Skin Simulation Models for Tactile Rendering

Abstract

Esmuy común encontrar a nuestro alrededor objetos que tienen un comportamiento mecánico hiperelástico. Las leyes constitutivas de los materiales hiperelásticos relacionan tensión y deformación en un régimen no lineal, es decir, la deformación de este tipo de materiales no es lineal con respecto a la fuerza ejercida sobre ellos. Ejemplos de materiales hiperelásticos son: goma (o caucho), tejidos biológicos blandos o polímeros sólidos, tales como materiales similares al caucho. Nosotros estamos interesados en modelar el comportamiento mecánico del tejido de la piel humana, en particular, en el tejido de los dedos de la mano. Losmodelos constitutivos tradicionalmente usados para representar materiales hiperelásticos son demasiado costosos computacionalmente para ser utilizados en simulaciones físicas en tiempo real. Para resolver este problema, presentamos un nuevo método interactivo de simulación física que reproduce fielmente la extrema elasticidad no lineal del tejido humano, mostrando excelentes y robustas deformaciones en escenarios interactivos en los que se produce contacto con fricción. Utilizamos una formulación de elasticidad no lineal con restricciones de limitación de deformación, siendo ésta una alternativa eficiente para representar materiales hiperelásticos. Para disminuir el coste computacional de la implementación de dinámica con restricciones, proponemos un método de resolución no lineal basado en nuestro modelo no lineal con integración implícita. Primero, presentamos un método de resolución de Jacobi proyectado con line-search, que asegura un coste pequeño por iteración. A continuación, proponemos un novedoso método de resolución no lineal que aproxima en cada iteración las restricciones no lineales reales, para hacer frente a la alta no-linealidad de las restricciones presentes en nuestras simulaciones, obteniendo una solución al problema más rápidamente que con métodos de resolución estándar. Introducimos el concepto de soft finger tactile rendering para dispositivos hápticos cutáneos vestibles. Proponemos un algoritmo para poder controlar todos aquellos dispositivos hápticos cutáneos que estimulan la piel mediante modulación de la superficie de contacto local. Para ello, resolvemos un problema de optimización que optimiza los grados de libertad de cada dispositivo a controlar, usando nuestro modelo de tejido no lineal, que nos permite simular fielmente la deformación de un dedo real en contacto con el dispositivo cutáneo.