一种支持增强力触觉反馈的涡卷弹簧模型

摘要

本发明提出了一种支持增强力触觉反馈的涡卷弹簧模型，所述涡卷弹簧模型由多个涡卷弹簧依次串接组成，在交互过程中，输出回馈为采用涡卷弹簧模型计算出来的反应在压力作用下柔性体实时变形仿真的力触觉信息的信号，该涡卷弹簧模型中所有层上产生压缩变形量之和的叠加对外等效为柔性体表面的变形。本发明涡卷弹簧模型每层涡卷弹簧的压缩变形量计算方法相同，计算简单，加快了压缩变形计算的速度；通过调节涡卷弹簧第一层半径，涡卷弹簧的节距和涡卷弹簧丝的直径等，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涡卷弹簧模型，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，反馈输出有色状态噪声信号η(t)，其表达式为：η(t)＝D(q^‑1)/C(q^‑1)ξ(t)式中，D(q^‑1)、C(q^‑1)分别表示单位滞后算子q^‑1的多项式，其表达式分别为：D(q^‑1)＝1+D₁q^‑1+D₂q^‑2+D₃q^‑3C(q^‑1)＝1+C₁q^‑1+C₂q^‑2其中，D₁、D₂、D₃、C₁、C₂皆是常数；ξ(t)是零均值白噪声，t为时间；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，填充支持力触觉反馈的涡卷弹簧模型；在交互过程中，虚拟柔性体产生实时变形力触觉信息，该力触觉信息与有色状态噪声信号相加，作为反馈输出信号；所述涡卷弹簧模型的建模建模步骤如下：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涡卷弹簧模型，其过程如下：步骤3‑1‑1，建立空间直角坐标系，在给定虚拟外力F作用下，在柔性体表面任意点O₁处安放一涡卷弹簧，在距离任意点O₁为r处，取涡卷弹簧第一层的一个外侧点P₀，即r为涡卷弹簧第一层的半径，以任意点O₁为原点，射线O₁P₀所在方向为X轴正方向，建立XYZ空间坐标系；步骤3‑1‑2，按层设置涡卷弹簧，涡卷弹簧任意两层的间距均为d，涡卷弹簧每层弹簧丝的直径均为h；所述涡卷弹簧的总层数包含两种，分别是奇数和偶数，令n＝1,2,3……S,S为自然数；则所述涡卷弹簧具体描述如下：A.当该涡卷弹簧总层数为奇数时，设层数为2n+1，在Z轴上等间距取2n+1个点，分别为O₁,O₂,…,O_i,…,O_2n,O_2n+1，间距为d；以O_i为圆心，设置涡卷弹簧第i层，且该涡卷弹簧第i层的半径为R_i，其表达式如下：$R_i=\left\{\begin{array}{cc}r+(i-1)\rho & i\le n+1\\ r+(2n-i+1)\rho & i>n+1\end{array}\right.$B.当该涡卷弹簧总层数为偶数时，设层数为2n，则在Z轴上等间距取2n个点，分别为O₁,O₂,…,O_i,…,O_2n‑1,O_2n，间距为d；以O_i为圆心，设置涡卷弹簧第i层，且该涡卷弹簧第i层的半径为R_i，其表达式如下：$R_i=\left\{\begin{array}{cc}r+(i-1)\rho & i\le n\\ r+(2n-i)\rho & i>n\end{array}\right.$其中，ρ是等差数列的公差，为实数；涡卷弹簧每层的截面惯性矩均为涡卷弹簧各层的挠度值相同，挠度值为X′，弹性模量E取决于柔性体的材质，且柔性体的材质均相同；步骤3‑2，确定涡卷弹簧任一层所消耗的外力，假定给定虚拟外力F的作用线与涡卷弹簧中心线一致，且在给定虚拟外力F作用下，如果涡卷弹簧共有前C层产生变形，则第C层称为变形截止层；被拉伸或压缩时，变形截止层产生的变形量不大于挠度值X′，涡卷弹簧前C‑1层中，任意一层的变形量均等于挠度值X′；步骤3‑2‑1，确定涡卷弹簧前C‑1层消耗的外力，涡卷弹簧第一层消耗的外力F₁为：$F_1=\left\{\begin{array}{cc}{X}^{\prime }·K_1& C>1\\ F& C=1\end{array}\right.$其中，K₁表示涡卷弹簧第一层的刚度系数；除第一层和变形截止层第C层外，涡卷弹簧第i层消耗的外力F_i为：$F_i=\frac{{\mathrm{Gh}}^4}{{{8R}_i}^3}(d-h)$其中，G表示该涡卷弹簧的切变模量，2≤i≤C‑1；步骤3‑2‑2，确定涡卷弹簧第一层和变形截止层第C层的刚度系数，分别表示为K₁和K_C；其表达式分别如下：$K_1=\frac{\mathrm{EI}}{l_1}$$K_C=\frac{\mathrm{EI}}{l_C}$其中，l₁、l_C分别为该涡卷弹簧第一层和变形截止层的工作长度，其计算式分别如下：l₁＝2πR₁$l_C=2\pi \underset{i=1}{\overset{C}{\Sigma }}{R}_i$步骤3‑3，涡卷弹簧变形截止层产生拉伸或压缩的变形量为X_C，其计算公式为：$X_C=\frac{F-\underset{i=1}{\overset{C-1}{\Sigma }}{F}_i}{K_C}$步骤3‑4，将涡卷弹簧变形量相加，所得变形量之和X等效为虚拟柔性体表面的变形：