[發明專利]一種模擬柔性體可旋轉變形的發條彈簧模型

有效

• 申請號: 201310713728.4
• 申請日: 2013-12-23
• 公開（公告）號: CN103714205A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 張小瑞;朱建棟;孫偉;宋愛國;牛建偉;楊松;朱哲夫
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 朱小兵

技術領域

本發明屬于計算機仿真技術領域，尤其涉及一種模擬柔性體可旋轉變形的發條彈簧模型。

背景技術

虛擬手術仿真是虛擬現實技術在現代手術訓練中的重要應用，主要由醫學數據可視化與建模、人體軟組織器官受力、扭矩形變仿真構成，在視覺與觸覺感官上為用戶提供了手術場景的真實再現。與傳統手術訓練相比，虛擬手術可以模擬活體組織的各種物理及生理特性，極大地改善了手術訓練的效果；同時還可以根據醫生的需要提供不同的可以反復利用的實驗對象，大大降低了外科醫生手術訓練的成本。

人體柔性體形變是虛擬手術仿真的關鍵技術。目前，主要有質點-彈簧模型、有限元模型、邊界元模型等形變模型。彈簧-質點建模方法具有簡單易行、計算量較小、易于實現等優點，但存在拓撲分析困難等弊端。有限元建模方法雖然可對物體的形變進行精確和定量的模擬，但涉及大量繁雜的計算，實時交互性能差。邊界元建模方法雖對建模方法的邊界進行離散，簡化了計算，但在穩定性方面卻存在一定的不足。以上說明，這些常用的柔性體變形物理建模方法均存在計算較為繁雜和仿真精度不高等問題，繼而影響了計算的實時性和有效性。因此，建立精確高效的虛擬柔性體變形仿真的力觸覺建模方法，已成為當前虛擬力觸覺交互系統亟待解決的首要問題。

鑒于上述問題，為了虛擬手術仿真過程中，視覺和力觸覺的有機結合使虛擬仿真更加真實、可信，提出了一種模擬柔性體可旋轉變形仿真的發條彈簧模型。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種模擬柔性體可旋轉變形的發條彈簧模型。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：

一種模擬柔性體可旋轉變形的發條彈簧模型，包括如下步驟：

步驟1，建立空間直角坐標系，確定柔性體表面上任意點處安放的發條彈簧，其過程如下：

步驟1.1，建立空間直角坐標系，

在給定扭矩M作用下，在柔性體表面任意點O處安放一發條彈簧，在距離任意點O為r處設置一發條彈簧可旋轉芯軸外側點A₀，即r為發條彈簧可旋轉芯軸半徑，以任意點O為原點，射線OA₀所在方向為X軸正方向，建立XYZ空間坐標系；

步驟1.2，按圈設置發條彈簧，

其中，在第i-1圈發條彈簧外側A_iX1點，懸掛厚度為h_i=h₁+(i-1)d的第i圈發條彈簧，其中h₁為第1圈發條彈簧的厚度，d為給定的常數且d>0，即第i圈發條彈簧以原點O(0,0,0)為圓心，以為半徑的圓，i=1,2,3,……S，S為自然數，

每圈發條彈簧的寬均為b、截面慣性矩彈性模量E取決于柔性體的材質，且柔性體材質均相同；

步驟2，確定任一圈發條彈簧所消耗的扭矩；

設定給定扭矩M的作用線與發條彈簧可旋轉芯軸外側點A₀處所在的圓相切，且在給定扭矩M作用下，如果柔性體中共有前P圈發條彈簧產生扭轉變形，則第P圈發條彈簧稱為變形截止圈；且P≤S，也就是發條彈簧的圈數至少等于P；

根據發條彈簧特性，設定：

前P-1圈發條彈簧上任意一點在給定扭矩M作用下，所消耗的最大扭轉力相等且均為F₀；第P圈發條彈簧上任意一點在給定扭矩M作用下，所消耗的最大扭轉力均相等，且不大于F₀；

步驟2.1，確定前P-1圈發條彈簧中，第i圈上所有點共消耗的扭矩M_i為：