柔性物体力触觉再现形变模型验证装置和方法

摘要

本发明公开一种柔性物体力触觉再现形变模型验证装置，包括基座、步进电机、平移台、六维力传感器、夹具、至少四个摄像头、摄像头支架和托盘，其中，所述的步进电机固定于基座上，而平移台可移动地设于基座上，并与步进电机连接，在步进电机的控制下在竖直方向移动；六维力传感器和夹具均固定于平移台上；托盘和摄像头支架均固定于基座上，而所有摄像头均匀分布于摄像头支架上。此种验证装置可实时采集柔性物体在多种交互工具作用下的作用力和图像数据，从而达到验证柔性物体力触觉再现形变模型准确性和真实性的目的，具有精度高、分辨率高的特点。本发明还公开一种柔性物体力触觉再现形变模型验证方法。

权利要求

1.一种柔性物体力触觉再现形变模型验证装置，其特征在于：包括基座、步进电机、平移台、六维力传感器、夹具、由夹具所夹持的针或棒、至少四个摄像头、计算机、摄像头支架和托盘，其中，所述基座呈L型，包括竖直方向的移动轴和水平方向的底座，所述步进电机固定于所述竖直方向的移动轴的顶部，平移台活动连接于所述移动轴上并与步进电机连接，所述平移台在步进电机的控制下在竖直方向移动；六维力传感器和夹具均固定于平移台上，六维力传感器采集针或棒所受到的作用力，并传输给计算机；所述计算机将摄像头采集的柔性物体的形变图像、前述作用力，结合时间一并存储；所述托盘和摄像头支架均固定于所述水平方向的底座上，而所有摄像头均匀分布于摄像头支架上。

2.如权利要求1所述的柔性物体力触觉再现形变模型验证装置，其特征在于：所述摄像头支架为圆环形。

3.一种基于如权利要求1所述的柔性物体力触觉再现形变模型验证装置的验证方法，其特征在于包括如下步骤：（1）将柔性物体置于托盘上；

（2）通过步进电机控制针或棒以设定的速度接近柔性物体；

（3）利用六维力传感器采集针或棒所受到的作用力，并判断针或棒是否接触到柔性物体，当确认接触后，再控制针或棒离开柔性物体；

（4）控制针或棒与托盘上的柔性物体进行交互，六维力传感器同步采集针或棒所受到的作用力，摄像头采集柔性物体的形变图像，前述作用力和图像传输给计算机，结合时间一并存储；

（5）交互结束后，根据存储的柔性物体表面的形变图像、作用力和时间，通过三维重建技术构建柔性物体的三维形变模型；

（6）根据已经构建的柔性物体三维形变模型，结合针或棒受到的作用力信息，验证虚拟现实中柔性物体力触觉再现形变模型的准确性和真实性。

说明书

柔性物体力触觉再现形变模型验证装置和方法

技术领域

[0001] 本发明属于力触觉再现技术领域，特别涉及一种应用于力触觉再现虚拟环境中柔性物体形变模型的准确性和真实性的验证装置和验证方法。

背景技术

[0002] 力触觉再现技术，是一种新兴的人机交互技术，它借助力触觉再现设备和计算仿真环境使得操作者可以触摸、感知和操纵虚拟物体。柔性物体，是相对于刚性体而言的，指在外力作用下或是在运动过程中会产生变形的物体，比如肝脏等组织、器官。

[0003] 形变的准确性和真实性是柔性物体力触觉再现模型的重要特性，是指虚拟环境要给人真实感，而且虚拟环境所做出的反应要符合客观规律。为了验证虚拟的柔性物体在多种交互方式下所产生的效果，通常有两种方式。一是对比现有的同类型的实验数据，二是通过实验装置采集柔性物体形变的实测数据。如韩国的光学三维形变分析仪结合一维力传感器的装置，由于拍摄时交互工具会遮挡物体的部分表面，所以不能形成全面的三维形变模型，而且测量的作用力数据比较简单，仅限于一维情况。另外，仪器价格又十分昂贵。

[0004] 因此，本发明人针对现有技术的缺陷和不足，进行深入研究，本案由此产生。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种柔性物体力触觉再现形变模型验证装置和方法，其可实时采集柔性物体在多种交互工具作用下的作用力和图像数据，从而达到验证柔性物体力触觉再现形变模型准确性和真实性的目的，具有精度高、分辨率高的特点。

[0006] 本发明为解决上述技术问题，所采用的解决方案是：

[0007] 一种柔性物体力触觉再现形变模型验证装置，包括基座、步进电机、平移台、六维力传感器、夹具、至少四个摄像头、摄像头支架和托盘，其中，所述的步进电机固定于基座上，而平移台可移动地设于基座上，并与步进电机连接，在步进电机的控制下在竖直方向移动；六维力传感器和夹具均固定于平移台上；托盘和摄像头支架均固定于基座上，而所有摄像头均匀分布于摄像头支架上。

[0008] 上述基座呈L型，包括竖直方向的移动轴和水平方向的底座，其中，步进电机固定于移动轴的顶部，平移台移动设于移动轴上，摄像头支架和托盘固定于底座上。

[0009] 上述摄像头支架为圆环形。

[0010] 一种柔性物体力触觉再现形变模型验证方法，包括如下步骤：

[0011] （1）将柔性物体置于托盘上；

[0012] （2）通过步进电机控制交互工具以设定的速度接近柔性物体；

[0013] （3）利用六维力传感器采集交互工具的作用力，并判断交互工具是否接触到柔性物体，当确认接触后，再控制交互工具离开柔性物体；

[0014] （4）控制交互工具与托盘上的柔性物体进行交互，六维力传感器同步采集交互工具的作用力，摄像头采集柔性物体的形变图像，前述作用力和图像传输给计算机，结合时间一并存储；

[0015] （5）交互结束后，根据存储的柔性物体表面的视频信息，通过三维重建技术构建柔性物体的三维形变模型；

[0016] （6）根据已经构建的柔性物体三维形变模型，结合交互工具受到的作用力信息，验证虚拟现实中柔性物体力触觉再现形变模型的准确性和真实性。

[0017] 采用上述方案后，本发明具有以下优点：

[0018] （1）计算机控制步进电机，从而控制平移台的移动，自动化程度高，精确度高，可以满足交互需求；

[0019] （2）四个摄像头实时拍摄工具与柔性物体的交互过程，事后通过三维重建技术可以全面再现被操作柔性物体的形变过程，真实可靠；

[0020] （3）真实柔性物体的三维形变图像，结合当时通过六维力传感器获得的作用力信息，效果逼真，可以有效地验证柔性物体力触觉再现形变模型的准确性和真实性。

附图说明

[0021] 图1是本发明验证装置的结构示意图；

[0022] 图2是本发明验证方法的工作流程示意图。

具体实施方式

[0023] 以下将结合附图以及具体实验实例，对本发明的结构及实现过程进行详细描述。

[0024] 首先参考图1所示，本发明提供一种柔性物体力触觉再现形变模型验证装置，包括基座8、步进电机1、平移台2、六维力传感器3、夹具4、摄像头5、摄像头支架6和托盘7，以下将分别介绍。

[0025] 基座8呈L型，具有一个位于竖直方向的移动轴81和设于水平面的底座82。

[0026] 步进电机1固定于基座8中移动轴81的顶部。

[0027] 平移台2可移动地设于移动轴81上，并与步进电机1连接，在步进电机1的控制下沿移动轴81上下移动，调节工具与柔性物体的距离。

[0028] 六维力传感器3和夹具4均固定于平移台2上，并随平移台2同步移动，其中的夹具4用于夹持各种与柔性物体进行交互的工具，而六维力传感器3则可精确感受到夹具4所夹持交互工具受到的作用力，并传输给计算机。

[0029] 托盘7设于底座82上，用于放置柔性物体，如肝脏等组织、器官。

[0030] 摄像头支架6呈圆环形，设于底座82上，用于固定摄像头5；在本实施例中，共装设有4个摄像头5（由于被观测物体的表面需要同时从不同角度拍摄的两幅图片才能恢复它的三维信息，因此至少四个摄像头才能实现全方位拍摄，当然也可采用更多数目个摄像头，不以本实施例为限），均匀分布于摄像头支架6上，用于全方位观测托盘7中柔性物体的形变，并将图像数据传输给计算机进行处理，用于恢复柔性物体的形变过程。

[0031] 实际操作时，首先将交互工具（如针、棒等）利用夹具4夹持，并将柔性物体置于托盘7上；通过计算机控制步进电机1，进而控制平移台2带动夹具4上的交互工具靠近托盘7上的柔性物体，并对其进行操作；在此过程中，摄像头支架6上的四个摄像头5从不同角度将柔性物体的形变过程记录下来，并传输给计算机；六维力传感器3感测交互工具受到的作用力，并通过其中的作用力测试模块传输给计算机。操作完成后，根据摄像头5采集到的图像，计算机可以利用三维重建技术全面恢复柔性物体的形变过程，结合形变过程中交互工具的受力情况，就可以真实地反应柔性物体的形变特征。对比虚拟现实中柔性物体力触觉再现形变模型在相同工具下的交互效果，就可以很好地验证模型的准确性和真实性。

[0032] 另外，本发明还提供一种基于前述柔性物体力触觉再现形变模型验证装置的验证方法，具体步骤为：

[0033] （1）确定世界坐标系，固定摄像头，采用匹配算法标定摄像头的外部参数；

[0034] （2）将柔性物体放置在托盘上，选择交互工具并将它固定在夹具上；

[0035] （3）通过步进电机控制交互工具以设定的速度接近柔性物体；

[0036] （4）根据六维力传感器获得的作用力数据判断交互工具是否接触到柔性物体，确认接触后，再移动工具离开柔性物体；

[0037] （5）此时，开始操作工具与托盘上的柔性物体进行交互，六维传感器和摄像头同时将工具受到的作用力和柔性物体形变图像传输给计算机，结合时间一并存储；

[0038] （6）当交互操作结束后，根据存储的柔性物体表面的视频信息，通过三维重建技术构建柔性物体的三维形变模型；

[0039] （7）根据已经构建的柔性物体三维形变模型，结合交互工具受到的作用力信息，就可以有效地验证虚拟现实中柔性物体力触觉再现形变模型的准确性和真实性。

[0040] 以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。