一种支持增强力触觉反馈的涡卷弹簧仿真系统

摘要

本发明公开了一种支持增强力触觉反馈的涡卷弹簧仿真系统，其特征是采用一种支持增强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。本发明系统采用的涡卷弹簧每层的拉伸或压缩变形量计算方法相同，计算简单，加快了变形计算速度，能够保证变形仿真具有较高精度，通过调节涡卷弹簧第一层半径，任意两层弹簧之间的间距和弹簧丝的直径等，就可模拟不同类型的柔性体；加入的有色状态噪声信号能提高人的力触觉感知能力；为开发基于力触交互的虚拟手术平台提供了解决思路。

主权项

一种支持增强力触觉反馈的涡卷弹簧仿真系统，其特征在于，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)输出的最新力触觉变形信息进行图形显示的图形刷新模块(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η(t)相加，作为反馈输出信号；所述涡卷弹簧模型的建模步骤如下：步骤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：$F_i=\frac{{\mathrm{Gh}}^4}{8{R_i}^3}(d-h)$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$步骤3，涡卷弹簧变形截止层产生拉伸或压缩的变形量为X_C，其计算公式为：$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：步骤5，所述有色状态噪声信号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。