This paper presents the effects of a virtual mass on the stability boundary of a virtual spring in the haptic system. A haptic system consists of a haptic device, a sampler, a virtual rigid body and zero-order-hold. The virtual rigid body is modeled as a virtual spring and a virtual mass. According to the virtual mass and the sampling time, the stability boundary of the virtual spring is analyzed through the simulation. As the virtual mass increases, the value of the virtual spring to guarantee the stability gradually increases and then decreases after reaching the maximum value. These simulation results show that the addition of the virtual mass enables to expand the stability boundary of the virtual spring.
When a human operator interacts with a virtual wall that is modeled as a virtual spring model, the lager the stiffness of the virtual spring is, the more realistic the operator feels that the virtual wall is. In the previous studies, it is shown that the maximum available stiffness of a virtual spring to guarantee the stability can be increased when the first-order-hold method is applied, however the effects of a human impedance on the stability are not considered. This paper presents the effects of a human impedance on stability of haptic system with a virtual spring and a first-order-hold (FOH) method. The human impedance model is modeled as a linear second-order system model. The relations between the maximum available stiffness of a virtual spring and the human impedance such as a mass, a damping and a stiffness are analyzed through the MATLAB simulation. It is shown that the maximum available stiffness is proportional to the square root of the human mass or damping respectively.
This paper presents the effects of a virtual mass on the stability boundary of a virtual spring in the haptic system with first-order-hold. The virtual rigid body is modeled as a virtual spring and a virtual mass. When first-order-hold is applied, we analyze the stability boundary of the virtual spring through the simulation according to the virtual mass and the sampling time. As the virtual mass increases, the stability boundary of the virtual spring gradually increases and then decreases after reaching the maximum value. The results are compared with the stability boundary in the haptic system with zero-order-hold. When a virtual mass is small, the stability boundary of a virtual spring in the system with first-order-hold is larger than that in the system with zero-order-hold.
This paper presents the effects of a virtual mass with a low-pass filter on the stability boundary of a virtual spring in the haptic system. In general, a haptic system consists of a haptic device, a sampler, a virtual impedance model and zero-order-hold. The virtual impedance is modeled as a virtual spring and a virtual mass. However the high-frequency noise due to the sampling time and the quantization error of sampled data may be generated when an acceleration is measured to compute the inertia force of the virtual mass. So a low-pass filter is needed to prevent the unstable behavior due to the high-frequency noise. A finite impulse response (FIR) filter is added to the measurement process of the acceleration and the effects on the haptic stability are simulated. According to the virtual mass with the FIR filter and the sampling time, the stability boundary of the virtual spring is analyzed through the simulation. The maximum available stiffness to guarantee the stable behavior is reduced, but simulation results still show that the stability boundary of the haptic system with the virtual mass is larger than that of the haptic system without the virtual mass.
A simple mechanical model is proposed to demonstrate qualitatively the pancake progressive collapse of multi-storey structures. The impact between two collapsed storeys is simulated using a simple algorithm that builds on virtual mass-spring-damper system. To analyze various collapse modes, columns and beams are considered separately. Parametric studies show that the process of progressive collapse involves a large number of complex mechanisms. However, the proposed model provides a simple numerical tool to assess the overall behavior of collapse arising from a few initiating causes. Unique features, such as beam-to-beam connection failure criterion, and beam-to-column connection failure criterion are incorporated into the program. Besides, the criterion of local failure of structural members can also be easily incorporated into the proposed model.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.14
no.4
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pp.1738-1756
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2020
To improve the accuracy and realism of the virtual surgical simulation system, this paper proposes an optimized mass-spring model with shape restoration ability based on volume conservation to simulate soft tissue deformation. The proposed method constructs a soft tissue surface model that adopts a new flexion spring for resisting bending and incorporates it into the mass-spring model (MSM) to restore the original shape. Then, we employ the particle swarm optimization algorithm to achieve the optimal solution of the model parameters. Besides, the volume conservation constraint is applied to the position-based dynamics (PBD) approach to maintain the volume of the deformable object for constructing the soft tissue volumetric model base on tetrahedrons. Finally, we built a simulation system on the PHANTOM OMNI force tactile interaction device to realize the deformation simulation of the virtual liver. Experimental results show that the proposed model has a good shape restoration ability and incompressibility, which can enhance the deformation accuracy and interactive realism.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2004.10a
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pp.768-773
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2004
Developed in this paper a mass-spring engine to represent and manipulate deformable objects. The deformable object model is a basic technology in the ‘Tangible Space Initiative’. The mass-spring model consists of structural, shear and bending springs. Various forces like external, friction, gravity, spring, and damping forces are considered and collision with planes and spheres are treated. When a sphere collide mass-spring model, mass-spring engine calculates external force to interface mass-spring model. A prototype system is implemented in C on an MS windows machine.
In this study, we establish hyper-elastic haptic feedback in a virtual environment using finite element analysis techniques and develop a Force Torque (FT) sensor utilization method for application in tele-operation environments. In general, regarding haptic feedback data, in a tele-operation environment, the user is provided with feedback according to the measured force data when the model is inserted through an FT sensor. Conversely, in a virtual environment, the press-fitting model can be expressed through the spring-damper system rather than an FT sensor to provide feedback. However, unlike rigid and the elastic bodies, the hyper-elastic body represented by a spring-damper system in a virtual environment is a simple impedance model using stiffness and damping coefficients; it is limited in terms of providing actual feedback. Thus, in this study, haptic feedback was implemented using the data obtained from POD-RBF analysis results during hyper-elastic press-fitting experiments. The haptic feedback mechanism developed in this study was verified by comparing the FT sensor feedback data measured and calculated through hyper-elastic press-fitting experiments with spring-damper feedback data. Subsequently, the POD-RBF analysis feedback was compared and evaluated against the feedback mechanism of each environment through the test subject, and the similarities between the POD-RBF analysis feedback and FT sensor data feedback were verified.
Recently, several studies have been conducted on virtual fixed-point and elastic soil spring methods to simulate the soil-pile interaction in response to spectrum analysis of pile-supported structures. However, the soil spring stiffness has not been properly considered due to the seismic load magnitude, and studies on the response spectrum analysis of pile-supported structures considering this circumstance are inadequate. Therefore, in this study, the response spectrum analysis was performed considering the soil spring stiffness according to the seismic load magnitude, and the dynamic behavior of the pile-supported structure was evaluated by comparing it with existing virtual fixed-point and elastic soil spring methods. Comparing the experiment and analysis, the moment differences occurred up to 117% and 21% in the virtual fixed-point and elastic soil spring models, respectively. Moreover, when the analysis was performed using an API p-y curve considering the soil spring stiffness according to the seismic load magnitude, the moment difference between the experiment and analysis was derived at a maximum of < 4%, and it is the most accurate method to simulate the experimental model response.
International Journal of Fuzzy Logic and Intelligent Systems
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v.5
no.3
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pp.246-252
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2005
Intelligent Space is a space where many sensors and intelligent devices are distributed. Mobile robots exist in this space as physical agents, which provide human with services. To realize this, human and mobile robots have to approach each other as much as possible. Moreover, it is necessary for them to perform interactions naturally. It is desirable for a mobile robot to carry out human affinitive movement. In this research, a mobile robot is controlled by the Intelligent Space through its resources. The mobile robot is controlled to follow walking human as stably and precisely as possible. In order to follow a human, control law is derived from the assumption that a human and a mobile robot are connected with a virtual spring model. Input velocity to a mobile robot is generated on the basis of the elastic force from the virtual spring in this model. And its performance is verified by the computer simulation and the experiment.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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