【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及虛擬現(xiàn)實(shí)，具體的為一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的虛擬反饋力獲取方法及相應(yīng)的電子設(shè)備。
技術(shù)介紹
1、隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛速發(fā)展的背景下，機(jī)械工程領(lǐng)域?qū)μ摂M環(huán)境下的真實(shí)感和互動(dòng)性的要求日益提高；隨著vr系統(tǒng)在機(jī)器人、智能制造技術(shù)和醫(yī)療康復(fù)等方面的廣泛應(yīng)用，如何在虛擬環(huán)境中準(zhǔn)確而高效地模擬物理力學(xué)行為成為了一個(gè)亟待解決的重要問(wèn)題；傳統(tǒng)的虛擬力建模方法通常基于簡(jiǎn)化的物理模型或經(jīng)驗(yàn)性算法，這些方法在模擬復(fù)雜動(dòng)態(tài)行為時(shí)常常存在準(zhǔn)確性不足、計(jì)算效率低下以及用戶交互體驗(yàn)差等問(wèn)題；這些局限性影響了虛擬環(huán)境的真實(shí)性和用戶的沉浸感，從而限制了其在更高級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景中的使用。
2、力反饋技術(shù)是一種較為新穎的人機(jī)交互技術(shù)，當(dāng)虛擬模型進(jìn)行相互碰撞時(shí)，虛擬力模型可以構(gòu)建出精確的的虛擬力，通過(guò)力覺(jué)反饋設(shè)備向用戶模擬出真實(shí)的物理力反饋；目前，力反饋技術(shù)在醫(yī)療康復(fù)、虛擬手術(shù)、機(jī)器人路徑規(guī)劃、游戲開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域的研究日益受到關(guān)注；作為連接物理世界與虛擬世界的重要橋梁，不僅為醫(yī)療領(lǐng)域以及機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，還極大地豐富了人機(jī)交互的體驗(yàn)；傳統(tǒng)的虛擬力模型多基于物理引擎，雖然能夠處理多種復(fù)雜場(chǎng)景，但在計(jì)算復(fù)雜度和實(shí)時(shí)性方面仍存在不足，因此構(gòu)建一種高精度，高實(shí)時(shí)性的虛擬力模型至關(guān)重要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于提供一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的虛擬反饋力獲取方法及相應(yīng)的電子設(shè)備，以提升虛擬現(xiàn)實(shí)中力反饋的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性。
2、基于上述目的，本專利技術(shù)采用如下技術(shù)方案：
3、一種
4、s1、獲取物體信息：通過(guò)傳感器設(shè)備獲取物理物體的位置信息以及運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)；
5、s2、形成代理點(diǎn)：通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸將步驟s1中獲取的物理物體位置信息傳遞到虛擬環(huán)境中，形成代理點(diǎn)位置；
6、s3、計(jì)算碰撞接觸代理點(diǎn)：判斷是否發(fā)生碰撞，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，通過(guò)拉格朗日函數(shù)求極值點(diǎn)的方法得到接觸代理點(diǎn)；
7、s4、計(jì)算接觸深度；通過(guò)計(jì)算步驟s1中得到的物理物體位置與步驟s3中的接觸代理點(diǎn)位置之間的距離得到接觸深度；
8、s5、計(jì)算虛擬反饋力：將物理物體的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)以及步驟s4中得到的接觸深度數(shù)據(jù)輸入到虛擬力構(gòu)建模型中，得到虛擬反饋力。
9、優(yōu)選地，步驟s3計(jì)算碰撞接觸代理點(diǎn)的具體過(guò)程包括：
10、s3.1、建立運(yùn)動(dòng)矢量：在物理物體運(yùn)動(dòng)中，此時(shí)刻的物理物體在虛擬環(huán)境中的代理點(diǎn)位置為上一時(shí)刻的物理物體所在位置；將物理物體在此時(shí)刻的位置點(diǎn)與代理點(diǎn)通過(guò)線段相連，形成一個(gè)名為ln的矢量；
11、s3.2、碰撞檢測(cè)：檢測(cè)對(duì)矢量ln上的點(diǎn)與物體約束平面是否發(fā)生重疊，若發(fā)生重疊則說(shuō)明發(fā)生了接觸碰撞；
12、s3.3、獲取約束平面方程：通過(guò)步驟s3.2碰撞檢測(cè)得到發(fā)生接觸的平面，并獲取該碰撞約束平面方程；
13、s3.4、計(jì)算接觸代理點(diǎn)位置坐標(biāo)：建立模型間彈性勢(shì)能表達(dá)式，與步驟s3.3中得到的約束平面方程聯(lián)立求解，得到接觸代理點(diǎn)的位置坐標(biāo)。
14、優(yōu)選地，步驟s3.4計(jì)算接觸代理點(diǎn)位置坐標(biāo)的具體過(guò)程包括：
15、設(shè)物理物體的實(shí)際位置坐標(biāo)為(xa,ya,za)，代理點(diǎn)位置坐標(biāo)為(x,y,z)，彈性系數(shù)為k，則模型建彈性勢(shì)能表達(dá)式為：
16、
17、與物體發(fā)生碰撞時(shí)的約束平面方程為：
18、anx+bny+cnz+d＝0；
19、式中，an、bn、cn與d是描述約束平面空間特征的參數(shù)；
20、將接觸代理點(diǎn)的位置求解問(wèn)題構(gòu)建成拉格朗日函數(shù)求極值問(wèn)題，其公式如下：
21、
22、式中，l1、l2與l3為拉格朗日乘數(shù)；
23、將拉格朗日函數(shù)的求解轉(zhuǎn)化為拉格朗日乘數(shù)法來(lái)計(jì)算，其公式如下：
24、
25、則接觸代理點(diǎn)的位置坐標(biāo)可表示為：
26、
27、優(yōu)選地，步驟s4計(jì)算接觸深度的具體過(guò)程包括：
28、接觸深度為接觸代理點(diǎn)與物理物體位置點(diǎn)之間形成矢量的模長(zhǎng)，其公式為：
29、δ＝|pn-acontact|；
30、式中，pn為物理物體在某一時(shí)刻的位置，acontact為接觸代理點(diǎn)。
31、優(yōu)選地，步驟s5計(jì)算虛擬反饋力的具體過(guò)程包括：
32、虛擬力構(gòu)建模型輸入的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)包括物理物體的速度、加速度和質(zhì)量，輸出為模擬真實(shí)接觸時(shí)的正反饋力；虛擬反饋力包括正反饋力與摩擦力，當(dāng)物理物體與物理物體發(fā)生滑動(dòng)接觸時(shí)，根據(jù)設(shè)置的摩擦系數(shù)與正反饋力的乘積計(jì)算兩者之間的摩擦力；對(duì)于更復(fù)雜的情況，通過(guò)正反饋力與摩擦力的合力來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬反饋力的構(gòu)建。
33、優(yōu)選地，虛擬力構(gòu)建模型基于改進(jìn)的質(zhì)量-彈簧-阻尼器系統(tǒng)構(gòu)建而成，虛擬力構(gòu)建模型包括儲(chǔ)存物體碰撞過(guò)程中動(dòng)能的非線性彈簧力模型、模擬碰撞過(guò)程中能量耗散的非線性阻尼力模型、以及模擬碰撞過(guò)程中受力的慣性力模型。
34、優(yōu)選地，非線性彈簧力模型通過(guò)接觸表面上應(yīng)力的變化規(guī)律與接觸體的應(yīng)變成線性關(guān)系，在應(yīng)變最大的接觸表面中心壓力最大得到彈簧力模型與接觸深度的關(guān)系成非線性；
35、非線性彈簧力模型主要用于儲(chǔ)存碰撞過(guò)程中的動(dòng)能，通過(guò)引入非線性項(xiàng)(如f＝-kxn，其中n≠1)來(lái)模擬物體碰撞過(guò)程中的復(fù)雜性；這樣，當(dāng)兩個(gè)物體接近時(shí)，它們之間的排斥力會(huì)隨著重疊量的增加而更快地增加，從而模擬出更強(qiáng)烈的非線性反應(yīng)；由于材料處于彈性階段且服從胡克定律，因此接觸表面上應(yīng)力的變化規(guī)律與接觸體的應(yīng)變成線性關(guān)系，在應(yīng)變最大的接觸表面中心壓力最大；根據(jù)接觸表面壓應(yīng)力分布規(guī)律求得表面接觸壓力所組成的合力應(yīng)等于外加載荷，得到接觸力與接觸深度的關(guān)系：
36、fs＝kδ1.5；
37、式中，fs為彈簧力，k為與材料特性和接觸幾何形狀有關(guān)的常數(shù)，也稱接觸剛度系數(shù)，δ為接觸深度；1.5是非線性指數(shù)，通過(guò)彈性力學(xué)方法得到碰撞時(shí)接觸力與接觸深度關(guān)系來(lái)確定，它決定了接觸力與接觸深度之間的非線性關(guān)系。
38、優(yōu)選地，非線性阻尼力模型與接觸深度的關(guān)系成非線性，與阻尼系數(shù)與速度成正比；為了更準(zhǔn)確地模擬碰撞過(guò)程中的能量耗散，將阻尼系數(shù)表示為接觸深度的函數(shù)；這樣，隨著接觸深度的增加，阻尼力也會(huì)相應(yīng)增加，從而更好地反映碰撞過(guò)程中的物理現(xiàn)象；由于上述的彈簧力與接觸深度的非線性關(guān)系，則阻尼力與接觸深度的關(guān)系同理，阻尼力模型方程為：
39、
40、式中，fd為阻尼力，bm為最大阻尼系數(shù)，δm為最大接觸深度，δ為實(shí)際接觸深度，v為物體運(yùn)動(dòng)速度。
41、優(yōu)選地，慣性力模型可以適用于物體受外力作用發(fā)生碰撞的情況；通過(guò)對(duì)碰撞過(guò)程進(jìn)行受力分析可知，上述彈簧力與阻尼力的疊加適用范圍為物體勻速運(yùn)動(dòng)；當(dāng)物體此時(shí)受外力作用未發(fā)生碰撞時(shí)，此時(shí)對(duì)物體進(jìn)行受力分析，根據(jù)牛頓第二定律，此時(shí)物體所受的慣性力模型方程為：
42、fm＝ma；
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1.一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的虛擬反饋力獲取方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬反饋力獲取方法，其特征在于：所述步驟S3計(jì)算碰撞接觸代理點(diǎn)的具體過(guò)程包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬反饋力獲取方法，其特征在于：所述步驟S4計(jì)算接觸深度的具體過(guò)程包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬反饋力獲取方法，其特征在于：所述步驟S5計(jì)算虛擬反饋力的具體過(guò)程包括：
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的虛擬反饋力獲取方法，其特征在于：所述虛擬力構(gòu)建模型基于改進(jìn)的質(zhì)量-彈簧-阻尼器系統(tǒng)構(gòu)建而成，所述虛擬力構(gòu)建模型包括儲(chǔ)存物體碰撞過(guò)程中動(dòng)能的非線性彈簧力模型、模擬碰撞過(guò)程中能量耗散的非線性阻尼力模型、以及模擬碰撞過(guò)程中受力的慣性力模型。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的虛擬反饋力獲取方法，其特征在于：所述非線性彈簧力模型通過(guò)接觸表面上應(yīng)力的變化規(guī)律與接觸體的應(yīng)變成線性關(guān)系，在應(yīng)變最大的接觸表面中心壓力最大得到彈簧力模型與接觸深度的關(guān)系成非線性；所述彈簧力模型方程為：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的虛擬反饋力獲取方法，其特征在于
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的虛擬反饋力獲取方法，其特征在于：所述慣性力模型可以適用于物體受外力作用發(fā)生碰撞的情況，所述慣性力模型方程為：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的虛擬反饋力獲取方法，其特征在于：所述虛擬力構(gòu)建模型適用于具有彈性且服從胡克定律的材料，其虛擬力模型方程為：
10.一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器及處理器，所述存儲(chǔ)器上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于：所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1-9任一所述的基于虛擬現(xiàn)實(shí)的虛擬反饋力獲取方法中的任一步驟。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的虛擬反饋力獲取方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬反饋力獲取方法，其特征在于：所述步驟s3計(jì)算碰撞接觸代理點(diǎn)的具體過(guò)程包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬反饋力獲取方法，其特征在于：所述步驟s4計(jì)算接觸深度的具體過(guò)程包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬反饋力獲取方法，其特征在于：所述步驟s5計(jì)算虛擬反饋力的具體過(guò)程包括：
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的虛擬反饋力獲取方法，其特征在于：所述虛擬力構(gòu)建模型基于改進(jìn)的質(zhì)量-彈簧-阻尼器系統(tǒng)構(gòu)建而成，所述虛擬力構(gòu)建模型包括儲(chǔ)存物體碰撞過(guò)程中動(dòng)能的非線性彈簧力模型、模擬碰撞過(guò)程中能量耗散的非線性阻尼力模型、以及模擬碰撞過(guò)程中受力的慣性力模型。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的虛擬反饋力獲取方法，其特征在于：所述非線性彈簧力模型通過(guò)接觸表面...
【專利技術(shù)屬性】
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申請(qǐng)(專利權(quán))人：上海上智優(yōu)卓機(jī)器人科技有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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