【摘要】 本发明公开了一种柔性力触觉再现的非对称形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非对称形板弹簧虚拟模型，在交互过程中，输出反馈为采用非对称形板弹簧虚拟模型计算出来的反应在拉力作用下柔性体实时变形仿真的力触觉信息的信号；非对称形板弹簧虚拟模型中每层的非对称形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；该建模方法不仅计算简单，而且能够保证变形计算具有较高精度，仿真实验表明其能够提供实时的力触觉反馈，具有很强的真实感，在变形仿真过程中具有较好的稳定性和实时性。 【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】CN201010299187.1 【申请日】2010-09-27 【申请年份】2010 【公开公告号】CN101964023A 【公开公告日】2011-02-02 【公开公告年份】2011 【授权公告号】CN101964023B 【授权公告日】2012-02-22 【授权公告年份】2012.0 【IPC分类号】G06F19/00 【发明人】张小瑞; 孙伟; 宋爱国; 李佳璐; 程盈盈; 王楠; 李莅圆; 吴伟雄; 胡小科; 王东霞 【主权项内容】1.一种柔性力触觉再现的非对称形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非对称形板弹簧虚拟模型，在交互过程中，输出反馈为采用非对称形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，所述非对称形板弹簧虚拟模型的建模方法为： (1)参数初始化， (2)在给定虚拟接触拉力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，在碰撞点处下悬挂一叶片宽度为b、厚度为h、长度为l1的非对称形单板弹簧，形成第一层，在第一层的非对称形单板弹簧下，设置一叶片宽度为b、厚度为h、长度为l2＝l1q的非对称形单板弹簧，形成第二层，在第二层的非对称形单板弹簧下，设置一叶片宽度为b、厚度为h、长度为l3＝l1q2的非对称形单板弹簧，形成第三层，依此类推，在第i-1层的非对称形单板弹簧下，设置一叶片宽度为b、厚度为h、长度为li＝l1qi-1的非对称形单板弹簧，形成第i层，i＝1，2，3，……N，N为自然数，各层非对称形单板弹簧长度构成以l1为首项，以q为公比的等比数列，q＝1～2，用一宽度为B的簧箍，将组成非对称形板弹簧的所有非对称形单板弹簧夹紧在一起，且簧箍可在非对称形板弹簧上移动，b≤B≤b+0.1， 以虚拟接触拉力F的作用线为分界线，两侧非对称形板弹簧的叶片数相等，叶片厚度相同，分界线将第i层的非对称形单板弹簧长度li分成li′、li″左右两部分，且左右两部分长度的比值相同，即： l1′、l1″，l2′、l2″，l3′、l3″，li′、li″分别表示分界线将第一、二、三、i层的非对称形单板弹簧长度l1、l2、l3、li分成左右两部分，λ表示每层的非对称形单板弹簧以分界线为界分成左右两部分的长度的比值，且每层分成左右两部分长度的比值均相同， 采用簧箍夹紧时，组成柔性力触觉再现的非对称形板弹簧虚拟模型中所有非对称形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，修正后第i层的非对称形单板弹簧的弹簧刚度 为： 其中，li、Pi、B分别为第i层的非对称形单板弹簧的长度、第i层的非对称形单板弹簧在未考虑无效部分时的弹簧刚度、簧箍宽度， 第i层的非对称形单板弹簧在未考虑无效部分时的弹簧刚度Pi满足满足： Pi＝Pi′λ(1+λ)????????????????(3) Pi′为第i层的非对称形单板弹簧在未考虑无效部分时左侧的弹簧刚度，其满足： 其中，E、I、li′分别为弹性模量、截面惯性矩、第i层的非对称形单板弹簧长度li以分 界线为界左侧的长度， 截面惯性矩I满足： 在虚拟接触拉力F作用下，若柔性体中共有M层的非对称形单板弹簧产生变形，则第M层称为变形截止层， 若给定的虚拟接触拉力F能使第一层的非对称形单板弹簧被拉伸时产生的变形量X1达到第一层的非对称形单板弹簧给定的挠度值 这种情况下假定前M-1层的非对称形单板弹簧被拉伸时产生的变形量均与第一层的非对称形单板弹簧给定的挠度值相同，第M层的非对称形单板弹簧被拉伸时产生的变形量不大于第一层的非对称形单板弹簧给定的挠度值， 第一层的非对称形单板弹簧消耗的拉力F1为： 其中， 分别表示第一层的非对称形单板弹簧给定的挠度值、修正后第一层的非对称形单板弹簧刚度， 第一层的非对称形单板弹簧给定的挠度值 为： XC1表示与第一层的非对称形单板弹簧的宽度、厚度、长度均相同的对应的对称式单板弹簧给定的挠度值，λ表示每层的非对称形单板弹簧以分界线为界，分成左右两部分长度的比值，且每层分成左右两部分长度的比值均相同， 除第一层和变形截止层第M层外，其余各层的非对称形单板弹簧消耗的拉力Fj为： j的取值范围为2～M-1， 其中， 为修正后第j层的非对称形单板弹簧的弹簧刚度， lj、Pj、B分别为第j层的非对称形单板弹簧的长度、第j层的非对称形单板弹簧在未考虑无效部分时的弹簧刚度、簧箍宽度， lj＝l1qj-1????????????????????????(11) 第j层的非对称形单板弹簧在未考虑无效部分时的弹簧刚度Pj满足： Pj＝Pj′λ(1+λ)????????????????????(12) Pj′表示第j层的非对称形单板弹簧在未考虑无效部分时左侧的弹簧刚度，λ表示每层的非对称形单板弹簧以分界线为界分成左右两部分的长度的比值，且每层分成左右两部分长度的比值均相同， 其中，E、I、lj′分别为弹性模量、截面惯性矩、第j层的非对称形单板弹簧长度lj以分界线为界左侧的长度， lj＝l1qj-1????????????????????????(15) 截面惯性矩I满足： 变形截止层第M层的变形量为： 为修正后第M层的非对称形单板弹簧的弹簧刚度， lM、PM、B分别为变形截止层第M层的非对称形单板弹簧的长度、变形截止层第M层的非对称形单板弹簧在未考虑无效部分时的弹簧刚度、簧箍宽度， lM＝l1qM-1????????????????????????(19) 变形截止层第M层的非对称形单板弹簧在未考虑无效部分时的弹簧刚度PM满足： PM＝PM′λ(1+λ)????????????????????(20) PM′表示第M层的非对称形单板弹簧在未考虑无效部分时左侧的弹簧刚度，λ表示每层的非对称形单板弹簧以分界线为界分成左右两部分的长度的比值，且每层分成左右两部分长度的比值均相同， 其中，E、I、lM′分别为弹性模量、截面惯性矩、第M层的非对称形单板弹簧长度lM以分界线为界左侧的长度， lM＝l1qM-1????????????????????(23) 截面惯性矩I满足： (3)使虚拟接触拉力F作用于虚拟柔性体碰撞点，第i层对应的非对称形单板弹簧被拉伸，如果前i层所有的非对称形单板弹簧消耗的拉力Fi之和小于给定的虚拟接触拉力F，且前i层所有的非对称形单板弹簧产生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层的非对称形单板弹簧被拉伸到第一层的非对称形单板弹簧给定的挠度值，只有当第i层的非对称形单板弹簧被拉伸到第一层的非对称形 单板弹簧给定的挠度值后，第i+1层对应的非对称形单板弹簧才开始被拉伸，依此类推，直到前M层所有的非对称形单板弹簧消耗的拉力之和不小于给定的虚拟接触拉力，或第M层的非对称形单板弹簧产生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层的非对称形单板弹簧产生拉伸变形需要的时延时间、前i层所有的非对称形单板弹簧产生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的非对称形单板弹簧产生拉伸变形需要的时延时间t1为首项、以w为公比的等比数列： ti＝wi-1t1????????????????????????(25) 从虚拟代理碰撞接触到虚拟柔性体表面算起，假定前i层所有的非对称形单板弹簧产生拉伸变形总计需要的时延时间Ti满足Ti＜T，其中 T为力触觉再现刷新频率的倒数； 所述非对称形板弹簧虚拟模型中每层的非对称形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层所有的非对称形单板弹簧产生的拉伸变形量之和，Xi为前M-1层中任意第i层的非对称形单板弹簧产生的拉伸变形量，XM为变形截止层第M层产生的拉伸变形量，F为给定的虚拟接触拉力， 为修正后第一层的非对称形单板弹簧刚度。 【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 【引证次数】2.0 【被引证次数】18 【他引次数】2.0 【被自引次数】14.0 【被他引次数】4.0 【家族引证次数】2.0 【家族被引证次数】18

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