[發明專利]支持力觸覺反饋的虛擬柔性體變形手術仿真系統

有效

• 申請號: 201010173563.2
• 申請日: 2010-05-14
• 公開（公告）號: CN101901565A
• 公開（公告）日: 2010-12-01
• 發明（設計）人: 宋愛國;張小瑞;孫偉;程盈盈;李佳璐;王楠;胡小科
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G09B23/28
• 分類號: G09B23/28;G06F3/01
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 黃雪蘭

1.一種虛擬柔性體的力觸覺反饋仿真系統，包括：計算機主機(2)和力觸覺交互設備(3)，在計算機主機(2)上連接有顯示器(1)，所述計算機主機(2)至少包括硬盤(24)和1394卡(23)，其特征在于，所述硬盤(24)至少包括：用于檢測虛擬代理位置的位置檢測模塊(241)、用于檢測虛擬代理與虛擬柔性體是否發生碰撞的碰撞檢測模塊(242)、力觸覺計算變形模塊(243)、根據力觸覺計算變形模塊(243)發出的最新力觸覺變形信息的圖形刷新模塊(244)及力觸覺信息反饋模塊(245)，所述硬盤(24)通過1394卡(23)及1394連接線與力觸覺交互設備(3)連接，用于將力觸覺計算變形模塊(243)產生的柔性體表面的變形信息傳輸至力觸覺交互設備(3)，

所述力觸覺計算變形模塊(243)用于在虛擬代理與虛擬柔性體以給定的虛擬接觸力F發生碰撞時，在碰撞點下懸掛第一個等節距圓錐形螺旋彈簧，形成第一層，所述第一層等節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑為d₁、大圈半徑為R_1，2、小圈半徑為R_1，1、節距為t₁、大圈半徑側支承圈數n_1，s2取值為0.5、小圈半徑側支承圈數n_1，s1取值為0.25、有效圈數n₁取值為2；在第一層的等節距圓錐形螺旋彈簧下，懸掛第二個等節距圓錐形螺旋彈簧，形成第二層，所述第二層等節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑為d₁q、大圈半徑為R_1，2q、小圈半徑為R_1，1q、節距為t₁q、大圈半徑側支承圈數n_2，s2取值為0.5、小圈半徑側支承圈數n_2，s1取值為0.25、有效圈數n₂取值為2；在第二層的等節距圓錐形螺旋彈簧下，懸掛第三個等節距圓錐形螺旋彈簧，形成第三層，所述第三層等節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑為d₁q²、大圈半徑為R_1，2q²、小圈半徑為R_1，1q²、節距為t₁q²、大圈半徑側支承圈數n_3，s2取值為0.5、小圈半徑側支承圈數n_3，s1取值為0.25、有效圈數n₃取值為2；依次類推，在第i-1層的等節距圓錐形螺旋彈簧下，懸掛第i個等節距圓錐形螺旋彈簧，形成第i層，所述第i層等節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑為d₁q^i-1、大圈半徑為R_1，2q^i-1、小圈半徑為R_1，1q^i-1、節距為t₁q^i-1、大圈半徑側支承圈數n_i，s2取值為0.5、小圈半徑側支承圈數n_i，s1取值為0.25、有效圈數n_i取值為2，形成第i層，i＝1，2，3，......，N，N為自然數；

假定虛擬接觸力F的作用線和螺旋彈簧中心線一致，且在虛擬接觸力F作用下，等節距圓錐形螺旋彈簧只產生開始接觸時的線性變形，若柔性體中共有M層產生變形，則第M層稱為變形截止層，其中前M-1層的等節距圓錐形螺旋彈簧均被壓縮到彈簧開始接觸時變形的最大線性長度，第M層的彈簧被壓縮的長度不大于彈簧開始接觸時變形的最大線性長度；

對于第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧，因其滿足：

R_i，2-R_i，1＜n_i·d_i????????????????????????(1)

故第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力F_i，z表示為：

Fi,z=Gdi464Ri,23(ti-di′)---(2)]]>

其中，t_i、d′_i分別為第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧的節距、彈簧壓并時圈間中心高度，其大小滿足：

di′=di1-(Ri,2-Ri,1ni·di)2---(3)]]>

前M-1層中任意第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時的線性變形X_i，z為：

Xi,z=niRi,2-Ri,1{16Fi,zGdi4(Ri,24-Ri,14)}---(4)]]>

其中，n_i、F_i，z、R_i，2、R_i，1、d_i分別為第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧的有效圈數且取值n_i＝2、彈簧開始接觸時消耗的外力、大圈半徑、小圈半徑、彈簧絲直徑，G為切變模量；

變形截止層第M層的變形為：

XM,z=F-Σi=1M-1Fi,zPM′---(5)]]>

其中，P′_M為第M層的等節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧剛度，其大小滿足：

PM′=GdM416nM(RM,22+RM,12)(RM,2+RM,1)---(6)]]>

其中d_M、n_M、R_M，2、R_M，1分別為變形截至層第M層的等節距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑、有效圈數、大圈半徑、小圈半徑；

使虛擬接觸力作用于柔性體碰撞點，第i層對應的等節距圓錐形螺旋彈簧開始被壓縮，如果前i層的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力F_i，z之和小于給定的虛擬接觸力F，且第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形總計需要的時延時間滿足刷新頻率1000Hz以上的要求，設共計經過時延L_i后，第i層的彈簧被壓縮，相應的等節距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形，只有當第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧被壓縮到最大線性變形長度后，第i+1層對應的等節距圓錐形螺旋彈簧才開始被壓縮，依此類推，直到前M層所有的等節距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力之和不小于給定的虛擬接觸力，或第M層的等節距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形總計需要的時延時間不滿足刷新頻率的要求；

用l_i、L_i分別表示第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形需要的時延時間、前i層的等節距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形需要的時延時間，且令層間的時延時間滿足以第一層的等節距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形需要的時延時間l₁為首項，以q為公比的等比數列：

l_i＝q^i-1l₁????????????????????????(7)

從虛擬代理碰撞接觸到虛擬柔性體表面算起，假定第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧產生線性變形總計需要的時延時間為L_i，且其須滿足L_i＜L，其中

Li=l1+l2+l3+...+li-1+li]]>

=1-qi1-q·l1---(8)]]>

L為力觸覺再現刷新頻率的倒數；

等節距圓錐形螺旋彈簧力觸覺建模方法中每層的等節距圓錐形螺旋彈簧變形量之和的疊加對外等效為柔性體表面的變形，

X=Σi=1M-1Xi,z+XM,z---(9)]]>

其中，X_i，z為前M-1層中任意第i層的等節距圓錐形螺旋彈簧的最大線性變形，X_M，z為變形截止層第M層的線性變形，X為前M層所有等節距圓錐形螺旋彈簧的線性變形之和。