触觉力反馈仿真模型建模方法

摘要

本发明公开了一种触觉力反馈仿真模型建模方法，其特点包括以下步骤：首先采用实体造型技术构建虚拟刮削模型，再根据虚拟刮削模型尺寸，采用实体造型技术构建造型工具，然后通过力反馈设备移动造型工具，通过实体造型技术构建造型工具从起始位置到目标位置之间扫描体，利用该扫描体对虚拟刮削体进行布尔差运算，完成刮削造型过程，并通过实体造型技术计算材料切除量Vcut，然后通过计算得到材料切除率Rcut=Vcut/t，根据造型要求选择虚拟刮削模型材料硬度系数h＝0.1～0.9，建立的触觉力反馈仿真模型Fcut＝h×λ×Rcut。该方法利用计算机虚拟环境，对虚拟刮削体进行刮削造型，计算单位时间内材料刮削量，根据反馈力参数及材料硬度系数，建立了反馈力与材料切除率之间关系模型。

说明书

技术领域

本发明涉及一种触觉力反馈仿真模型建模方法。

背景技术

虚拟油泥造型方法有两种：一种基于几何变形方法，另一种基于材料切除方法。触觉力反馈技术可以实现造型人员通过力觉对虚拟油泥造型过程的控制，增强造型过程的真实感，是一种有效的造型控制方法。基于几何变形方法的虚拟油泥造型技术中已引入触觉力反馈技术，基于材料切除方法的虚拟油泥造型技术中还未见触觉力反馈技术的应用情况。

文献“Sener B.，Wormald P.，Campbell I.Towards‘Virtual Clay’Modeling-Challenges andRecommendations：A Brief Summary of the Literature.Proceedings of the DESIGN 2002 7^thInternational Design Conference，14-17May，Dubrovnik，Croatia，Vol.1：545-551”公开了一种基于几何变形方法的虚拟油泥造型技术，其典型代表是美国SensAble Technologies公司的FreeForm Modeling Plus System，该系统使用质点-弹簧-阻尼器触觉力反馈仿真模型计算交互力，反馈力大小由造型工具进入虚拟物体中的位移量来确定。

质点-弹簧-阻尼器触觉力反馈仿真模型不能满足基于材料切除方法的虚拟油泥造型技术的要求。在基于材料切除方法的虚拟油泥造型技术中，造型中产生力的大小与切除材料的量有关，与造型工具进入虚拟物体的位移量无关。因此，在基于材料切除方法的虚拟油泥造型技术中引入触觉力反馈技术必须开发一种新的触觉力反馈仿真模型。

发明内容

在现有的质点-弹簧-阻尼器触觉力反馈仿真模型中，反馈力大小由造型工具进入虚拟物体中的位移量来确定，与物体变形体积无关，在基于材料切除方法的虚拟油泥造型技术中，造型中产生力的大小与切除材料的量有关，因此，质点-弹簧-阻尼器触觉力反馈仿真模型不能满足基于材料切除方法的虚拟油泥造型技术要求。本发明提出一种基于材料切除率的触觉力反馈仿真模型建模方法，在计算机虚拟环境中，通过力反馈设备操作造型工具对虚拟刮削模型进行刮削造型，计算单位时间内材料刮削量，根据力反馈设备输出力参数及材料硬度系数，建立触觉反馈力与材料切除率之间的关系模型，该模型可用于基于材料切除方法的产品外形建模过程中触觉反馈力的计算。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种触觉力反馈仿真模型建模方法，其特征在于包括下述步骤：

(a)采用实体造型技术构造虚拟刮削模型和造型工具，虚拟刮削模型为实体模型，造型工具为平面刮板；

(b)通过力反馈设备移动造型工具，使造型工具和虚拟刮削模型表面接触，造型工具与虚拟刮削模型表面接触位置为造型工具起始位置，通过力反馈设备传递的反馈力判断造型工具和虚拟刮削模型是否接触；

(c)通过力反馈设备操作造型工具开始刮削造型，造型工具从起始位置移动到虚拟刮削模型内造型工具目标位置，造型工具从起始位置移动到目标位置的造型时间为t，通过实体造型技术构建造型工具从起始位置到目标位置之间扫描体，利用该扫描体对虚拟刮削模型进行布尔差运算，完成刮削造型过程，并通过实体造型技术计算材料切除量V_cut，然后通过计算得到材料切除率

$R_{\mathrm{cut}}=\frac{V_{\mathrm{cut}}}{t}---\left(1\right);$

(d)根据公式(1)计算的材料切除率R_cut计算触觉反馈力

F_feedback＝h×λ×R_cut                     (2)；

公式(2)即为建立的触觉力反馈仿真模型，式中参数h为材料硬度系数，λ为力反馈因子，R_cut为材料切除率。

本发明的有益效果是：本发明提出的基于材料切除率的触觉力反馈仿真模型建模方法和现有的质点-弹簧-阻尼器触觉力反馈仿真模型的根本区别在于根据材料切除率来计算触觉反馈力，可以用于基于材料切除方法的产品造型过程中触觉反馈力的计算，实现通过力觉对造型过程的控制。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

附图是本发明触觉力反馈仿真模型建模方法流程图。

具体实施方式

参照附图。

以基于材料切除率的触觉力反馈仿真模型建模实验为例来说明本发明。

1、构建虚拟刮削模型和造型工具。

本实施例中虚拟刮削模型为立方体，大小为15毫米×15毫米×15毫米。造型工具为长方形平面刮板，根据虚拟刮削模型尺寸，选取该长方形平面刮板长20毫米、宽5毫米、厚0.5毫米。采用实体造型技术构建虚拟刮削模型和造型工具。

2、确定造型工具起始位置。

通过Phantom Desktop力反馈设备移动造型工具，使其与虚拟刮削模型表面相接触，造型工具所在的当前位置即为其起始位置。通过力反馈设备传递的反馈力判断造型工具和虚拟刮削模型是否接触。

3、刮削造型。

通过Phantom Desktop力反馈设备操作造型工具开始刮削造型，造型工具从起始位置移动到虚拟刮削模型内造型工具目标位置，造型工具从起始位置移动到目标位置的造型时间为t＝0.1秒；通过实体造型技术构建造型工具从起始位置到目标位置之间扫描体，利用该扫描体对虚拟刮削模型进行布尔差运算，完成刮削造型过程，并通过实体造型技术计算材料切除量V_cut＝45.2立方毫米；然后通过计算得到材料切除率

4、触觉力反馈仿真模型建模。

虚拟刮削模型的材料选用中等硬度，其材料硬度系数h的范围为0.1～0.9，本实施例为0.5，力反馈因子λ为0.01牛×秒/立方毫米，根据3中计算的材料切除率R_cut计算触觉反馈力

F_feedback＝h×λ×R_cut＝0.5×0.01×452＝2.26牛

触觉反馈力F_feedback小于Phantom Desktop力反馈设备的最大输出力7.9牛，将触觉反馈力F_feedback输出到Phantom Desktop力反馈设备，完成触觉反馈力仿真。

本实施例中建立的触觉反馈力仿真模型如下

F_feedback＝h×λ×R_cut

以上所述仅为本发明方案的较佳实施例，并不用以限定本发明的保护范围。