形量X_M为：$X_M=\frac{F-\underset{i=1}{\overset{M-1}{\Sigma }}{F}_i}{P}$步骤3‑6，所述多股螺旋弹簧虚拟模型中，将各层多股螺旋弹簧变形量相加，等效为虚拟柔性体表面的变形：其中，X为前M层多股螺旋弹簧产生拉伸或压缩变形量之和，X_i为前M‑1层中第i层多股螺旋弹簧产生的拉伸或压缩变形量。