一种增强力触觉再现的圆柱扭转弹簧虚拟模型

摘要

本发明提出了一种增强力触觉再现的圆柱扭转弹簧虚拟模型，所述圆柱扭转弹簧模型由多个圆柱扭转弹簧依次串接组成，在交互过程中，输出回馈为采用圆柱扭转虚拟模型计算出来的反应在给定虚拟扭矩作用下柔性体实时变形仿真的力触觉信息的信号，该圆柱扭转弹簧虚拟模型中所有层上扭转变形量之和的叠加对外等效为柔性体表面的变形。本发明圆柱扭转弹簧虚拟模型每层圆柱扭转弹簧扭转变形量计算方法相同，计算简单，加快了扭转变形计算的速度；通过调节圆柱扭转弹簧第一层半径，和圆柱扭转弹簧弹簧丝的直径，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

一种增强力触觉再现的圆柱扭转弹簧虚拟模型，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:$I_g=\frac{{2e}^2}{h}V\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{T}_n$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；在给定虚拟扭矩M作用下，在柔性体表面任意点O处安放一圆柱扭转弹簧，以任意点O为原点，水平方向为X轴正方向，建立XYZ空间坐标系，即O的坐标为(0,0,0)，在Z轴上距离原点O为d/2处记为O₁点，即O₁的坐标为(0,0,d/2)，距离O₁点为R处，设置圆柱扭转弹簧第一层弹簧丝的外侧点P₀，即R为圆柱扭转弹簧的第一层半径；步骤3‑1‑2，按层设置圆柱扭转弹簧；在XYZ空间坐标系的Z轴方向，在圆柱扭转弹簧第一层弹簧丝下，依次设置圆柱扭转弹簧其它各层，且该圆柱扭转弹簧各层弹簧丝的直径均为d，圆柱扭转弹簧各层的半径均为R；该圆柱扭转弹簧的截面惯性矩为I，弹性模量E取决于柔性体材质，且柔性体材质相同；步骤3‑2，确定圆柱扭转弹簧任一层消耗的扭矩；假定该圆柱扭转弹簧下端固定，在上端施加给定虚拟扭矩M，给定虚拟扭矩M的作用线与圆柱扭转弹簧第一层弹簧丝的外侧点P₀处所在的圆相切，且在给定虚拟扭矩M作用下，如果柔性体中共有圆柱扭转弹簧的前C层产生扭转变形，则该圆柱扭转弹簧的第C层称为变形截止层；圆柱扭转弹簧的层数至少等于C；根据圆柱扭转弹簧特性，设定：圆柱扭转弹簧前C‑1层上任意一点在给定虚拟扭矩M作用下，所受到的作用力相等且均为F，圆柱扭转弹簧第C层上任意一点在给定虚拟扭矩M作用下，所消耗的最大扭转力F′_C均相等，且不大于F；步骤3‑3，确定该圆柱扭转弹簧每层的螺旋角α，其表达式为：$\alpha =\arctan \frac{d}{2\mathrm{\pi R}}$步骤3‑4，当i<C时，确定圆柱扭转弹簧第i层消耗的扭矩M_i，其表达式为：M_i＝iFR步骤3‑5，当i<C时，确定圆柱扭转弹簧第i层所产生的扭转变形角其表达式为：其中，l_i为该圆柱扭转弹簧第i层的工作长度，其表达式为：l_i＝2πiR步骤3‑6，确定变形截止层任意一点消耗的最大扭转力F′_C，其表达式为：$F_C^{\prime }=\frac{M_C^{\prime }}{\mathrm{iR}}=\frac{M-\underset{i=1}{\overset{C-1}{\Sigma }}{M}_i}{\mathrm{iR}}$其中，M′_C为变形截止层任意一点消耗的最大扭矩；步骤3‑7，确定变形截止层所产生的扭转变形角为其表达式为：其中，l_C为该圆柱扭转弹簧变形截止层的工作长度，其表达式为：l_C＝2πCR步骤3‑8，将圆柱扭转弹簧每层的扭转角叠加，等效为虚拟柔性体表面的变形其表达式如下：