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专利号: 2016109544325
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.支持实时按压的柔性体变形仿真建模方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤一、虚拟场景初始化;

步骤二、位置检测,当虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上的任意点时,给定虚拟接触压力;

步骤三、利用不同厚度的碟形弹簧叠合成组合弹簧虚拟模型来模拟虚拟代理与虚拟柔性体交互的局部区域的内部;

步骤四、利用组合弹簧虚拟模型计算虚拟柔性体的局部区域变形量;

步骤五、图形刷新,不断反馈输出力触觉信息,完成支持实时按压的柔性体变形仿真建模;

所述步骤三具体为:

在给定虚拟接触压力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,在碰撞点处悬挂一外径为D、内径为d、厚度为t1、自由高度为H01、被压平时的最大变形量为h0、弹簧刚度为k1的单片碟形弹簧,形成第一层;在第一层的单片碟形弹簧下,同方向设置一外径为D、内径为d、厚度为t2、自由高度为H02、被压平时的最大变形量为h0、弹簧刚度为k2的单片碟形弹簧,形成第二层;在第二层的单片碟形弹簧下,同方向设置一外径为D、内径为d、厚度为t3、自由高度为H03、被压平时的最大变形量为h0、弹簧刚度为k3的单片碟形弹簧,形成第三层,依此类推,在第i层的单片碟形弹簧下,同方向设置一外径为D、内径为d、厚度为ti、自由高度为H0i、被压平时的最大变形量为h0、弹簧刚度为ki的单片碟形弹簧,形成第i+1层,i=

1,2,3,...,N,N为自然数,最终形成组合弹簧虚拟模型;各层单片碟形弹簧的外径、内径、被压平时的最大变形量均相同,且从上至下每一层单片碟形弹簧厚度是前一层单片碟形弹簧厚度的一半;

所述步骤四具体为:

假定给定虚拟接触压力F的作用线和与组合弹簧中心线一致,且在给定虚拟接触压力F作用下,当柔性体中共有M层单片碟形弹簧产生变形,则第M层称为变形截止层;

当给定虚拟接触压力F能使第一层单片碟形弹簧被压缩时产生的变形量h1达到h0时,假定前M-1层单片碟形弹簧被压缩时产生的变形量均与第一层单片碟形弹簧被压平时的最大变形量h0相同,变形截止层第M层单片碟形弹簧被压缩时产生的变形量小于或者等于第一层单片碟形弹簧被压平时的最大变形量h0,则第一层单片碟形弹簧消耗的压力F1为:其中,k1表示第一层单片碟形弹簧的弹簧刚度,h0表示第一层单片碟形弹簧被压平时的最大变形量;

第一层单片碟形弹簧的弹簧刚度k1为:

其中,E、t1、μ、α、D分别为弹性模量、第一层单片碟形弹簧的厚度、泊松比、计算系数、单片碟形弹簧的外径,其中,弹性模量、泊松比的具体数值与柔性体的材质有关;

计算系数α为:

C为外径和内径之比:

第一层单片碟形弹簧被压平时的最大变形量h0为:

h0=H01-t1

其中H01、t1分别为:第一层单片碟形弹簧的自由高度、厚度;

第i层单片碟形弹簧被压平时的最大变形量 为:

其中H0i、ti分别为:第i层单片碟形弹簧的自由高度、厚度,除第一层和变形截止层第M层外,其余各层单片碟形弹簧消耗的压力Fj为:Fj=kjh0

j的取值范围为[2,M-1],

第j层单片碟形弹簧的弹簧刚度kj为:

其中,tj为第j层单片碟形弹簧的厚度,

假设每一层单片碟形弹簧厚度是前一层单片碟形弹簧厚度的一半,则第i层单片碟形弹簧的厚度为:ti=21-it1 i=1,2,3,...,N

变形截止层第M层的变形量为:

变形截止层第M层单片碟形弹簧的弹簧刚度kM为:

其中,tM为第M层单片碟形弹簧的厚度;

使给定虚拟接触压力F作用于虚拟柔性体碰撞点,第i层对应的单片碟形弹簧被压缩,如果前i层所有单片碟形弹簧消耗的压力Fi之和小于给定虚拟接触压力F,且前i层所有的单片碟形弹簧产生压缩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Li后,第i层单片碟形弹簧被压缩到被压平时的最大变形量h0,只有当第i层单片碟形弹簧被压缩到被压平时的最大变形量h0后,第i+1层对应的单片碟形弹簧才开始被压缩,依此类推,直到前M层所有的单片碟形弹簧消耗的压力之和不小于给定的虚拟接触压力,或前M层单片碟形弹簧产生压缩变形总计需要的时延时间不满足刷新频率的要求;

用Ti、Li分别表示第i层单片碟形弹簧产生压缩变形需要的时延时间、前i层所有的单片碟形弹簧产生压缩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单片碟形弹簧产生压缩变形需要的时延时间T1为系数、以i2为变量的递增数列为:Ti=i2T1

从虚拟代理碰撞接触到虚拟柔性体表面算起,假定前i层所有的单片碟形弹簧产生压缩变形总计需要的时延时间Li满足Li<L,其中:L为设定的力触觉再现刷新频率的倒数;

所述虚拟柔性体表面的变形量,也即组合弹簧中前M层的变形量之和h为:其中,(M-1)h0为组合弹簧前M-1层被压平时的最大变形量。