基于四元数插值的虚拟人运动建模及实现

针对关键帧动画中,欧拉角描述旋转运动时自由度的丢失,提出了四元数插值方法来模拟人体运动. 首先根据人体结构建立虚拟人骨架模型,其次模拟人体运动建立虚拟人运动模型,然后基于XML表示法建立关键帧数据模型来存储关键帧信息,最后采用四元数方法对给定的关键帧进行插值生成中间帧,并基于OpenGL实现可视化编程. 实验结果表明,该方法能对虚拟人的运动过程进行平滑地插值,该算法框架具有通用性,通过修改关键帧信息可以很好地模拟人体的不同运动.     

三维摄像测量系统在人体上肢运动分析中的应用

使用基于普通摄像机的三维摄像测量系统，对人体上肢运动数据进行了测量。根据人体上肢运动的特点，将其简化为具有7个自由度的刚体运动；通过分析布置在上肢上若干标记点的运动，建立了固连于上肢的关节坐标，提出了关节转角的计算方法，得到了日常活动中人体上肢关节运动数据。     

基于MATLAB的人体膝关节运动捕捉测量与分析

采用MATLAB软件对人体膝关节的运动进行分析处理。首先,编写程序处理运动捕捉测量的人体下肢标记点坐标数据,并进行插值修补;其次,根据所得到的人体下肢运动过程骨性标记点的坐标数据,利用骨性标记点建立人体股骨和胫骨局部坐标系;最后,通过坐标变换,计算人体下肢运动中膝关节股胫关节的屈曲伸展、内收外展和内外旋。对健康志愿者的下蹲和上楼梯动作进行运动捕捉测量,应用所设计的方法对获得的人体膝关节运动数据进行计算分析,验证该方法的可靠性和准确性。结果表明,采用MATLAB软件编程处理的方法,能够快速、准确地对人体膝关节运动数据进行处理,并得到人体膝关节股胫关节的运动学特性,这为人工膝关节假体的设计与优化提供了参考。     

增强骨骼动画运动细节的关键帧插值方法

为了增强人体骨骼运动细节的表达,提出了基于关键帧分类的虚拟人运动插值方法.此方法以人体骨骼间夹角为动作特征,在运动捕获数据的关键帧基础上,将关键帧集合根据其运动特性的不同划分为3类:普通关键帧、变速关键帧、摆动关键帧.在插值阶段依据关键帧类型分别采用线性插值、二次多项式插值和三次多项式插值计算中间帧,最终获得反应运动细节的关键帧动画.实验结果表明,该方法能在最终合成的人体动画中较好地模拟手臂摆动和变速运动的运动效果.     

基于体外传感检测的人体站起动力学分析

基于人体站起运动三肢段动力学模型,采用自制力传感平台与定制的加速度和角速度传感器,开发了一套非侵入式人体运动传感检测系统,并与实验室光学运动采集系统进行了比对验证;基于所检测的信号计算了下肢各关节力矩,分析了人体站起动力学参数特征。本传感分析系统通过穿戴式体外检测,无需解剖学植入传感器,相较于实验室人体动力学检测和分析方法,传感器数量和种类都有所减少,降低了成本。通过比较分析所开发系统与作为参照的实验室光学检测系统的实验数据,验证了本文检测系统的精度和有效性,可用于人体站起康复运动训练检测和评估系统,进而可用于外骨骼康复训练机器人的控制。     

基于无线惯性传感器的人体动作捕获方法

为解决光学式动作捕捉设备成本高昂和操作复杂的问题,提出一种通过佩戴在用户身体上的无线惯性传感器进行人体动作数据捕获的方法.在用户身体的各个运动部位绑定多个由加速度和磁通传感器构成的无线惯性传感器单元,传感器通过无线信号发送运动传感数据到计算机端,应用优化算法计算惯性传感单元的三维朝向信息,最后将四元数与动画角色的骨骼绑定后生成人体动作数据.为了解决运动过程中的行走导致的骨架根节点移动问题,利用地形参数反向计算和调整角色骨架根节点位置,使生成的动作符合地形和环境要求,达到真实自然的运动效果.实验结果表明,使用无线惯性传感器进行人体动作捕获得到的动作数据准确度高,朝向计算方法运行速度快,能够满足实时性应用的要求,同时显著降低动作捕获的成本和使用复杂度.     

虚拟现实中运动物体的建模

介绍用于构造虚拟现实中运动物体的复杂几何模型，网格优化模型和光照模型的方法和设计。成功地构造了由基于三角形的运动单元，基于曲面的关节，面部和由文本控制的虚拟人环境，在给定的初始状态下，通过文本驱动虚拟人以模拟人的运动。     

用于检测下肢关节运动信息的外骨骼机构设计及运动学分析

对人体下肢关节的运动属性、直立行走的步态特征及人-机之间关节运动属性差异对人-机相容性的影响进行了分析,根据下肢康复训练的功能需求并通过在人-机联接环节增置连接关节,提出一种用于检测人体下肢髋、膝关节运动信息的外骨骼机构.建立了外骨骼机构关节运动与人体下肢关节运动之间的映射关系,并对人-机组成的封闭运动链进行了运动仿真分析.分析表明:外骨骼机构的关节运动与人体下肢髋、膝关节运动之间具有确定的量化联系,通过安置于外骨骼机构关节处的传感器能检测人体直立行走时的下肢关节运动信息.     

三维躯干运动的动态稳定性

目的采用肌肉生理解剖数据分析人体躯干系统三维旋转运动的稳定性．方法采用局部线性化方法和生物动力学模型．结果通过系统运动分析,得到肌肉力和关节反作用力的预报分析值．结论这些量可以用来评价和分析由于各种运动以及不适当的位姿造成的腰椎间盘损伤的状况．它还可以用来分析和估计躯干系统各种组合运动的动力学数据及其相应的神经激励信号     

人体步态规律测量分析与研究

为系统研究人体下肢的运动规律,采用基于人体运动图像的检测系统以及人体关节角度测量装置,对人体在跑步机上行走时关节运动轨迹和关节角度进行了测量,该系统通过Visual C 6.0和Matlab/Simulink混合编程,来实现对运动图像以及标志点的采集工作.结合数据融合方法对测量结果进行了处理和分析,得到人体步态规律.测量结果为了解人体运动规律,分析异常步态以及康复治疗提供了依据.     

以人体运动为参照的仿人机器人设计参考准则

为解决仿人机器人设计以经验设计或运动仿真验证为主,尚不存在以人类自身为参照,考虑走跑跳等多种运动行为要求下的初始设计方法问题,对人体多种运动行为进行运动捕捉与足底力测量,选择人体运动过程中关节力矩和关节功率作指标表征仿人机器人应达到的极限驱动能力。利用PhaseSpace三维运动捕捉系统和自行研制的至少5倍于体重的大量程集成化测力鞋系统对6名成年男性进行了走跑跳等运动行为的运动捕捉与足底力的测量实验,根据得到的149组实验数据,分析总结人体走、跑、跳等运动行为特征;采用牛顿-欧拉法对人体下肢机构进行逆动力学计算,用多元非线性拟合法拟合计算结果得到了各关节最大驱动力矩及功率方程式。综合归纳给出了不同运动方式下仿人机器人设计参考准则,为走跑跳等多运动方式仿人机器人的设计提供了参考。     

虚拟现实中个性行为动画的实现

为了提高人体动画的可信度,通过建立个性模型、情感模型和情绪模型来体现虚拟人的性格特征和情感状态,并改进了感知权重的计算方法．性格特征和虚拟人在场景中的空间位置信息决定虚拟人对虚拟场景的感知结果以及因感知而产生的情感和情绪的变化,新的情感状态带动了虚拟人行为动作的改变．最终的动画效果体现出空间位置对情感生成的影响以及个性差别和情感变化对行为动作产生的影响．     

基于智能手机感知的人体运动状态深度识别

为提高智能手机对人体运动状态识别的准确率,提出一种基于并联卷积神经网络（PCNN）的深度识别方法.首先,使用三维数据矩阵规范传感器数据输入格式;其次,使用2个PCNN分别对人体运动的加速度传感器和陀螺仪数据进行卷积和池化操作,实现部分权重共享;最后,在全连接层对两组卷积神经网络进行合并,并使用softmax函数对人体运动状态进行分类.实验结果表明,采用该方法可以从传感器原始数据中提取人体运动状态的深层特征,与传统的机器学习方法相比较,提高了运动状态的识别率.     

气动人工肌肉驱动的类人关节研究

Mckibben气动人工肌肉是一种由气压激励的运动引擎,它可以输出足够的拉力,并具有一定的柔顺性.建立了一个新的机器人肘关节,关节结构由人类肘关节演变而来,由两条对抗设置的Mckibben气动人工肌肉驱动,肌肉对的伸缩运动导致关节旋转;分析和计算了关节角度和人工肌肉收缩长度间的关系,以及最大旋转角的几种可能情形,推导出最大可能旋转角度,讨论了关节结构参数对最大旋转角度的影响,并把该机器人关节和人类关节进行了比较.     

冗余复合构型微创手术机器人定位方法研究

根据冗余复合构型微创手术机器人兼具冗余关节和被动关节的特点,提出了一种针对此类复杂多自由度机器人的定位方法。首先分析了机器人构型特点,然后利用D-H法建立了机器人运动学方程,并结合临床实际,确定冗余关节角,将运动方程进行退化,得到合理的运动学逆解和定位角。利用微型磁定位传感器进行被动关节臂实时位形测定,开发出机械臂定位界面,提示操作者进行定位和臂形设置。实验结果表明,定位方法可行,可视化效果好,适于临床操作。     

一种人体头部运动姿态的测量方法

为了解决人体头部在空间环境中运动时,头部的不良姿态对人体身心健康的影响,设计了一种三维姿态传感器用于测量人体头部运动姿态．三维姿态传感器以单片机为处理核心,恒温系统保证系统的测量精度,两路MEMS高精度加速度传感器测量X轴和Y轴姿态,MEMS磁强计测量Z轴姿态,测得的姿态信号经过16位ADC转换器进行模数转换后,由单片机完成数据处理,通过CAN将三种初始姿态信息欧拉角、方向余弦和四元数传输到计算机．用户可以根据不同需要选择一种初始数据采用专用软件实时计算所需的姿态角、速度和位移量等姿态信息．通过计算结果分析,得出人们在不同环境空间里人体身心最佳状态时头部运动的角度、速度和位移等的姿态信息范围,为人们在以后的生活和工作中更好的调控人体头部姿态提供一个标准,使人体始终处在一个舒适愉悦的状态．实验结果表明三维姿态传感器的测量精度分别达到0．08°、0．03°、0．05°,达到了一般实际工程的测量精度要求,且此方法快速、简单、切实可行．     

一种基于IFGT的运动人体交互跟踪

针对运动人体跟踪的部分遮挡问题，提出了一种基于IFGT的运动人体交互跟踪方法。该方法将运动人体初始化为头部、躯干和下肢等运动blob，并用其blob描述符表达。然后通过投影blob描述符，利用改进的快速高斯变换（IFGT）方法更新、验证运动人体，实现对运动人体的跟踪。算法通过对目标和源数据样本的选择，大大降低了核密度估计的计算代价。实验表明基于IFGT的运动人体交互跟踪方法处理简单，能够较好地处理部分遮挡问题，计算代价较小。     

熔透实时控制用结构光三维视觉传感器的简化数学模型

在作者研制的熔透视觉控制系统中,结构光三维视觉传感器具有不作旋转运动和目标范围小的特点。本文由此特点导出了便于实时计算的传感器简化数学模型。     

基于逆向工程技术的虚拟个性化人台的制作

针对虚拟人台在实现三维服装CAD中的重要性,基于逆向工程提出个性化人台的制作方法.采用德国HumanSolution非接触式人体扫描仪采集数据,使用商用逆向软件给出人体点云数据和曲面重建的流程,完成了制作过程并实现变体.     

基于下肢动力学检测分析的站起康复训练机器人控制

提出了人体站起轨迹控制方法(TCM)和阻尼控制方法(ICM)。采用这两种控制方法可以实现对机器人系统的控制,使患者能安全、有效地进行下肢站起运动康复训练。在患者站起过程中,下肢各肢段旋转角、身体运动轨迹、地面反力(GRF)、压力中心(COP)和绳索张力等参数可由康复机器人系统中的相应传感器实时检测得出,并通过实时运算得出髋、膝、踝各关节力矩,用于反馈控制。试验结果表明,该方法可以保证患者实现安全、舒适、有效的站起训练,适用于站起康复训练机器人控制系统。