安 明，劉玉慶，晁建剛

（中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

·基礎(chǔ)研究·

虛擬航天員多層次運(yùn)動(dòng)仿真模型研究與實(shí)現(xiàn)

安 明，劉玉慶，晁建剛

（中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

為解決虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練中航天員模型實(shí)時(shí)交互控制和失重運(yùn)動(dòng)仿真等問(wèn)題，提出了一種多層次運(yùn)動(dòng)仿真模型，在運(yùn)動(dòng)控制層實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)跟蹤，并構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化人體運(yùn)動(dòng)模型；物理控制層采用物理引擎建立人體多剛體動(dòng)力學(xué)模型；規(guī)則控制層為不同的運(yùn)動(dòng)方式制定相應(yīng)規(guī)則，顯示層使用骨骼蒙皮技術(shù)提升顯示效果。通過(guò)各層次組合的方式，共同實(shí)現(xiàn)了虛擬航天員的交互運(yùn)動(dòng)仿真。通過(guò)兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例，證明了該層次化組合模型實(shí)現(xiàn)的虛擬航天員運(yùn)動(dòng)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互控制、失重運(yùn)動(dòng)仿真、交互操作仿真、太空行走仿真以及較好的顯示效果，并適用于多種任務(wù)場(chǎng)景的航天員訓(xùn)練。

航天員訓(xùn)練；運(yùn)動(dòng)仿真；多層次模型；虛擬現(xiàn)實(shí)

1 引言

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行航天員訓(xùn)練，經(jīng)美國(guó)航空航天局（NASA）、歐空局（ESA）和加拿大等研究機(jī)構(gòu)的成功運(yùn)用，已經(jīng)成為太空探索中航天員訓(xùn)練的一個(gè)重要發(fā)展方向，并廣泛應(yīng)用于出艙活動(dòng)［1］、設(shè)備維修［2］、設(shè)備操作［3-4］、空間環(huán)境熟悉［5］等航天員訓(xùn)練領(lǐng)域。

虛擬訓(xùn)練中，需要虛擬航天員作為受訓(xùn)航天員在虛擬任務(wù)環(huán)境中的“化身”執(zhí)行操作任務(wù)。虛擬航天員的運(yùn)動(dòng)仿真，主要是指采用特定的方法對(duì)虛擬場(chǎng)景中航天員三維模型各肢體節(jié)段的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制和仿真，一般采用實(shí)時(shí)交互式運(yùn)動(dòng)控制的方式。根據(jù)NASA［1，4］、ESA［3］及中國(guó)［6-7］相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)目前已實(shí)現(xiàn)的航天員虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)或原型系統(tǒng)分析，其對(duì)虛擬航天員的運(yùn)動(dòng)仿真主要有如下需求：1）受訓(xùn)者能夠?qū)崟r(shí)交互控制虛擬航天員的肢體及手部運(yùn)動(dòng)；2）虛擬航天員的運(yùn)動(dòng)特性應(yīng)符合太空失重狀態(tài)；3）虛擬航天員應(yīng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)其他虛擬物體較精細(xì)的交互操作，如抓取、釋放等；4）虛擬航天員應(yīng)能實(shí)現(xiàn)通過(guò)手抓握扶欄進(jìn)行太空行走；5）虛擬航天員的顯示效果好，不能出現(xiàn)關(guān)節(jié)分離等現(xiàn)象。

目前虛擬人的運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)主要包括基于參數(shù)關(guān)鍵幀、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)捕獲等技術(shù)［8］。根據(jù)上述虛擬航天員運(yùn)動(dòng)仿真需求的分析，目前無(wú)法單獨(dú)使用一種運(yùn)動(dòng)控制方法滿(mǎn)足，其中運(yùn)動(dòng)學(xué)方法和運(yùn)動(dòng)捕獲方法無(wú)法模擬失重特性，動(dòng)力學(xué)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互控制和太空行走仿真，而關(guān)鍵幀方法一般用于離線(xiàn)動(dòng)畫(huà)編輯。NASA JSC虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室基于數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤設(shè)備實(shí)現(xiàn)了虛擬航天員運(yùn)動(dòng)仿真，可進(jìn)行太空行走和Safer訓(xùn)練，但只能用于艙外特定任務(wù)［1］；Ames研究中心實(shí)現(xiàn)了太空中虛擬手套箱操作訓(xùn)練，但只對(duì)虛擬手進(jìn)行了仿真［4］；上海交通大學(xué)的徐安等采用運(yùn)動(dòng)跟蹤和動(dòng)力學(xué)建模的方法實(shí)現(xiàn)了交互式虛擬人艙外運(yùn)動(dòng)仿真，可進(jìn)行載人機(jī)動(dòng)裝置（MMU）的專(zhuān)項(xiàng)訓(xùn)練［7］。

為解決航天員虛擬訓(xùn)練無(wú)法使用現(xiàn)有技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)虛擬航天員的運(yùn)動(dòng)仿真問(wèn)題，本文提出一種用于航天員虛擬操作訓(xùn)練的人體分層運(yùn)動(dòng)仿真模型，該結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)有方法有效層次化組合的方式，共同實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足虛擬訓(xùn)練需求的虛擬航天員的運(yùn)動(dòng)仿真，包括實(shí)時(shí)交互、失重運(yùn)動(dòng)特性、交互操作、太空行走仿真以及較好的顯示效果，以應(yīng)用于出艙活動(dòng)、艙內(nèi)漫游、設(shè)備操作等不同訓(xùn)練任務(wù)。

2 虛擬航天員多層次運(yùn)動(dòng)仿真模型結(jié)構(gòu)

基于本文對(duì)航天員運(yùn)動(dòng)仿真的基本需求分析，本文提出了一種分層次的虛擬航天員運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)構(gòu)，將運(yùn)動(dòng)仿真分為運(yùn)動(dòng)控制層、物理控制層、規(guī)則控制層和顯示層，如圖1所示。運(yùn)動(dòng)控制層采用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備如位置跟蹤儀和數(shù)據(jù)手套等實(shí)時(shí)采集運(yùn)動(dòng)信息，物理控制層使用物理引擎計(jì)算人體在微重力環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)特性；規(guī)則控制層使用自定義的規(guī)則及約束實(shí)現(xiàn)典型的操作仿真和太空行走仿真；顯示層采用骨骼蒙皮技術(shù)用于最終效果展示，并可進(jìn)行編輯動(dòng)畫(huà)控制。

各層次之間在實(shí)現(xiàn)上相互獨(dú)立，完成各自特定的功能，且下一層次直接為上一層次提供輸入，這樣就保持了算法的靈活性，對(duì)某一層次的更動(dòng)不會(huì)影響其他層次，如運(yùn)動(dòng)控制層建立了標(biāo)準(zhǔn)的人體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，其下一層次交互設(shè)備層可采用多種人機(jī)交互設(shè)備，只需輸出數(shù)據(jù)格式滿(mǎn)足規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)動(dòng)模型即可，模型的仿真流程如圖2。

3 分層運(yùn)動(dòng)仿真模型

3.1 運(yùn)動(dòng)控制層模型

運(yùn)動(dòng)控制層主要完成兩部分功能，一是采用數(shù)學(xué)描述的方法建立標(biāo)準(zhǔn)化的虛擬航天員運(yùn)動(dòng)模型；二是根據(jù)交互設(shè)備采集數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建立的運(yùn)動(dòng)模型，實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)航天員肢體和手部的運(yùn)動(dòng)跟蹤。

虛擬航天員的運(yùn)動(dòng)模型包括人體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型節(jié)段劃分及坐標(biāo)系定義、各節(jié)段運(yùn)動(dòng)方程建立。由于航天員的空間運(yùn)動(dòng)和操作大部分只涉及到手指、手腕、肘、肩、髖、膝、頸等關(guān)節(jié)，因此將人體劃分為42節(jié)段，其中軀體部分（不含手部）分為10節(jié)段，每只手的手掌及手指共計(jì)16節(jié)段，軀體和手部節(jié)段劃分分別如下：

軀體（Body）部分（不含手部）的節(jié)段劃分及各節(jié)段坐標(biāo)系建立情況見(jiàn)圖3所示，各體段坐標(biāo)系用oi-xiyizi（i∈N，1≤i≤10）表示，其中i為各體段的編號(hào)，其中B1段取軀干的質(zhì)心位置為其原點(diǎn)，其余體段取其與上一體段交點(diǎn)，即關(guān)節(jié)的位置為其原點(diǎn)，這樣有助于對(duì)模型的運(yùn)動(dòng)控制。

仿真訓(xùn)練對(duì)手部的要求較為精細(xì)，因此按照手部的解剖學(xué)特征［9］，將手部（Hand）劃分為16節(jié)段，每一體段的坐標(biāo)系原點(diǎn)取其與上一體段交點(diǎn)的位置，即各指端關(guān)節(jié)處，手掌部分的坐標(biāo)系原點(diǎn)取作與前臂的交點(diǎn)，即腕關(guān)節(jié)處，手部各體段坐標(biāo)系定義見(jiàn)圖4。

將航天員人體看作是通過(guò)多個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接在一起的多剛體系統(tǒng)，人體任一體段相對(duì)于參考體段坐標(biāo)系的變換矩陣可以通過(guò)按照人體幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的順序連乘各體段連體坐標(biāo)系間的變換矩陣得到。例如設(shè)腕關(guān)節(jié)坐標(biāo)系W（Wrist），肘關(guān)節(jié)坐標(biāo)系E（Elbow），肩關(guān)節(jié)坐標(biāo)系S（Shoulder），軀干坐標(biāo)系B（Body）。則以軀干體坐標(biāo)系為基坐標(biāo)系，手腕W作為末端相對(duì)于基坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)方程，采用旋轉(zhuǎn)矩陣相乘的形式［10］可表示為式（1）：

其中R為相鄰體段Bj和Bi的連體坐標(biāo)系間的方向余弦變換，如從坐標(biāo)系Oj-XjYjZj變換到Oi-XiYiZi的歐拉角為體段Bj與Bi的變換矩陣可以根據(jù)公式（2）計(jì)算獲得：

3.2 虛擬航天員物理控制層模型

虛擬航天員的物理控制層主要基于物理引擎技術(shù)解決人體在微重力條件下的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)仿真問(wèn)題，模擬航天員在空間的“漂浮”狀態(tài)，以及與外界環(huán)境發(fā)生碰撞后的運(yùn)動(dòng)。

首先根據(jù)國(guó)標(biāo)GB／T 17245-2004成年人人體慣性參數(shù)［11］得到人體各體段的動(dòng)力學(xué)屬性參數(shù)，包括各體段的幾何尺寸、質(zhì)量、質(zhì)心位置以及中心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等，在此基礎(chǔ)上基于物理引擎技術(shù)在虛擬場(chǎng)景中建立虛擬航天員的多剛體碰撞檢測(cè)模型，該模型的體段劃分和坐標(biāo)系定義、尺寸數(shù)據(jù)等均與運(yùn)動(dòng)學(xué)模型保持一致，將動(dòng)力學(xué)屬性參數(shù)設(shè)置給多剛體碰撞檢測(cè)模型各體段，并采用關(guān)節(jié)約束將各體段連接成一個(gè)多剛體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，從而可以通過(guò)設(shè)置關(guān)節(jié)角度使該多剛體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)學(xué)模型保持一致。

物理層仿真如圖5所示。計(jì)算開(kāi)始后，實(shí)時(shí)獲取運(yùn)動(dòng)控制層計(jì)算得出的人體的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)跟蹤數(shù)據(jù)，來(lái)驅(qū)動(dòng)虛擬航天員多剛體碰撞檢測(cè)模型的肢體及手部各關(guān)節(jié)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，然后將該模型與外界環(huán)境進(jìn)行碰撞檢測(cè)，通過(guò)物理引擎計(jì)算得出虛擬接觸力，即人體受到的合外力，最后通過(guò)多剛體動(dòng)力學(xué)算法得到人體質(zhì)心的位置及姿態(tài)。

剛體動(dòng)力學(xué)計(jì)算中，將人體質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)分為質(zhì)心的平動(dòng)和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)于質(zhì)心的平移運(yùn)動(dòng)，可采用牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律描述，即式（3）：

剛體繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律描述如式（4）：

式中，L（t）為剛體的角動(dòng)量，I（t）為慣性張量，用來(lái)描述物體的質(zhì)量分布，使用物理引擎根據(jù)物體的形狀及質(zhì)量、密度等設(shè)置計(jì)算得出，ω（t）為剛體的角速度。

3.3 虛擬航天員規(guī)則控制層

規(guī)則控制層使用自定義的規(guī)則及約束實(shí)現(xiàn)典型的操作仿真和太空行走仿真［6］。在空間操作任務(wù)中，主要依靠手部的操作實(shí)現(xiàn)抓握、觸碰以及太空行走等，為實(shí)現(xiàn)此類(lèi)操作的仿真，必須制定相應(yīng)的操作規(guī)則，主要包括抓持規(guī)則和隨動(dòng)規(guī)則。其中抓持規(guī)則主要判斷是否穩(wěn)定抓住物體，采用多指接觸和是否符合抓握手型的方法進(jìn)行判斷。隨動(dòng)規(guī)則用于用于抓持判定后人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的處理，本文將人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為自由態(tài)和束縛態(tài)，自由態(tài)是指人自由漂浮或抓住可移動(dòng)物體，處于自由態(tài)人體抓住一個(gè)虛擬物體后，采用將物體節(jié)點(diǎn)掛接到人體來(lái)實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)控制，如圖6（a）為人抓住陀螺，箭頭所指方向表示陀螺掛接到手部隨動(dòng)。當(dāng)自由態(tài)人體抓握固定物如扶欄時(shí)，人就變成了束縛態(tài)，其運(yùn)動(dòng)的基點(diǎn)就變?yōu)樽ノ盏氖植?，如圖6（b）所示，箭頭所指方向表示身體隨手部移動(dòng)，即人體質(zhì)心隨手部運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)太空行走仿真。

束縛態(tài)人體質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的計(jì)算采用變換人體基坐標(biāo)系的方式實(shí)現(xiàn)，即改變相鄰關(guān)節(jié)的父子關(guān)系，使其隨動(dòng)關(guān)系改變。束縛態(tài)人體運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程中，手部抓住扶欄時(shí)，以抓持手為人體基坐標(biāo)系，使身體其它節(jié)點(diǎn)變?yōu)樽コ质值淖庸?jié)點(diǎn)，從而產(chǎn)生身體的隨動(dòng)效果。將太空行走過(guò)程中航天員的狀態(tài)分為自由態(tài)、左手束縛態(tài)、右手束縛態(tài)及雙手束縛態(tài)，分別對(duì)應(yīng)于雙手均松開(kāi)扶欄、左手抓住扶欄、右手抓住扶欄及雙手均抓住扶欄時(shí)航天員的狀態(tài)，圖7給出了不同抓持狀態(tài)下虛擬航天員的人體樹(shù)狀模型變化，Bi代表人體體段，有向線(xiàn)段Ji代表體段間的關(guān)節(jié)，箭頭所指方向?yàn)殡S動(dòng)方向，即J1、J2或J3、J4的關(guān)節(jié)隨動(dòng)方向改變。對(duì)于雙手束縛態(tài)的處理，采用解除先抓持扶欄的手的束縛關(guān)系，同時(shí)建立后抓持手與扶欄間的束縛關(guān)系，由此即可仿真完整的太空行走過(guò)程。

對(duì)于束縛態(tài)的人體，改變?nèi)梭w基坐標(biāo)系定義，則束縛態(tài)掌部體坐標(biāo)系變?yōu)槿梭w基坐標(biāo)系，設(shè)手掌體坐標(biāo)系為P，腕關(guān)節(jié)體坐標(biāo)系為W，肘關(guān)節(jié)體坐標(biāo)系為E，肩關(guān)節(jié)體坐標(biāo)系為S，則軀體體坐標(biāo)系B相對(duì)世界坐標(biāo)系WD的運(yùn)動(dòng)方程可采用齊次坐標(biāo)變換矩陣T表示為式（5）：

規(guī)則控制層的仿真算法流程如圖8所示。

其中對(duì)于人體不同束縛狀態(tài)下虛擬航天員的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，即質(zhì)心位置與姿態(tài)的解算，采用圖9所示計(jì)算流程。

3.4 顯示層

虛擬航天員顯示層最終進(jìn)行可視化顯示，為了更好地提升虛擬航天員的顯示效果，首先分別建立人體的骨骼模型和皮膚層模型，并通過(guò)骨骼蒙皮綁定技術(shù)建立骨骼蒙皮模型，如圖10所示。虛擬航天員顯示層模型的骨骼分段與運(yùn)動(dòng)控制層的人體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型一致，這樣就保證了運(yùn)動(dòng)跟蹤、動(dòng)力學(xué)計(jì)算以及可視化顯示都采用統(tǒng)一的節(jié)段劃分和坐標(biāo)系定義，各個(gè)層次之間就不會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)不一致的情況。通過(guò)設(shè)置骨骼的運(yùn)動(dòng)控制皮膚層模型運(yùn)動(dòng)，而皮膚層模型可通過(guò)三角面片變形實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，就解決了關(guān)節(jié)間節(jié)段分離斷裂的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)較好的顯示效果，同時(shí)還可對(duì)骨骼模型進(jìn)行關(guān)鍵幀編輯，采用播放動(dòng)畫(huà)的形式豐富虛擬航天員的運(yùn)動(dòng)控制。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于本文提出的多層次運(yùn)動(dòng)仿真模型結(jié)構(gòu)和算法，使用C++語(yǔ)言對(duì)各個(gè)層次用類(lèi)進(jìn)行了封裝，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)航天員虛擬操作訓(xùn)練原型系統(tǒng)。根據(jù)未來(lái)航天任務(wù)航天員訓(xùn)練需求及虛擬仿真的特點(diǎn)，原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了太空中陀螺操作、太空行走以及操作儀表等任務(wù)訓(xùn)練仿真，受訓(xùn)人員通過(guò)交互式控制虛擬航天員的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行相應(yīng)科目訓(xùn)練。該系統(tǒng)支持多種運(yùn)動(dòng)跟蹤設(shè)備，目前使用的交互設(shè)備包括Immersion公司的CyberGlove數(shù)據(jù)手套、Ascension公司的Flock of Bird位置跟蹤儀、Xsens公司的MVN數(shù)據(jù)衣，以及3DConnexion三維鼠標(biāo)。系統(tǒng)視景采用OGRE圖形引擎進(jìn)行虛擬環(huán)境模型載入及渲染。

為驗(yàn)證多層次運(yùn)動(dòng)仿真模型的應(yīng)用效果，選取10名受試者（25～40歲，7名男性，3名女性），穿戴位置跟蹤儀、數(shù)據(jù)手套及頭盔顯示器進(jìn)行了抓握陀螺以及按鍵操作兩個(gè)典型任務(wù)的驗(yàn)證試驗(yàn)。

1）抓握陀螺

受試者使用位置跟蹤儀和數(shù)據(jù)手套交互控制虛擬航天員，抓住面前的虛擬陀螺，如圖11。試驗(yàn)開(kāi)始前先進(jìn)行五分鐘的陀螺抓握操作訓(xùn)練，然后進(jìn)行10次抓握操作，試驗(yàn)中記錄每次抓握的用時(shí)，10 s內(nèi)未抓住記為抓握失敗。試驗(yàn)結(jié)果如表1。

2）按鍵操作

受試者使用位置跟蹤儀和數(shù)據(jù)手套交互控制虛擬航天員，對(duì)面前的虛擬儀表進(jìn)行按鍵操作，如圖12。試驗(yàn)開(kāi)始前先進(jìn)行5 min的儀表按鍵操作訓(xùn)練，然后進(jìn)行10次按鍵操作，試驗(yàn)中試驗(yàn)員通過(guò)語(yǔ)音提示受試者按下儀表某一按鍵，并記錄每次發(fā)出指令到按鍵操作完成的用時(shí)。試驗(yàn)結(jié)果如表2。

除了物體抓握、按鍵操作等訓(xùn)練外，該原型系統(tǒng)還可仿真失重時(shí)人體“漂浮”的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如圖13（a），同時(shí)可以通過(guò)抓握扶手實(shí)現(xiàn)太空行走，如圖13（b）。

表1 抓握陀螺用時(shí)（單位秒，操作失敗記為-）Table 1 Time of top grasping（Unit second，failed operation signed as-）

表2 按鍵操作用時(shí)（單位秒，操作失敗記為-）Table 2 Time of key pressing（Unit second，failed operation signed as-）

上述通過(guò)上述應(yīng)用實(shí)例可看出，采用本文提出的多層次運(yùn)動(dòng)仿真模型，受訓(xùn)者能夠?qū)崟r(shí)交互控制虛擬航天員的肢體及手部運(yùn)動(dòng)；在自由態(tài)，虛擬航天員可模擬失重狀態(tài)下的漂浮運(yùn)動(dòng)，在束縛態(tài)，虛擬航天員可實(shí)現(xiàn)通過(guò)手抓握扶欄進(jìn)行太空行走；能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其他虛擬物體較精細(xì)的抓取、釋放等交互操作，其中抓握陀螺平均成功率為91%，平均操作用時(shí)3.3 s，操作按鍵成功率為100%，平均操作用時(shí)3.1 s，表明虛擬交互的準(zhǔn)確性和可靠性較高；同時(shí)虛擬航天員的顯示效果好，未出現(xiàn)關(guān)節(jié)分離等現(xiàn)象。

5 結(jié)論

1）本文提出的模型通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制層、物理控制層、規(guī)則控制層和顯示層的層次化組合方式，實(shí)現(xiàn)了滿(mǎn)足虛擬訓(xùn)練需求的虛擬航天員運(yùn)動(dòng)仿真。

2）兩個(gè)驗(yàn)證實(shí)例表明，該模型實(shí)現(xiàn)的虛擬航天員運(yùn)動(dòng)，可同時(shí)滿(mǎn)足實(shí)時(shí)交互、失重運(yùn)動(dòng)特性、交互操作、太空行走仿真以及較好的顯示效果，并適用于多種任務(wù)場(chǎng)景的航天員訓(xùn)練。

（References）

［1］ Moore S K，Gast M A.21st century extravehicular activities：synergizing past and present training methods for future spacewalking success［J］.Acta Astronautica，2010，67（7）：739-752.

［2］ Loftin R B，Kenney P J，Benedetti R，et al.Virtual environments in training：NASA’s Hubble space telescope mission［C］／／Interservice／Industry Training Systems＆Education Conference.Florida：NASA，1994：1-10.

［3］ R?nkk? J，Markkanen J，Launonen R，et al.Multimodal astronaut virtual training prototype［J］.International Journal of Human-Computer Studies，2006，64（3）：182-191.

［4］ Twombly A，Smith J，Montgomery K，et al.The virtual glovebox（VGX）：a semi-immersive virtual environment for training astronauts in life science experiments［J］.Systemics，Cybernetics and Informatics，2003，2（3）：30-34.

［5］ Stroud K J，Harm D L，Klaus D M.Preflight virtual reality training as a countermeasure for space motion sickness and disorientation［J］.Aviation Space and Environmental Medicine，2005，76（4）：352-356.

［6］ An M，Chen S，Liu Y.Study on extra vehicular spacewalk simulation technology［C］／／2011 Workshop on Digital Media and Digital Content Management（DMDCM）.Hangzhou，PRC：IEEE，2011：53-56.

［7］ 徐安，范秀敏，宏鑫，等.交互式宇航員太空行走仿真系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2004，16（9）：1953-1956.Xu A，F(xiàn)an X M，Hong X，et al.Research and development on interactive simulation system for astronauts walking in the outer space［J］.Journal of System Simulation，2004，16（9）：1953-1956.（in Chinese）

［8］ 王兆其.虛擬人合成研究綜述［J］.中國(guó)科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào)，2000，17（2）：89-98.Wang Z Q.Research of virtual humancomposition［J］，Journal of Graduate School，Academia Sinica，2000，17（2）：89-98.（in Chinese）

［9］ 安明，陳善廣，劉玉慶.基于數(shù)據(jù)手套的虛擬手精確建模的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2008，27（1）：241-244.An M，Chen S，Liu Y.Study and implementation of precise modeling of virtual-hand based on data glove［J］.Computer Simulation，2008，27（1）：241-244.（in Chinese）

［10］ Craig J J.Introduction to Robotics Mechanics and Control［M］.Upper Saddle River：Pearson Prentice Hal，2005：19-23.

［11］ GB／T 17245-2004成年人人體慣性參數(shù)［S］.2004.GB／T 17245-2004Inertial Parameters of Adult Human Body［S］.2004.（in Chinese）

A Novel Method for Virtual Astronaut Motion Simulation Based on Layered Model

AN Ming，LIU Yuqing，CHAO Jiangang
（National Key Laboratory of Human Factors Engineering，China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094，China）

A novel method for human motion simulation based on layered model was presented to meet the special demands of virtual astronauts including the interactive control in real time and the Weightlessness motion simulation.The model includes four layers：the motion control layer is at the bottom which constructs the standard human motion model and tracks the human motion；The physics control layer establishes the Multi-rigid-body Dynamics Model based on PhysX；The rules control layer makes rules for different movement modes；The display layer is on the top which uses the skinned mesh to improve the display effect.The combination of the four layers can realize the virtual astronaut motion simulation.The experimental results showed that the motion simulated by the layered model could satisfy the demands of the interactive control，the weightlessness motion simulation，the operation simulation，the spacewalk simulation and good display effect.The method proposed in this paper can be used in many scenarios in astronaut training.

astronaut training；motion simulation；layered model；virtual reality

TP391.41

A

1674-5825（2017）06-0798-07

2017-05-19；

2017-09-27

國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃（B1720132001）；人因工程國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（SYFD140051807）；載人航天領(lǐng)域預(yù)先研究項(xiàng)目（060601）

安明，男，碩士，助理研究員，研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)和人體運(yùn)動(dòng)仿真。E-mail：anming1984＠163.com

（責(zé)任編輯：龍晉偉）