CN112989449A - 一种运动刚度优化的触觉力反馈仿真交互方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种运动刚度优化的触觉力反馈仿真交互方法，包括仿真出初始化质心位置重合的两个三维几何模型，包括静态模型和运动模型；移动运动模型与静态模型发生连续碰撞，并基于局部接触力优化原则，给模型之间每次碰撞及分离赋予预定矢量方向，且进一步结合穿透深度距离计算方法，计算出模型之间每次碰撞再分离时基于预定矢量方向上的最小距离；构建弹性刚度、阻尼常量与最小距离相关联的动力学控制模型，并将最小距离代入动力学控制模型中，得到每次施加给运动模型的力的大小。实施本发明，通过引入不同几何模型的可变虚拟刚度非线性优化算法，实现稳定的刚体模型触觉力反馈仿真交互操作。

Description

一种运动刚度优化的触觉力反馈仿真交互方法及装置

技术领域

本发明涉及计算机图形处理技术领域，尤其涉及一种运动刚度优化的触觉力反馈仿真交互方法及装置。

背景技术

虚拟现实(VR,Virtual Reality)技术作为计算机图形学领域的重要研究分支,其独有的视觉呈现与虚拟仿真交互方式，使用户能够真实地置身于虚拟构造的三维场景中，感受高度沉浸的视觉漫游体验。通过引入虚实融合的多模态视觉、听觉、触觉、嗅觉等感知技术，实现与虚拟场景物体的动态交互，感受虚拟世界所带来的知识学习与视觉震撼，能够有效的应用于医学仿真、教育培训、游戏娱乐、军事模拟、装配制造、工业智能机器人等多个领域，为人类的生产生活提供广泛的智能化数字交互的便利，成为研究人员所关注的研究热点和计算机前沿科技。

在医疗培训仿真领域，引入虚拟现实技术能够有效提高实习医生的临床的理论知识学习与临床模拟手术的业务操作技能，避免了真实手术中技能不熟练所导致的医疗风险，缩短了培训的周期，感受虚拟手术仿真所带来的可试错的优势。借助触觉渲染的触觉感知技术，用户能够感受与虚拟物体交互的接触力觉，通过精确度量操作力输出来模拟实际操作环境，以此达到高度沉浸的手术仿真体验。

然而，由于目前触觉力反馈设备的硬件刷新率要求与复杂几何模型间碰撞检测的计算效率问题，触觉交互过程中所带来的振动、穿透等不稳定性因素影响，导致基于反馈力的虚拟交互并未大范围的适用于实际生活，从而造成设计触觉力反馈交互***并确保其具备稳定交互的特性，是一项非常困难的任务。例如，虚拟环境下非被动离散时间几何模型的交互通常会存在大量的非线性问题。又如，基于触觉交互设备的弹性刚度、惯性阻尼、材质密度、运动冲量等问题在虚拟环境下都会带来触觉设备的震动和稳定性差等混乱的行为无序问题。因此，基于输出数据的优化和控制器信号的延迟响应对于触觉力反馈渲染***的设计，具有非常重要的应用价值。

目前，研究人员主要还是关注触觉力反馈渲染***有关输出信号控制和实际问题的数据优化等方面，从而提高触觉动态交互的稳定性和准确度。例如，Miller等人探索了虚拟环境下如何通过非线性的质量/弹性刚度/阻尼的控制与设计来确保触觉交互过程中震动的降低，以及在人机接口控制***下其他的信号无序等行为，尤其是关注了有关局部弹性***对于延迟响应所获得的非直觉性结果的计算。又如，对于触觉输出数据的控制，KLee等人研究了一种自适应输出限制器的方法来确保触觉渲染的稳定性，其方法对于探索虚拟环境下柔性力可变形模型的触觉交互提供了可能，通过基于时间域被动理论探索了变形模型累积阻抗的快速计算实现交互反射力输出。又如，近期提出的触觉交互控制***的许多解决方案，具体有Rose等人提出了实验室环境下，主动经验对于改进触觉机械构件的反射动力***理论；Yasuda等人提出了一种基于触觉的生物反馈(Biofeedback,BF)***用户中风患者的平衡康复训练。对于多触觉设备的协同交互***，Gil等人基于***建模和稳定性分析，考虑了有关特征刚性模型、震动模式、关节设备等多种情况用于研究稳定关节模型触觉交互的可能性。

总的来说，触觉力反馈渲染***的稳定性和鲁棒性对于虚拟现实环境下高度真实感的触觉响应非常重要，它直接关系着触觉渲染结果的用户体验。

然而，目前的触觉力反馈渲染***对于处理高复杂度、多自由度触觉渲染的应用中，不可避免的会遇到效率过低、内存占用过多、控制复杂、体验不稳定性等问题。

因此，有必要通过引入具备动力学控制优化学习理论的触觉力反馈渲染***，充分地提高***刷新率，改进并增强触觉交互设备的稳定性。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种运动刚度优化的触觉力反馈仿真交互方法及装置，通过引入不同几何模型的可变虚拟刚度非线性优化算法，能够良好地实现稳定的刚体模型触觉力反馈仿真交互操作，从而解决现有技术中几何交互计算刷新率要求高，触觉反馈设备振动且不稳定等问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种运动刚度优化的触觉力反馈仿真交互方法，所述方法包括以下步骤：

S1、仿真出初始化质心位置重合的两个三维几何模型；其中，一三维几何模型为静态模型，另一三维几何模型为可移动的运动模型；

S2、移动所述运动模型与所述静态模型发生连续碰撞，并基于局部接触力优化原则，给所述运动模型与所述静态模型之间每次碰撞及分离赋予预定矢量方向，且进一步结合预设的穿透深度距离计算方法，计算出所述运动模型与所述静态模型之间每次碰撞再分离时基于预定矢量方向上的最小距离；

S3、构建弹性刚度、阻尼常量与最小距离相关联的动力学控制模型，并将所计算出的最小距离代入所述动力学控制模型中，得到每次施加给所述运动模型的力的大小。

其中，所述步骤S2中，所述预设的穿透深度距离计算方法通过公式PD^σ(A，B)＝{min[σ(q,o)]||interior(A(q))Ι B＝φ,q∈C}来实现；其中，

A和B为相互重叠的两个三维几何模型，其初始质心与世界坐标系保持初始化一致，且A模型为运动模型，B模型为静态模型；C为其组态接触空间，用以表示运动模型A的非碰撞空间位置集合；

x(q)表示一个点在运动模型A上的位置为q；[q₁,q₂,q₃]是一个四元数的向量部分，表示位置q₀和q₁相对方向上的变化；[q₄，q₅，q₆]表示位置q₀和q₁之间的相对位置变化；I_xx、I_yy和I_zz是运动模型A的惯性常量矩阵的对角线；V是运动模型A的体积。

其中，所述步骤S2中，所述运动模型通过绑定触觉设备手柄或鼠标进行移动。

其中，所述步骤S3中，所述动力学控制模型通过公式

来表示；其中，

n为[1～2]之间的一个无单位常量，用于反应不同材料和接触面的几何特性；Kx是基于位置的弹性刚度；Bx是基于位置的阻尼常量；x是最小距离。

本发明实施例还提供了一种运动刚度优化的触觉力反馈仿真交互装置，包括：

仿真模型单元，用于仿真出初始化质心位置重合的两个三维几何模型；其中，一三维几何模型为静态模型，另一三维几何模型为可移动的运动模型；

穿透深度距离计算单元，用于移动所述运动模型与所述静态模型发生连续碰撞，并基于局部接触力优化原则，给所述运动模型与所述静态模型之间每次碰撞及分离赋予预定矢量方向，且进一步结合预设的穿透深度距离计算方法，计算出所述运动模型与所述静态模型之间每次碰撞再分离时基于预定矢量方向上的最小距离；

触觉力反馈单元，用于构建弹性刚度、阻尼常量与最小距离相关联的动力学控制模型，并将所计算出的最小距离代入所述动力学控制模型中，得到每次施加给所述运动模型的力的大小。

其中，所述预设的穿透深度距离计算方法通过公式PD^σ(A，B)＝{min[σ(q,o)]||int erior(A(q))Ι B＝φ,q∈C}来实现；其中，

A和B为相互重叠的两个三维几何模型，其初始质心与世界坐标系保持初始化一致，且A模型为运动模型，B模型为静态模型；C为其组态接触空间，用以表示运动模型A的非碰撞空间位置集合；

x(q)表示一个点在运动模型A上的位置为q；[q₁,q₂,q₃]是一个四元数的向量部分，表示位置q₀和q₁相对方向上的变化；[q₄，q₅，q₆]表示位置q₀和q₁之间的相对位置变化；I_xx、I_yy和I_zz是运动模型A的惯性常量矩阵的对角线；V是运动模型A的体积。

其中，所述动力学控制模型通过公式

来表示；其中，

n为[1～2]之间的一个无单位常量，用于反应不同材料和接触面的几何特性；Kx是基于位置的弹性刚度；Bx是基于位置的阻尼常量；x是最小距离。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明采用连续碰撞检测进行高复杂度模型交互，并引用广义穿透深度距离度量计算，以及采用多虚拟刚度非线性优化的自适应力学控制触觉渲染，得到稳定的反馈力输出，从而能够良好地实现稳定的刚体模型触觉力反馈仿真交互操作，解决了现有技术中几何交互计算刷新率要求高，触觉反馈设备振动且不稳定等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明实施例提供的运动刚度优化的触觉力反馈仿真交互方法的流程图；

图2为本发明实施例中提供的一种运动刚度优化的触觉力反馈仿真交互方法的应用场景图；

图3为本发明实施例提供的运动刚度优化的触觉力反馈仿真交互装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，为本发明实施例中，提供的一种运动刚度优化的触觉力反馈仿真交互方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S1、仿真出初始化质心位置重合的两个三维几何模型；其中，一三维几何模型为静态模型，另一三维几何模型为可移动的运动模型；

具体过程为，仿真输入两个三维几何模型，将其初始化质心位置进行重合(即两个模型初始就是叠加的)。定义其中一个模型为运动模型，绑定触觉设备手柄(或没有触觉设备的情况下，直接进行鼠标操作)；另一个模型默认为静态模型。应当说明的是，两个几何模型可以是任何复杂度的几何模型(孔洞、不规则等)。

步骤S2、移动所述运动模型与所述静态模型发生连续碰撞，并基于局部接触力优化原则，给所述运动模型与所述静态模型之间每次碰撞及分离赋予预定矢量方向，且进一步结合预设的穿透深度距离计算方法，计算出所述运动模型与所述静态模型之间每次碰撞再分离时基于预定矢量方向上的最小距离；

具体过程为，在触觉渲染算法中，通常关注多边形模型之间的碰撞交互问题，高效精确的碰撞检测使用空间分离来处理低维线性时间内的几何基元碰撞。常用的两种算法包括基于补偿反馈(Penalty-based)和基于约束(Constraint based)的触觉渲染算法。其中，基于补偿反馈的触觉渲染算法在交互力计算过程中广泛的采用穿透深度(PenetrationDepth,PD)的距离计算，能够保证稳定地力和扭矩仿真输出，主要包括连续碰撞检测来获得分离位置，并结合局部接触力优化来获得稳定的距离矢量方向，以确保得到稳定的反馈力。

因此，首先移动运动模型与静态模型发生连续碰撞，得到很多方向的最小距离，需要基于局部接触力优化原则，给运动模型与静态模型之间每次碰撞及分离赋予预定矢量方向，从而得到预定矢量方向上的最小距离。

穿透深度定义为将相互重叠的两个物体分开的最小距离，如下式：

PD^σ(A，B)＝{min[σ(q,o)]||int erior(A(q))Ι B＝φ,q∈C}；

其中，A和B为相互重叠的两个三维几何模型，其初始质心与世界坐标系保持初始化一致，且A模型为运动模型，B模型为静态模型；C为其组态接触空间，用以表示运动模型A的非碰撞空间位置集合；

本发明采用一种基于组态接触空间(Contact Space)投影技术和闵可夫斯基和(Minkowski Sum)的方法来计算两个交叉几何模型之间的广义渗透深度，通过引入线性化的六维空间距离度量来标识最小分离距离，在上式中以σ标识。该分离运动包含了平移运动和旋转运动的共同作用，从而相似映射为反馈力及扭矩的输出结果，其定义如下式：

其中，x(q)表示一个点在运动模型A上的位置为q；[q₁,q₂,q₃]是一个四元数的向量部分，表示位置q₀和q₁相对方向上的变化；[q₄，q₅，q₆]表示位置q₀和q₁之间的相对位置变化；I_xx、I_yy和I_zz是运动模型A的惯性常量矩阵的对角线；V是运动模型A的体积。

步骤S3、构建弹性刚度、阻尼常量与最小距离相关联的动力学控制模型，并将所计算出的最小距离代入所述动力学控制模型中，得到每次施加给所述运动模型的力的大小。

具体过程为，对于触觉交互的数据特征信息，通过训练学***行异步处理的架构，应对不同场景下触觉交互输出信号的动力学控制。

针对虚拟交互的动态特点，分析并设计具有自适应虚拟刚度、局部低速阻尼限制、加速冲量控制单元的动力学触觉渲染***。通过引用基于Hunt-Crossley非线性模型去除了关于Kelvin Voight(KV)模型中的非连续性影响，Hunt-Crossley非线性模型良好的适用于具有虚拟刚度的环境下，并且对于物理属性不一致的柔性环境也能够达到良好的反馈力控制效果，通过采用基于位置的阻尼状态来构造局部接触点的动态力输出模型，以适应不同场景下触觉交互的动力学控制需求，如下式：

其中，n为[1～2]之间的一个无单位常量，用于反应不同材料和接触面的几何特性；Kx是基于位置的弹性刚度；Bx是基于位置的阻尼常量；x是最小距离。

应当说明的是，对于非线性化的弹性模型，由于初始速度的影响，会带来弹性刚度系数的改变，尤其是对于具有柔性力的可变形模型

而言，这个变化会非常的异常。

其中，y为交互模型的初始与末端的位置，a，b用于定义实验数据。通过实验，很多多边形模型存在很低级数的均方差误差(Root Mean Square,RMS)错误值。考虑到均方差误差值对于高阶模型并不赢下，因此虚拟刚度反馈力使用准静态模型进行构建。通过输出反馈力特征区域的分析，不同区域使用自适应的虚拟刚度进行计算以获取光滑的反馈力输出。

如图2所示，为为本发明实施例中的一种运动刚度优化的触觉力反馈仿真交互方法的应用场景图。

如图3所示，为本发明实施例中，提供的一种运动刚度优化的触觉力反馈仿真交互装置，包括：

仿真模型单元110，用于仿真出初始化质心位置重合的两个三维几何模型；其中，一三维几何模型为静态模型，另一三维几何模型为可移动的运动模型；

穿透深度距离计算单元120，用于移动所述运动模型与所述静态模型发生连续碰撞，并基于局部接触力优化原则，给所述运动模型与所述静态模型之间每次碰撞及分离赋予预定矢量方向，且进一步结合预设的穿透深度距离计算方法，计算出所述运动模型与所述静态模型之间每次碰撞再分离时基于预定矢量方向上的最小距离；

触觉力反馈单元130，用于构建弹性刚度、阻尼常量与最小距离相关联的动力学控制模型，并将所计算出的最小距离代入所述动力学控制模型中，得到每次施加给所述运动模型的力的大小。

其中，所述预设的穿透深度距离计算方法通过公式PD^σ(A，B)＝{min[σ(q,o)]||int erior(A(q))Ι B＝φ,q∈C}来实现；其中，

A和B为相互重叠的两个三维几何模型，其初始质心与世界坐标系保持初始化一致，且A模型为运动模型，B模型为静态模型；C为其组态接触空间，用以表示运动模型A的非碰撞空间位置集合；

x(q)表示一个点在运动模型A上的位置为q；[q₁,q₂,q₃]是一个四元数的向量部分，表示位置q₀和q₁相对方向上的变化；[q_4，q_5，q₆]表示位置q₀和q₁之间的相对位置变化；I_xx、I_yy和I_zz是运动模型A的惯性常量矩阵的对角线；V是运动模型A的体积。

其中，所述动力学控制模型通过公式

来表示；其中，

n为[1～2]之间的一个无单位常量，用于反应不同材料和接触面的几何特性；Kx是基于位置的弹性刚度；Bx是基于位置的阻尼常量；x是最小距离。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明采用连续碰撞检测进行高复杂度模型交互，并引用广义穿透深度距离度量计算，以及采用多虚拟刚度非线性优化的自适应力学控制触觉渲染，得到稳定的反馈力输出，从而能够良好地实现稳定的刚体模型触觉力反馈仿真交互操作，解决了现有技术中几何交互计算刷新率要求高，触觉反馈设备振动且不稳定等问题。

值得注意的是，上述装置实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种运动刚度优化的触觉力反馈仿真交互方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、仿真出初始化质心位置重合的两个三维几何模型；其中，一三维几何模型为静态模型，另一三维几何模型为可移动的运动模型；

S2、移动所述运动模型与所述静态模型发生连续碰撞，并基于局部接触力优化原则，给所述运动模型与所述静态模型之间每次碰撞及分离赋予预定矢量方向，且进一步结合预设的穿透深度距离计算方法，计算出所述运动模型与所述静态模型之间每次碰撞再分离时基于预定矢量方向上的最小距离；

S3、构建弹性刚度、阻尼常量与最小距离相关联的动力学控制模型，并将所计算出的最小距离代入所述动力学控制模型中，得到每次施加给所述运动模型的力的大小。

2.如权利要求1所述的运动刚度优化的触觉力反馈仿真交互方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述预设的穿透深度距离计算方法通过公式PD^σ(A，B)＝{min[σ(q,o)]||interior(A(q))∩B＝φ,q∈C}来实现；其中，

A和B为相互重叠的两个三维几何模型，其初始质心与世界坐标系保持初始化一致，且A模型为运动模型，B模型为静态模型；C为其组态接触空间，用以表示运动模型A的非碰撞空间位置集合；

x(q)表示一个点在运动模型A上的位置为q；[q₁,q₂,q₃]是一个四元数的向量部分，表示位置q₀和q₁相对方向上的变化；[q4，q5，q₆]表示位置q₀和q₁之间的相对位置变化；I_xx、I_yy和I_zz是运动模型A的惯性常量矩阵的对角线；V是运动模型A的体积。

3.如权利要求1所述的运动刚度优化的触觉力反馈仿真交互方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述运动模型通过绑定触觉设备手柄或鼠标进行移动。

4.如权利要求1所述的运动刚度优化的触觉力反馈仿真交互方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述动力学控制模型通过公式

来表示；其中，

n为[1～2]之间的一个无单位常量，用于反应不同材料和接触面的几何特性；Kx是基于位置的弹性刚度；Bx是基于位置的阻尼常量；x是最小距离。

5.一种运动刚度优化的触觉力反馈仿真交互装置，其特征在于，包括：

仿真模型单元，用于仿真出初始化质心位置重合的两个三维几何模型；其中，一三维几何模型为静态模型，另一三维几何模型为可移动的运动模型；

穿透深度距离计算单元，用于移动所述运动模型与所述静态模型发生连续碰撞，并基于局部接触力优化原则，给所述运动模型与所述静态模型之间每次碰撞及分离赋予预定矢量方向，且进一步结合预设的穿透深度距离计算方法，计算出所述运动模型与所述静态模型之间每次碰撞再分离时基于预定矢量方向上的最小距离；

触觉力反馈单元，用于构建弹性刚度、阻尼常量与最小距离相关联的动力学控制模型，并将所计算出的最小距离代入所述动力学控制模型中，得到每次施加给所述运动模型的力的大小。

6.如权利要求5所述的运动刚度优化的触觉力反馈仿真交互装置，其特征在于，所述预设的穿透深度距离计算方法通过公式PD^σ(A，B)＝{min[σ(q,o)]||interior(A(q))∩B＝φ,q∈C}来实现；其中，

A和B为相互重叠的两个三维几何模型，其初始质心与世界坐标系保持初始化一致，且A模型为运动模型，B模型为静态模型；C为其组态接触空间，用以表示运动模型A的非碰撞空间位置集合；

x(q)表示一个点在运动模型A上的位置为q；[q₁,q₂,q₃]是一个四元数的向量部分，表示位置q₀和q₁相对方向上的变化；[q₄，q₅，q₆]表示位置q₀和q₁之间的相对位置变化；I_xx、I_yy和I_zz是运动模型A的惯性常量矩阵的对角线；V是运动模型A的体积。

7.如权利要求5所述的运动刚度优化的触觉力反馈仿真交互装置，其特征在于，所述动力学控制模型通过公式

来表示；其中，

n为[1～2]之间的一个无单位常量，用于反应不同材料和接触面的几何特性；Kx是基于位置的弹性刚度；Bx是基于位置的阻尼常量；x是最小距离。

Images