洪 磊，嵇保健，王玉國(guó)

（1.南京工程學(xué)院汽車(chē)與軌道交通學(xué)院，南京 211167；2.南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，南京 211800）

基于VC平臺(tái)的虛擬人運(yùn)動(dòng)分析軟件

洪 磊1，嵇保健2，王玉國(guó)1

（1.南京工程學(xué)院汽車(chē)與軌道交通學(xué)院，南京 211167；2.南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，南京 211800）

常用Jack分析軟件在失重狀態(tài)下無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)作的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)分析和計(jì)算。針對(duì)該問(wèn)題，提出一種虛擬人運(yùn)動(dòng)分析軟件設(shè)計(jì)方法。依據(jù)人體的基本結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特征，結(jié)合剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)和機(jī)器人學(xué)技術(shù)，將虛擬人劃分成15個(gè)體段，使各體段簡(jiǎn)化為勻質(zhì)剛體，并建立多剛體動(dòng)力學(xué)模型，應(yīng)用機(jī)器人Denavit-Hartenberg分析方法進(jìn)行虛擬人的建模和分析，在此基礎(chǔ)上，采用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言形式編寫(xiě)虛擬人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析算法，利用OpenGL工具開(kāi)發(fā)可視化仿真界面建立虛擬人的三維仿真場(chǎng)景。通過(guò)虛擬人飄浮出艙動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證了平臺(tái)的可行性和較好的人機(jī)交互性。

虛擬人；艙外活動(dòng)；VC平臺(tái)；可視化；失重狀態(tài)

1 概述

載人航天活動(dòng)離不開(kāi)航天員進(jìn)行艙外活動(dòng)（Extra-vehicular Activity，EVA）。空間飛行器的在軌組裝與維護(hù)、衛(wèi)星回收、空間維修、空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)等工作，必須由航天員通過(guò)出艙活動(dòng)來(lái)完成［1-2］。為了使航天員在太空微重力環(huán)境下能進(jìn)行精確地操作，需在地面進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的微重力模擬訓(xùn)練。目前，模擬微重力環(huán)境的方法有物理方法和計(jì)算機(jī)方法，物理方法都有一定的局限性，為了彌補(bǔ)這些不足，產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真EVA的方法。計(jì)算機(jī)仿真EVA具有周期短、投資少等優(yōu)點(diǎn)，在載人航天中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在計(jì)算機(jī)仿真EVA時(shí)，需要對(duì)失重狀態(tài)下虛擬人體進(jìn)行分析，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和動(dòng)力學(xué)分析，為太空失重環(huán)境的航天員的各種模擬訓(xùn)練提供數(shù)據(jù)服務(wù)［3-5］。

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一些關(guān)于人體運(yùn)動(dòng)的可視化計(jì)算機(jī)仿真軟件，這些成果大多用于宇航與工效評(píng)估領(lǐng)域。運(yùn)動(dòng)人體軟件（DynamicMan，DYNMAN）［6］由美國(guó)電子安全協(xié)會(huì)開(kāi)發(fā)，主要用于人機(jī)工程和人體模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，可進(jìn)行零重力和正常重力下宇航員的運(yùn)動(dòng)以及對(duì)航天機(jī)艙的工作環(huán)境評(píng)估，并提供不同形態(tài)特征的宇航員的三維圖象模型，具有較強(qiáng)的可視性，但沒(méi)有考慮人體的動(dòng)力學(xué)特性和人體受力問(wèn)題。美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)人體建模與仿真中心開(kāi)發(fā)的Jack軟件是一種人體行為仿真分析軟件［7-8］，能夠按照設(shè)計(jì)者的要求模擬人體姿態(tài)并生成連續(xù)的動(dòng)作仿真。是目前應(yīng)用最廣泛的一種人體運(yùn)動(dòng)仿真軟件，但它無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)失重狀態(tài)下航天員動(dòng)作的動(dòng)力學(xué)分析和計(jì)算，不利于掌握人體各關(guān)節(jié)的受力情況。同時(shí)，該軟件價(jià)格比較昂貴，非Jack軟件的用戶無(wú)法使用其人機(jī)交互功能，因此，應(yīng)用上有一定的局限性。針對(duì)上述問(wèn)題，有必要建立一種易于普及且有一定交互能力的虛擬人運(yùn)動(dòng)分析軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)失重狀態(tài)下航天員動(dòng)作分析與仿真。雖然航天員艙外作業(yè)動(dòng)力學(xué)具有特殊的物理背景，但究其本質(zhì)，仍然符合普遍意義下的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律，虛擬人可劃分為多個(gè)體段，視為多剛體的動(dòng)力學(xué)模型，其動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究符合多剛體機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的研究條件，可應(yīng)用機(jī)器人Denavit-Hartenberg（DH）分析方法進(jìn)行虛擬人的建模和分析［9］，相比于Matlab，Maple等工程語(yǔ)言，機(jī)器人相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析算法更適宜采用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其執(zhí)行速度快，代碼移植性好，因此，本文提出一種基于Visual C++（VC）平臺(tái)的虛擬人運(yùn)動(dòng)分析軟件設(shè)計(jì)方法，該方法采用C語(yǔ)言編寫(xiě)虛擬人運(yùn)動(dòng)分析算法，同時(shí)集成OpenGL圖形庫(kù)開(kāi)發(fā)可視化仿真界面，建立虛擬人的三維仿真場(chǎng)景。

2 軟件整體設(shè)計(jì)方案

本文所開(kāi)發(fā)的VC軟件以失重狀態(tài)下虛擬人體運(yùn)動(dòng)分析和仿真研究為目標(biāo)，通過(guò)設(shè)定各種輸入條件（包括人體測(cè)量參數(shù)、運(yùn)動(dòng)軌跡上的關(guān)鍵點(diǎn)、外力參數(shù)、各體段及關(guān)節(jié)的速度等），解算出沿該軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)的詳細(xì)路徑，以及在完成該運(yùn)動(dòng)過(guò)程中人體各關(guān)節(jié)的力矩。運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果以三維模型的形式顯示，數(shù)據(jù)以文本形式保存。

2.1 設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)以人體運(yùn)動(dòng)分析為核心，結(jié)合航天員艙外活動(dòng)中漂浮出艙、開(kāi)艙門(mén)、爬梯3個(gè)典型動(dòng)作展開(kāi)研究，完成了軟件的整體方案設(shè)計(jì)，方案包括3個(gè)基本的功能模塊：（1）虛擬人體建模；（2）受力運(yùn)動(dòng)分析；（3）運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)解算。

整體設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)

主要模塊具體如下：

（1）虛擬人體的建模模塊

建模模塊主要完成虛擬人體模型體段劃分，進(jìn)行虛擬人體整體坐標(biāo)系與各體段坐標(biāo)系的定義，確定各坐標(biāo)系之間的變化關(guān)系。

（2）受力運(yùn)動(dòng)分析模塊

受力運(yùn)動(dòng)分析模塊主要完成虛擬人在運(yùn)動(dòng)中各體段質(zhì)心位姿的計(jì)算、外力/力矩對(duì)人體位姿影響的解算及計(jì)算給定人體運(yùn)動(dòng)所需的外力/力矩。

（3）運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)解算模塊

運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)解算模塊主要完成運(yùn)動(dòng)約束條件分析、給定路徑關(guān)鍵點(diǎn)的軌跡規(guī)劃和沿給定運(yùn)動(dòng)軌跡的各體段關(guān)節(jié)力和力矩解算。

2.2 軟件程序設(shè)計(jì)流程

根據(jù)軟件整體設(shè)計(jì)方案，虛擬人體運(yùn)動(dòng)分析解算的C語(yǔ)言程序流程如圖2所示。

圖2 虛擬人體運(yùn)動(dòng)分析C語(yǔ)言流程

為避免錯(cuò)誤發(fā)生，程序設(shè)計(jì)時(shí)考慮了異常情況處理。異常情況主要包括接口數(shù)據(jù)文本輸入格式錯(cuò)

誤、文本輸入數(shù)據(jù)顯失真、數(shù)據(jù)保存錯(cuò)誤等。對(duì)于如上錯(cuò)誤形式，可根據(jù)程序提示核對(duì)文本輸入數(shù)據(jù)，給出正確的數(shù)據(jù)形式。

3 虛擬人體建模和運(yùn)動(dòng)分析

虛擬人的建模需要考慮人體的基本結(jié)構(gòu)也要考慮人體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特征。在本文軟件設(shè)計(jì)中的人體建模結(jié)合了機(jī)器人學(xué)和剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)技術(shù)，將虛擬人體進(jìn)行必要的體段劃分，并將各體段簡(jiǎn)化為不同形狀的勻質(zhì)剛體來(lái)進(jìn)行處理，在不影響結(jié)果的情況下，使分析計(jì)算量大大簡(jiǎn)化。

3.1 虛擬人體建模

本文軟件所采用的虛擬人體建模參數(shù)按中國(guó)成年男子（170 cm）的平均體段數(shù)據(jù)做為參考標(biāo)準(zhǔn)［10-12］。 根據(jù)設(shè)計(jì)需求，建模需要人體各體段質(zhì)量、尺寸、回轉(zhuǎn)半徑、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)數(shù)據(jù)，作為輸入?yún)?shù)，實(shí)際應(yīng)用可根據(jù)宇航員的真實(shí)情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

借鑒機(jī)器人學(xué)的相關(guān)技術(shù)，將虛擬人體簡(jiǎn)化為空間多臂機(jī)器人模型，分成5個(gè)分支共15個(gè)體段來(lái)分析。軀干作為載體部分，5個(gè)分支分別是左臂分支、右臂分支、左腿分支、右腿分支、頭頸分支。15個(gè)體段分別是軀干、左上臂、左前臂、左手部、右上臂、右前臂、右手部、左大腿、左小腿、左腳部、右大腿、右小腿、右腳部、頸部、頭部。 其中，左臂、右臂分支各7個(gè)自由度，左腿、右腿分支各4個(gè)自由度，頭頸分支2個(gè)自由度［13-14］，15個(gè)體段共包括24自由度。

圖3為系統(tǒng)整體坐標(biāo)系，i=1，2，3，4，5分別代表左臂分支、右臂分支、左腿分支、右腿分支和頭頸分支。

圖3 系統(tǒng)整體坐標(biāo)系

變量定義如下：

（1）ΣI：慣性坐標(biāo)系；

（2）ΣO：軀干坐標(biāo)系；

（3）ΣiB：i臂基座坐標(biāo)系；

（4）Σik：i臂第k桿坐標(biāo)系（k=0，1，…，n）；

（5）Cik：i臂第k桿質(zhì)心（k=0，1，…，n）；

（6）Jik：連接i臂第k-1桿和第k桿之間的關(guān)節(jié)（k=0，1，…，n）；

（7）bi0：軀干質(zhì)心到i臂第一關(guān)節(jié)的向量；

（8）rIO：慣性坐標(biāo)原點(diǎn)到軀干質(zhì)心的向量；

（9）rik：i臂第k桿質(zhì)心位置向量（k=0，1，…，n）；

（10）rie：i臂末端位置向量。

虛擬人體各體段分支采用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)DH方法建立連桿坐標(biāo)系，以左臂分支為例，其各體段連桿坐標(biāo)系如圖4所示。

圖4 左臂分支連桿坐標(biāo)系

在圖4中，Lua，Lfa和Lhd分別表示左上臂、左前臂和左手的長(zhǎng)度；Cua，Cfa和Chd分別表示各自的質(zhì)心。

根據(jù)左臂分支各關(guān)節(jié)連桿的DH參數(shù)可以寫(xiě)出各個(gè)關(guān)節(jié)連桿之間以及左上臂、左前臂、左手到相應(yīng)的關(guān)節(jié)連桿的變換矩陣。2個(gè)相鄰坐標(biāo)系之間的DH參數(shù)變換矩陣為：

其中，a，α，d和θ為DH參數(shù)，可由圖4坐標(biāo)系得到。同理可建立其他分支局部坐標(biāo)系各體段之間的變換矩陣。

3.2 虛擬人體受力運(yùn)動(dòng)分析

與地面情況不同，在空間環(huán)境下，人體處于失重狀態(tài)，系統(tǒng)受到的外力主要來(lái)自于人體與外部環(huán)境（操作物或艙體）的接觸力。作用力的作用點(diǎn)主要在四肢部位（手部及腳部）。因此，對(duì)于虛擬人受力分析主要考慮2點(diǎn)：四肢受力和接觸外力。其正問(wèn)題是考慮虛擬人受力后對(duì)人體位姿的影響。反問(wèn)題是

考慮人體要達(dá)到某種位姿，反推需要作用的外力。下面著重說(shuō)明受力對(duì)人體位姿的影響。

在空間環(huán)境下，人體受力主要作用在四肢部位，以手部受力為例，一般力的作用點(diǎn)選取在左手或右手的質(zhì)心位置。為簡(jiǎn)化運(yùn)算，對(duì)于推力動(dòng)作，力的作用方向垂直手心向內(nèi)，而對(duì)于拉力動(dòng)作，力的作用方向垂直手心向外。

圖5 虛擬人體受力分析

對(duì)人體位姿將產(chǎn)生較大影響，其分析步驟如下：

（1）確定人體受力時(shí)刻的狀態(tài)。一般由軀干質(zhì)心位姿和各體段關(guān)節(jié)角來(lái)確定。由于人體受力后會(huì)相對(duì)其質(zhì)心繞χ，y和z軸反轉(zhuǎn)，因此受力狀態(tài)還包括確定質(zhì)心位置和人體相對(duì)于質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

（2）為在力坐標(biāo)系即系統(tǒng)質(zhì)心系下分析，求力在系統(tǒng)質(zhì)心系χ-y-z 3個(gè)方向的投影。

（3）計(jì)算系統(tǒng)產(chǎn)生了平動(dòng)速度向量 V和位移d向量。

由于手部受力作用實(shí)際較短，可以視為人體受到了沖量的作用。設(shè)沖量作用的時(shí)間為tf，人體受力的飄浮時(shí)間為tm。人體總質(zhì)量設(shè)為Ma，則根據(jù)沖量定理得：

（4）計(jì)算繞系統(tǒng)質(zhì)心χ，y，z方向的力臂和力矩。

作用力相對(duì)于系統(tǒng)質(zhì)心的力臂向量 L，即手部質(zhì)心相對(duì)系統(tǒng)質(zhì)心系的位置向量h在3個(gè)方向的值為手部質(zhì)心與系統(tǒng)質(zhì)心坐標(biāo)差如下：

進(jìn)而結(jié)合3個(gè)方向上的受力，求出繞系統(tǒng)質(zhì)心系χ，y，z軸力矩向量M的大?。?/p>

（5）計(jì)算運(yùn)動(dòng)角速度向量 ω和繞系統(tǒng)質(zhì)心角位移向量θ。

根據(jù)已經(jīng)求得的力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，由動(dòng)量矩定理可得到虛擬人體繞質(zhì)心系 χ，y，z軸的角速度向量ω：

在受力后的漂浮階段可以視其角速度不變，因此，繞質(zhì)心三方向的角位移向量θ：

（6）計(jì)算末點(diǎn)軀干位姿。由于本文計(jì)算以軀干質(zhì)心位姿為基準(zhǔn)，因此需要根據(jù)系統(tǒng)質(zhì)心反算軀干質(zhì)心。

至此，得出終點(diǎn)處軀干位姿坐標(biāo)，由于各體段關(guān)節(jié)角在此過(guò)程中保持不變，則終點(diǎn)處人體系統(tǒng)狀態(tài)

確定，根據(jù)軀干坐標(biāo)系與各體段坐標(biāo)系的變換關(guān)系，各體段位姿坐標(biāo)可求。

4 虛擬人的三維建模與仿真

4.1 虛擬人三維模型的建立

本文應(yīng)用機(jī)器人學(xué)技術(shù)，將虛擬人體簡(jiǎn)化為空間多臂機(jī)器人模型來(lái)分析，虛擬人的三維模型可參考一般機(jī)器人的三維模型的建立過(guò)程［15-16］，這里將單臂機(jī)器人擴(kuò)展為五臂機(jī)器人，在Visual C++開(kāi)發(fā)環(huán)境下，構(gòu)建虛擬人OpenGL三維模型，基于VC平臺(tái)的虛擬人運(yùn)動(dòng)分析軟件界面如圖6所示。

圖6 基于VC平臺(tái)的虛擬人運(yùn)動(dòng)分析軟件界面

該軟件界面中左邊為仿真視景區(qū)，右邊為操作面板區(qū)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析等多項(xiàng)操作。

4.2 虛擬人飄浮動(dòng)作運(yùn)動(dòng)仿真

圖7給出了一組虛擬人自由漂浮動(dòng)作的仿真，其中，圖7（a）～圖7（f）分別表示了0 s～15 s中6個(gè)關(guān)鍵幀的圖像。

圖7 虛擬人自由漂浮動(dòng)作關(guān)鍵幀仿真

它模擬了宇航員出艙的運(yùn)動(dòng)。這一組漂浮動(dòng)作仿真的6個(gè)關(guān)鍵幀位姿數(shù)據(jù)可由Jack軟件提供，輸出txt文件。VC軟件讀入這些初始數(shù)據(jù)后，利用3次條樣插值算法完成這個(gè)路徑規(guī)劃并輸出仿真動(dòng)作結(jié)果，計(jì)算給出該路徑下各關(guān)節(jié)的力矩在不同時(shí)刻t時(shí)對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果如表1和表2所示。

表1 左、右臂分支7個(gè)關(guān)節(jié)的力矩 （N·m）

表2 左、右腿分支4個(gè)關(guān)節(jié)的力矩 （N·m）

計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性目前由于各種條件限制無(wú)法進(jìn)行驗(yàn)證，在現(xiàn)階段可以通過(guò)國(guó)外航天員艙內(nèi)活動(dòng)的數(shù)據(jù)加以定性的驗(yàn)證。將來(lái)預(yù)想可以通過(guò)采集我國(guó)航天員在失重水槽以及太空中的活動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

5 結(jié)束語(yǔ)

為完成航天員艙外動(dòng)作仿真和動(dòng)力學(xué)分析的任務(wù)，本文提出一種基于VC平臺(tái)的虛擬人運(yùn)動(dòng)分析軟件設(shè)計(jì)方法，該方法將虛擬人簡(jiǎn)化為空間五臂機(jī)器人，在VC平臺(tái)下構(gòu)建虛擬人的OpenGL三維仿真模型，結(jié)合導(dǎo)入的Jack人體位姿數(shù)據(jù)，應(yīng)用機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析方法解算出失重狀態(tài)下的虛擬人出艙運(yùn)動(dòng)軌跡及該路徑軌跡下各關(guān)節(jié)的力矩。仿真結(jié)果表明，多臂機(jī)器人技術(shù)可應(yīng)用于虛擬人運(yùn)動(dòng)分析和研究，據(jù)此設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的虛擬人VC平臺(tái)能為太空環(huán)境下的航天員各種模擬訓(xùn)練提供數(shù)據(jù)服務(wù)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。然而本文未考慮航天員身著航天服的條件，因此，今后可進(jìn)一步研究著航天服條件下虛擬人的運(yùn)動(dòng)分析與仿真問(wèn)題，使該軟件平臺(tái)具有更好的使用和推廣意義。

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編輯 劉 冰

Virtual Human Motion Analysis Software Based on VC Platform

HONG Lei1，JI Baojian2，WANG Yuguo1
（1.School of Automotive&Rail Transit，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China；2.College of Automation and Electrical Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 211800，China）

Jack software can not realize the dynamic solution for Virtual Human（VH）motion at the state of weightlessness.Based on relative robotics and rigid body kinematics，a new concept of VH motion analysis software is presented in this paper to solve the above problems.According to the basic structure of human body and its dynamic characteristic，the VH is divided into a model of 15 rigid segments with even density and rigid kinematics model can be established，the algorithms for VH kinematics and dynamics analysis are implemented by standard C programs based on Denavit-Hartenberg method of robotic kinematic，and the visualization simulation interface is developed by OpenGL.Its feasibility is verified by the cabin floating action simulation for virtual human，and the software platform has good humancomputer interaction.

Virtual Human（VH）；Extra-vehicular Activity（EVA）；VC platform；visualization；gravity free condition

洪 磊，嵇保健，王玉國(guó)，等.基于VC平臺(tái)的虛擬人運(yùn)動(dòng)分析軟件［J］.計(jì)算機(jī)工程，2015，41（10）：71-75，82.

英文引用格式：Hong Lei，Ji Baojian，Wang Yuguo，et al.Virtual Human Motion Analysis Software Based on VC Platform［J］.Computer Engineering，2015，41（10）：71-75，82.

1000-3428（2015）10-0071-05

A

TP391.9

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.10.014

江蘇省科技計(jì)劃產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金前瞻性聯(lián)合研究基金資助項(xiàng)目（BY2014005-09）；南京工程學(xué)院校級(jí)科研基金資助項(xiàng)目（YKJ201333）。

洪 磊（1982-），男，講師、博士，主研方向：參數(shù)化人體建模，虛擬現(xiàn)實(shí)，機(jī)器人技術(shù)；嵇保健，講師、博士；王玉國(guó)，副教授、博士。

2014-10-17

2014-12-10E-m ail：njithl@163.com