【摘要】 本发明公开了一种用于力触觉再现的板弹簧虚拟模型的建模方法，其特征是当检测到虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上任何一点时，在给定的虚拟接触拉力作用下，虚拟代理与虚拟柔性体交互的局部区域内部填充板弹簧虚拟模型，在交互过程中，输出反馈为采用板弹簧虚拟模型计算出来的反应在拉力作用下虚拟柔性体实时变形仿真的力触觉信息的信号；用于力触觉再现的板弹簧虚拟模型中所有单板弹簧变形量之和的叠加对外等效为虚拟柔性体表面的变形，所有单板弹簧被拉伸时消耗的拉力之和等效为给定的虚拟接触拉力；该建模方法准确可靠、计算简便、实时性好、通用性强，能真实的将力触觉信息反馈给操作者，实时逼真地实现对虚拟柔性体的变形仿真。 【专利类型】发明申请 【申请人】南京信息工程大学 【申请人类型】学校 【申请人地址】210044 江苏省南京市宁六路219号 【申请人地区】中国 【申请人城市】南京市 【申请人区县】浦口区 【申请号】CN201010299168.9 【申请日】2010-09-27 【申请年份】2010 【公开公告号】CN101996280A 【公开公告日】2011-03-30 【公开公告年份】2011 【授权公告号】CN101996280B 【授权公告日】2012-07-11 【授权公告年份】2012.0 【发明人】张小瑞; 孙伟; 宋爱国; 李佳璐; 王楠; 程盈盈; 吴伟雄; 李莅圆; 胡小科; 王东霞 【主权项内容】1.一种用于力触觉再现的板弹簧虚拟模型的建模方法，其特征在于该建模方法的主要步骤如下： 步骤1对虚拟场景进行初始化； 步骤2当检测到虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上任何一点时，在给定的虚拟接触拉力F作用下，虚拟代理与虚拟柔性体交互的局部区域内部填充板弹簧虚拟模型，在交互过程中，输出反馈为采用板弹簧虚拟模型计算出来的反应在拉力作用下虚拟柔性体实时变形仿真的力触觉信息的信号，所述板弹簧虚拟模型的建模方法为： (1)参数初始化， (2)在给定的虚拟接触拉力F作用下，当虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上的任意点时，在碰撞点处下悬挂第一层板弹簧，所述第一层板弹簧为n1＝1片单板弹簧，单板弹簧的宽度为b、厚度为h1、长度为l1，n1为第一层板弹簧中单板弹簧的片数；在第一层的板弹簧下悬挂第二层板弹簧，所述第二层板弹簧由n2＝3片单板弹簧叠加构成，单板弹簧的宽度为b、厚度为h2＝h1α、长度分别为l1q、l1q2、l1q3，n2为第二层板弹簧中单板弹簧的片数；在第二层的板弹簧下悬挂第三层板弹簧，所述第三层板弹簧由n3＝5片单板弹簧叠加构成，单板弹簧的宽度为b、厚度为h3＝h1α2、长度分别为l1q4、l1q5、l1q6、l1q7、l1q8，n3为第三层板弹簧中单板弹簧的片数；依此类推，在第i-1层的板弹簧下悬挂第i层板弹簧，所述第i层板弹簧由ni＝2i-1片单板弹簧叠加构成，单板弹簧的宽度为b、厚度为hi＝h1αi-1、长度分别为 ni为第i层板弹簧中单板弹簧的片数，i＝1，2，3，……N，N为自然数；各层板弹簧厚度构成以h1为首项，以α为公比的等比数列，α＝1～2，组成板弹簧的所有单板弹簧长度构成以l1为首项，以q为公比的等比数列，q＝1～1.5，用一宽度为B的簧箍，将组成板弹簧的所有单板弹簧夹紧在一起，b≤B≤b+0.1， 采用簧箍夹紧时，组成力触觉再现的板弹簧虚拟模型中的所有单板弹簧均有一段无效部分，在计算弹簧刚度时，应考虑其影响并进行必要的修正，且假定处于第i层板弹簧中ni片单板弹簧的弹簧刚度均相同，修正后第i层板弹簧中ni片单板弹簧的等效弹簧刚度 为： 其中，L′i、Pi、B分别表示第i层板弹簧中ni片单板弹簧的等效长度、第i层板弹簧中ni片单板弹簧在未考虑无效部分时的等效弹簧刚度、簧箍宽度， ni为第i层板弹簧中单板弹簧的片数，即： ni＝2i-1????????????????????????(3) 第i层板弹簧中ni片单板弹簧在未考虑无效部分时的等效弹簧刚度Pi为： E、Ii′分别为弹性模量、第i层板弹簧中ni片单板弹簧的等效截面惯性矩，第i层板弹簧中ni片单板弹簧的等效截面惯性矩Ii′满足： b、Hi′分别为单板弹簧的宽度、第i层板弹簧中ni片单板弹簧的等效厚度， H′i＝hi＝h1αi-1????????????????????(6) hi、h1、α分别为第i层板弹簧中ni片单板弹簧的厚度、第一层板弹簧中n1片单板弹簧的厚度，各层板弹簧厚度构成的等比数列的公比； 假定给定的虚拟接触拉力F的作用线和组成力触觉再现的板弹簧虚拟模型的中心线一致，且在给定的虚拟接触拉力F作用下，若柔性体中共有M层的力触觉再现的板弹簧虚拟模型产生变形，则第M层称为变形截止层， 若给定的虚拟接触拉力F能使第一层板弹簧中n1＝1片单板弹簧被拉伸时产生的变形量X1达到第一层板弹簧中n1＝1片单板弹簧给定的挠度值XC1，这种情况下假定前M-1层板弹簧中的所有单板弹簧被拉伸时产生的变形量与第一层板弹簧中n1＝1片单板弹簧给定的挠度值相同，变形截止层第M层板弹簧中nM片单板弹簧被同时拉伸时任一单板弹簧产生的变形量均不大于第一层板弹簧中ni＝1片单板弹簧给定的挠度值XC1， 第一层板弹簧中n1＝1片单板弹簧被拉伸时消耗的拉力F1为： 其中，XC1、 分别表示第一层板弹簧中n1＝1片单板弹簧给定的挠度值、修正后第一层板弹簧中n1＝1片单板弹簧的等效弹簧刚度， 其中，L′1、P1、B分别表示第一层板弹簧中n1片单板弹簧的等效长度、第一层板弹簧中n1片单板弹簧在未考虑无效部分时的等效弹簧刚度、簧箍宽度， 根据： L′1＝l1????????????????????????(9) 第一层板弹簧中n1片单板弹簧在未考虑无效部分时的等效弹簧刚度P1满足 E、I1′分别为弹性模量、第一层板弹簧中n1片单板弹簧的等效截面惯性矩，第一层板弹簧中n1片单板弹簧的等效截面惯性矩I1′满足： b、H1′分别为单板弹簧的宽度、第一层板弹簧中n1片单板弹簧的等效厚度， H′1＝h1????????????????????(12) h1为第一层板弹簧中n1片单板弹簧的厚度， 除第一层板弹簧和变形截止层第M层板弹簧外，其余第j层板弹簧中nj片单板弹簧被同时拉伸时消耗的拉力Fj为： j的取值范围为2～M-1， 其中，E、I′j、XC1、δ、L′j分别表示弹性模量、第j层板弹簧中nj片单板弹簧的等效截面惯性矩、第一层板弹簧中n1＝1片单板弹簧给定的挠度值、挠度增大系数、第j层板弹簧中nj片单板弹簧的等效长度， 第j层板弹簧中nj片单板弹簧的等效截面惯性矩I′j满足： b、H′j分别为单板弹簧的宽度、第j层板弹簧中nj片单板弹簧的等效厚度， H′j＝hj＝h1αj-1????????????????????(15) hj、j1、α分别为第j层板弹簧中nj片单板弹簧的厚度、第一层板弹簧中n1片单板弹簧的厚度，各层板弹簧厚度构成的等比数列的公比， 第j层板弹簧中nj片单板弹簧的等效长度满足： nj为第j层板弹簧中单板弹簧的片数，即： nj＝2j-1????????????????????????????(17) 变形截止层第M层板弹簧中nM片单板弹簧被同时拉伸时产生的变形量之和XM为： 变形截止层第M层板弹簧中nM片单板弹簧被同时拉伸时任一单板弹簧产生的变形量 为： 为修正后变形截止层第M层板弹簧中nM＝2M-1片单板弹簧的等效弹簧刚度， 其中，L′M、PM、B分别表示变形截止层第M层板弹簧中nM片单板弹簧的等效长度、变形截止层第M层板弹簧中nM片单板弹簧在未考虑无效部分时的等效弹簧刚度、簧箍宽度， 变形截止层第M层板弹簧中nM片单板弹簧的等效长度满足： nM为变形截止层第M层板弹簧中单板弹簧的片数，即： nM＝2M-1????????????????????????????(22) 变形截止层第M层板弹簧中nM片单板弹簧在未考虑无效部分时的等效弹簧刚度PM为： E、IM′分别为弹性模量、变形截止层第M层板弹簧中nM片单板弹簧的等效截面惯性矩， 变形截止层第M层板弹簧中nM片单板弹簧的等效截面惯性矩IM′满足： b、HM′分别为单板弹簧的宽度、第M层板弹簧中nM片单板弹簧的等效厚度， H′M＝hM＝h1αM-1????????????????????(25) hM、h1、α分别为变形截止层第M层板弹簧中nM片单板弹簧的厚度、第一层板弹簧中n1片单板弹簧的厚度，各层板弹簧厚度构成的等比数列的公比； (3)使给定的虚拟接触拉力F作用于虚拟柔性体碰撞点，第i层板弹簧中ni片单板弹簧被同时拉伸，如果前i层板弹簧中的所有单板弹簧被拉伸时消耗的拉力Fi之和小于给定的虚拟接触拉力F，且前i层板弹簧中的所有单板弹簧被同时拉伸变形总计需要的时延时间满足刷新频率1000Hz以上的要求，设共计经过时延Ti后，第i层板弹簧中ni片单板弹簧被同时拉伸，相应的ni片单板弹簧同时产生拉伸变形，只有当第i层板弹簧中ni片单板弹簧被同时拉伸时产生的变形量达到与第一层板弹簧中n1＝1片单板弹簧给定的挠度值后，第i+1层板弹簧中ni+1片单板弹簧才开始被同时拉伸，相应的ni+1片单板弹簧才开始同时产生拉伸变形，依此类推，直到前M层板弹簧中的所有单板弹簧被拉伸时消耗的拉力之和不小于给定的虚拟接触拉力F，或第M层板弹簧中nM片单板弹簧被同时拉伸变形总计需要的时延时间不满足刷新频率的要求； 用ti、Ti分别表示第i层板弹簧中ni片单板弹簧被同时拉伸变形需要的时延时间、前i层板弹簧中的所有单板弹簧被拉伸变形总计需要的时延时间，且令层间的时延时间满足以第一层板弹簧中n1片单板弹簧被拉伸变形需要的时延时间t1为首项，以ω为公比的等比数列，即： ti＝ωi-1t1????????????????????????(26) 从虚拟代理碰撞接触到虚拟柔性体表面算起，假定前i层板弹簧中的所有单板弹簧被拉伸变形总计需要的时延时间为Ti，且其须满足Ti＜T，其中 T为力触觉再现刷新频率的倒数； 所述用于力触觉再现的板弹簧虚拟模型中所有单板弹簧变形量之和的叠加对外等效为虚拟柔性体表面的变形， 其中，X为前M层板弹簧中的所有单板弹簧被拉伸时产生的变形量之和，Xi为前M-1层板弹簧中任意第i层板弹簧中ni片单板弹簧被同时拉伸时产生的变形量之和，XM为变形截止层第M层板弹簧中nM片单板弹簧被同时拉伸时产生的变形量之和，ni为第i层板弹簧中单板弹簧的片数，XC1为第一层板弹簧中n1＝1片单板弹簧给定的挠度值，F为给定的虚拟接触拉力， 为修正后第一层板弹簧中n1＝1片单板弹簧的等效弹簧刚度。 【当前权利人】南京信息工程大学 【当前专利权人地址】江苏省南京市宁六路219号 【专利权人类型】公立 【统一社会信用代码】12320000466006762K 【被引证次数】10 【被他引次数】2.0 【家族被引证次数】10

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