基于物理模型的人體運(yùn)動(dòng)建模與仿真.pdf

1、虛擬人運(yùn)動(dòng)建模與仿真技術(shù)的研究是一項(xiàng)涉及到物理學(xué)、機(jī)器人學(xué)、生物力學(xué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等多學(xué)科交叉的具有挑戰(zhàn)性的課題?；谖锢砟Ｐ偷奶摂M人運(yùn)動(dòng)仿真是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與動(dòng)畫技術(shù)的研究熱點(diǎn)，但對(duì)于運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)計(jì)算的算法卻一直沒有得到深入研究。研究人員通常是直接使用傳統(tǒng)機(jī)器人學(xué)的運(yùn)動(dòng)建模與仿真控制技術(shù)。然而，由于人體模型龐大的自由度與復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)，人體模型的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)與機(jī)器人系統(tǒng)相比難度要高得多。因此，基于物理的人體運(yùn)動(dòng)建模與仿真迫切需要更為

2、高效的運(yùn)動(dòng)生成與控制技術(shù)。
　　 本文首先介紹了人體運(yùn)動(dòng)建模與仿真的背景與意義，簡(jiǎn)要介紹當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。然后，本文對(duì)以下幾方面進(jìn)行了深入研究：逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法、變結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈建模、多剛體系統(tǒng)正動(dòng)力學(xué)計(jì)算與人體伸及運(yùn)動(dòng)仿真。本文的主要工作與創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 (1)當(dāng)前逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解算法，計(jì)算開銷大，生成姿態(tài)不自然。針對(duì)該問題，提出雙向啟發(fā)式逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解算法BHIK。BHIK算法將尋找關(guān)節(jié)位置的問題轉(zhuǎn)換為尋找直線上某個(gè)點(diǎn)的計(jì)算

3、問題，通過雙向迭代過程來計(jì)算關(guān)節(jié)位置，通過每次調(diào)解單個(gè)關(guān)節(jié)角度來縮小系統(tǒng)誤差。算法將關(guān)節(jié)約束分解為旋轉(zhuǎn)與定位兩個(gè)部分，在每一步迭代計(jì)算中應(yīng)用關(guān)節(jié)約束，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的移動(dòng)范圍控制。BHIK算法在迭代計(jì)算中避免了關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)操作，利用二維約束橢圓簡(jiǎn)化約束問題求解，克服了當(dāng)前逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方法時(shí)間復(fù)雜度高以及易產(chǎn)生奇異性的問題。
　　 (2)針對(duì)在人體運(yùn)動(dòng)模型中運(yùn)動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)變化問題，提出桿件連通性描述方法，該描述法利用指針表明相鄰桿、父子桿與虛

4、擬桿關(guān)系，便于實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)遞歸計(jì)算。通過將原始閉鏈切分為若干關(guān)節(jié)得到虛擬開鏈結(jié)構(gòu)，然后利用開鏈結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)角度雅可比矩陣，給出一般閉運(yùn)動(dòng)鏈與開運(yùn)動(dòng)鏈的動(dòng)力學(xué)方程。該方法有效解決了傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法無法直接應(yīng)用于閉式運(yùn)動(dòng)鏈的問題。基于本文提出的桿件連通性描述方法與閉運(yùn)動(dòng)鏈的動(dòng)力學(xué)方程，提出一種基于分析法的碰撞接觸模型，采用試差法來尋找滿足單面約束的約束條件與約束力。
　　 (3)針對(duì)單位矢量法在人體模型正向動(dòng)力學(xué)求解中復(fù)雜度過高的問