文档介绍：614 2003 全国系统仿真学术年会
虚拟人运动的动力学实现方法研究
何雪微龚光红
(北京航空航天大学先进仿真技术航空科技重点实验室,北京 100083)

摘要:真实人物角色的仿真被广泛应用在机器人研究、医学研究、动画制作、战争预演中的士兵仿真
和空间探索中宇航员的运动仿真等众多领域中。本文采用动力学方法对人体的行走运动进行了仿真,
研究人体各个关节在运动过程中力和力矩的变化规律,得到人体行走过程中腿部各关节的动力学分析
结果,并使用力和力矩驱动虚拟人得到人体运动仿真结果。
关键词:虚拟人;动力学;人体模型;仿真;

1 引言

在许多仿真研究的领域中,力是人体运动必须考虑的因素。人体的动力学仿真针对个
体的物理特性的差异,根据物理学定律研究产生运动的力,实现具有个体特征的运动,而
且随着环境的改变,不同人体的运动也会产生不同的变化,所以应用动力学的仿真方法能
够更好的体现人与环境的交互作用,这对人体仿真的应用有着重要意义。
人体仿真不同于其他交通工具的仿真,人体具有高度关节化,与地形密切相关的特点。
虚拟人的运动控制是虚拟人仿真的主要研究内容,目前,运动控制的实现方法主要有参数
关键帧技术、过程建模方法、运动学、动力学、以及最近使用的传感器运动捕捉法[1]。
动力学按照客观世界的物理定律,将模型质量、惯性、初速度、力和力矩列入影响人
体运动的参数之中,所以产生自然逼真的运动,并应用于许多领域,例如在机器人研究中,
为了让不同的机器人完成不同的作业任务,需要研究各项任务中机器人需要施加的力和力
矩,而在实际生产机器人之前,对机器人的操作运动进行仿真,是检验机器人设计的较好
方法。

2 虚拟人几何建模

人体有二百多个关节,如果对人体进行关节化的建模生成三维人体模型,并提供所有
关节的位置量和旋转角,产生模型的驱动数据进行仿真是一项艰巨的任务。为了有效的应
用动力学方法进行虚拟人仿真,几何建模时应考虑三维人体的运动特性和动力学特性。
将人体各部位体抽象为简单的刚性几何实体[2],即它们具有质量和转动惯量,这样可
以避免人体各部位任意表面形状的复杂计算。描述人体的模型主要涉及人体的头、躯干、
四肢等部位。从生物力学的实验结果得到各部位的质量参数[3]如下图:
仿真技术在各相关领域中的应用 615
名称质量(%)
头和胸部
上臂
前臂
大腿 10
小腿
足

(a)人体骨架模型(b)人体各部分质量
图 1 人体几何模型

人体模型各肢体之间存在运动连带关系,将关节看成点,将关节之间的骨骼看成是链,
就可以按运动关系将各肢体连接起来。三维虚拟人体模型是由相应的部位体和关节组合而
成的链状层次结构,其运动是由整体的平移、旋转以及各关节的旋转产生的。用树结构来
表达人体模型的关节层次化结构如下图:
腰部

左大腿右腿胸部

左小腿左上臂右臂头部

左足左前臂

图 2 人体模型的运动层次结构

在每个关节上固定局部坐标系,这样就可以用齐次坐标变换矩阵来描述这些关节之间
的相对位