电磁力反馈中磁场特性分析与线圈姿态计算

电磁力反馈技术是人机交互领域的重要研究方向。电磁力反馈技术能克服机械力反馈技术的摩擦力误差、连接积累误差、操作空间有限等问题,但是线圈的空间姿态摆放对电磁力反馈交互性能影响很大。针对该问题,采用有限元法分析线圈磁场特性并提出了一种基于交互应用需求计算线圈姿态的算法。首先,分析了线圈磁场的盲区特性、线圈的姿态对电流与磁场变化关系的影响及磁场随线圈姿态变化的规律。在此基础上,采用概率云描述了交互应用需求并提出了一种针对不同交互应用需求计算线圈姿态的方法。最后通过实验验证了该线圈姿态算法能大幅提高电磁力反馈交互性能。

虚拟手术系统中电磁力反馈建模仿真与实现

在视触觉虚拟手术环境中,虚拟手术器械作用到虚拟组织上会受到反馈力。基于此背景,建立一种电磁力反馈系统模型,利用该模型模拟虚拟环境中手术器械受到的反馈力。为确保电磁力反馈模型的稳定性,对该模型运用Ansoft有限元分析软件进行仿真。通过电路设计分析和实验,采用ARM Cortex MCU为核心的嵌入式系统控制线圈中电流,得到电磁力与小磁体位置的关系和电磁力与线圈中电流的关系,将实验结果与仿真结果进行对比。实验结果表明,在虚拟手术允许误差范围内,实验结果与仿真结果具有一致性,所述电磁力反馈模型能有效模拟虚拟手术器械受到虚拟组织反馈力的过程。

无条件稳定的显式降维非线性有限元

针对传统降维非线性有限元计算速度与精确度难以兼顾的问题,提出了一种无条件稳定的显式迭代算法。基于泰勒展开式得到速度、加速度的三阶精度差分表达式从而获得新的有限元显式迭代方程,并分析其单自由度系统下的传递矩阵谱半径。改进迭代方程使谱半径始终小于1从而满足无条件稳定的要求。实验表明,改进后的显式迭代算法在等效阻尼比的精度上优于中心差分法和隐式迭代法;在降维非线性有限元模型计算中的计算耗时优于隐式迭代方法,提高了降维非线性有限元的迭代计算速度。模型在降维后维度数值较高时,仍能维持良好的计算耗时和帧率,保证了模型的精确度。