[發明專利]基于雙層迭代渦卷壓縮彈簧模型的建模方法

在審

• 申請號: 201611258903.5
• 申請日: 2016-12-30
• 公開（公告）號: CN106815416A
• 公開（公告）日: 2017-06-09
• 發明（設計）人: 張小瑞;楊澤俊;孫偉;劉佳;朱利豐;宋愛國;牛建偉
• 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: 劉傳玉

技術領域

本發明涉及計算機仿真技術領域，尤其涉及一種基于雙層迭代渦卷壓縮彈簧模型的建模方法。

背景技術

隨著科學技術飛速發展，我國在醫療衛生方面也取得了長足的進步。近幾年由于外科手術發展的需要，我國在虛擬手術方面開展了大量的研究工作。虛擬手術是指醫生在計算機虛擬環境中進行手術訓練和手術規劃，是虛擬現實技術在醫學上的一種重要應用，虛擬手術能夠模擬常見的手術操作過程，通過虛擬手術，醫生可在手術前對手術過程中涉及到的人體柔性體進行虛擬手術仿真，減小手術風險，獲得最好的手術效果。利用虛擬手術仿真，可大大減少所需的培訓時間和昂貴的動物實驗費用。因此，作為虛擬手術基礎的柔性體仿真技術成為當前的虛擬現實技術的熱點和前沿。

目前基于物理意義的柔性體變形仿真力觸覺建模方法主要有5種：

1.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，但精度和穩定性有限，另外還存在拓撲分析困難等弊端。

2.有限元建模方法雖然較為準確，但涉及大量繁雜的計算，實時交互性能差。

3.Kim等人提出的形狀保持鏈建模方法具有實時性較好的優點，但鏈元素是以剛性體為假設的，精度不高。

4.邊界元建模方法雖對建模方法的邊界進行離散，簡化計算，但在穩定性方面卻存在一定的不足。

5.長單元建模方法具有較高的力觸覺反饋刷新速度，求解方便，但由于建模方法抽象度較高，因此計算精度較低。

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，在保證變形建模方法準確性的同時，簡化算法，提高計算的實時性是當前虛擬力觸覺交互系統亟待解決的首要問題。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對背景技術的不足，提供一種基于雙層迭代渦卷壓縮彈簧模型的建模方法。

本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

基于雙層迭代渦卷壓縮彈簧模型的建模方法，包括如下步驟：

步驟1)，對虛擬場景進行初始化；

步驟2)，當檢測到虛擬代理碰撞到虛擬柔性體表面上任何一點O時，在給定虛擬外力F作用下，虛擬代理與虛擬柔性體交互的局部區域內部填充雙層迭代渦卷壓縮彈簧模型；

所述雙層迭代渦卷壓縮彈簧模型的具體構建方法如下：

步驟2.1)，以O為原點，以水平方向為X軸，建立空間直角坐標系XYZ，O點的坐標為(0,0,0)；

步驟2.2)，構建雙層迭代渦卷壓縮彈簧外層彈簧；

步驟2.2.1)，對于任意大于等于1小于等于N的自然數i，以O_i(0,0,(2i-1)d/2+(i-1)h)為圓心、用直徑為d的彈簧絲形成半徑為R+(i-1)b的渦卷壓縮彈簧，并將該渦卷壓縮彈簧作為雙層迭代渦卷壓縮彈簧外層彈簧的第i層,其中，d為預先設定的第一閾值,N為預先設定的雙層迭代渦卷壓縮彈簧外層彈簧的層數，R為預先設定的第二閾值，b為預先設定的第三閾值；

步驟2.2.2)，將雙層迭代渦卷壓縮彈簧外層彈簧的N層渦卷壓縮彈簧從上到下依次相連；

步驟2.3)，構建雙層迭代渦卷壓縮彈簧內層彈簧；

步驟2.3.1)，對于任意大于等于1小于等于N的自然數i，以O_i(0,0,(2i-1)d/2+(i-1)h)為圓心、用直徑為d的彈簧絲形成半徑為r+(i-1)a的渦卷壓縮彈簧，并將該渦卷壓縮彈簧作為雙層迭代渦卷壓縮彈簧內層彈簧的第i層，其中，r為預先設定的第四閾值，a為預先設定的第五閾值，R大于r，且a小于b；

步驟2.3.2)，將雙層迭代渦卷壓縮彈內層彈簧的N層渦卷壓縮彈簧從上到下依次相連；

步驟2.4)，將雙層迭代渦卷壓縮彈簧外層彈簧的下端和雙層迭代渦卷壓縮彈簧內層彈簧的下端均固定，并在雙層迭代渦卷壓縮彈簧外層彈簧的上端施加給定虛擬外力F；

步驟3)，計算雙層迭代渦卷壓縮彈簧內層彈簧中各層彈簧的形變量；

步驟4)，計算雙層迭代渦卷壓縮彈簧外層彈簧中各層彈簧的形變量；

步驟5)，將雙層迭代渦卷壓縮彈簧中內層彈簧和外層彈簧的各層彈簧的形變量相加，得到虛擬柔性體表面的形變量X；

步驟6)，根據計算出的虛擬柔性體表面的形變量刷新圖形。

作為本發明基于雙層迭代渦卷壓縮彈簧模型的建模方法進一步的優化方案，所述步驟3)包含以下具體步驟：

步驟3.1)，根據以下公式計算雙層迭代渦卷壓縮彈簧內層彈簧每層消耗的外力：