一種模擬柔性體扭轉(zhuǎn)變形的盤香彈簧模型的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種模擬柔性體扭轉(zhuǎn)變形的盤香彈簧模型，所述盤香彈簧模型由多個盤香彈簧依次串接組成，在交互過程中，輸出回饋為采用盤香彈簧模型計(jì)算出來的反應(yīng)在扭矩作用下柔性體實(shí)時變形仿真的力觸覺信息的信號，該盤香彈簧模型中所有圈上產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形量之和的疊加對外等效為柔性體表面的變形。本發(fā)明盤香彈簧模型每圈盤香彈簧的扭轉(zhuǎn)變形量計(jì)算方法相同，計(jì)算簡單，加快了扭轉(zhuǎn)變形計(jì)算的速度；通過調(diào)節(jié)盤香彈簧可旋轉(zhuǎn)芯軸半徑，盤香彈簧的厚度和懸掛截面寬度等，就可模擬不同類型的柔性體，適用性廣；可應(yīng)用于虛擬外科手術(shù)仿真、遙控操作機(jī)器人控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域。
【專利說明】一種模擬柔性體扭轉(zhuǎn)變形的盤香彈簧模型
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)仿真【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種模擬柔性體扭轉(zhuǎn)變形的盤香彈簧模型。
【背景技術(shù)】
[0002]虛擬手術(shù)作為一種新式的手術(shù)訓(xùn)練手段，即在計(jì)算機(jī)建立的虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)時手術(shù)仿真已成為近幾年研究的熱點(diǎn)。虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)除在視覺上給使用者營造一種沉浸感、真實(shí)感之外，還要提供一種力觸覺反饋機(jī)制，使人們在看見虛擬對象的同時，還可以觸摸到它的幾何形狀和物理特征，視覺和觸覺的有機(jī)結(jié)合使虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬仿真更加真實(shí)可?目。
[0003]準(zhǔn)確性和實(shí)時性是虛擬手術(shù)系統(tǒng)至關(guān)重要的性能指標(biāo)，良好的建模方法將為此提供必要的保障。目前，主要有質(zhì)點(diǎn)-彈簧模型，具有簡單易行、計(jì)算量較小、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但存在拓?fù)浞治隼щy等弊端；有限元建模方法，雖然可對物體的形變進(jìn)行精確和定量的模擬，但涉及大量繁雜的計(jì)算，實(shí)時交互性能差；邊界元建模方法雖對建模方法的邊界進(jìn)行離散，簡化了計(jì)算，但在穩(wěn)定性方面卻存在一定的不足。因此，深入開展用于柔性體扭轉(zhuǎn)變形仿真技術(shù)建模的研究無疑對推動虛擬手術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種模擬柔性體扭轉(zhuǎn)變形的盤香彈簧模型。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0006]一種模擬柔性體扭轉(zhuǎn)變形的盤香彈簧模型，包括如下步驟:
[0007]步驟1，建立空間直角坐標(biāo)系，確定柔性體表面上任意點(diǎn)處安放的盤香彈簧，其過程如下:
[0008]步驟1.1，建立空間直角坐標(biāo)系，
[0009]在給定扭矩M作用下，在柔性體表面任意點(diǎn)O處設(shè)置一盤香彈簧；在距離任意點(diǎn)O為r處，選取盤香彈簧可旋轉(zhuǎn)芯軸外側(cè)點(diǎn)Atl, r為盤香彈簧可旋轉(zhuǎn)芯軸半徑；以任意點(diǎn)O為原點(diǎn)，以射線OAtl所在方向?yàn)閄軸正方向，建立XYZ空間坐標(biāo)系；
[0010]步驟1.2，按圈設(shè)置盤香彈簧，
[0011]其中，第i圈盤香彈簧是以原點(diǎn)0(0，0，O)為圓心，以Ri=r+ih為半徑的圓，h為第i圈盤香彈簧的厚 度，i=l,2, 3，……S，S為自然數(shù)；
[0012]第i圈盤香彈簧的懸掛截面寬度為b，截面慣性矩為
【權(quán)利要求】
1.一種模擬柔性體扭轉(zhuǎn)變形的盤香彈簧模型，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1，建立空間直角坐標(biāo)系，確定柔性體表面上任意點(diǎn)處安放的盤香彈簧，其過程如下: 步驟1.1，建立空間直角坐標(biāo)系， 在給定扭矩M作用下，在柔性體表面任意點(diǎn)O處設(shè)置一盤香彈簧；在距離任意點(diǎn)O為r處，選取盤香彈簧可旋轉(zhuǎn)芯軸外側(cè)點(diǎn)Atl, r為盤香彈簧可旋轉(zhuǎn)芯軸半徑；以任意點(diǎn)O為原點(diǎn)，以射線OAtl所在方向?yàn)閄軸正方向，建立XYZ空間坐標(biāo)系； 步驟1.2，按圈設(shè)置盤香彈簧， 其中，第i圈盤香彈簧是以原點(diǎn)0(0，0，O)為圓心，以Rfr+ih為半徑的圓，h為第i圈盤香彈簧的厚度，i=l,2, 3，……S，S為自然數(shù)； 第i圈盤香彈簧的懸掛截面寬度為b，截面慣性矩為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬柔性體扭轉(zhuǎn)變形的盤香彈簧模型，其特征在于，所述前P圈盤香產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形總計(jì)需要的時延時間不大于1ms。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬柔性體扭轉(zhuǎn)變形的盤香彈簧模型，其特征在于，所有盤香彈簧圈數(shù)中，每圈產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形需要的時延時間構(gòu)成等比數(shù)列，即滿足: 其中，\表示第i圈盤香彈簧產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形需要的時延時間，h為第I圈盤香彈簧產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形需要的時延時間，I ≤ i ≤Po
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種模擬柔性體扭轉(zhuǎn)變形的盤香彈簧模型，其特征在于，所述盤香彈簧模型，在任一圈盤香彈簧上任意一點(diǎn)消耗的扭轉(zhuǎn)力達(dá)到最大扭轉(zhuǎn)力后，其下一圈開始產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。
【文檔編號】G06F17/50GK103678806SQ201310680358
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月12日
【發(fā)明者】張小瑞, 楊松, 孫偉, 宋愛國, 牛建偉, 朱建棟, 沈舒豪 申請人:南京信息工程大學(xué)