人機(jī)任務(wù)仿真中虛擬人行為建模及仿真實(shí)現(xiàn)

吳珍發(fā)，趙皇進(jìn)，鄭國(guó)磊

?

人機(jī)任務(wù)仿真中虛擬人行為建模及仿真實(shí)現(xiàn)

吳珍發(fā)1，趙皇進(jìn)2，鄭國(guó)磊2

(1. 莆田學(xué)院信息工程學(xué)院，福建 莆田 351100；2. 北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

提出一種采用高級(jí)智能對(duì)象(ASO)的建模方法，實(shí)現(xiàn)虛擬人的行為建模。首先，引入ASO的概念，對(duì)交互特征中的交互元素、交互部位及對(duì)象動(dòng)作進(jìn)行定義，并對(duì)交互動(dòng)作進(jìn)行分類；其次，提出了對(duì)象驅(qū)動(dòng)方法，解決由虛擬對(duì)象作為主動(dòng)體動(dòng)作而導(dǎo)致的虛擬人作為被動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)計(jì)算問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)象以交互特征為主的建模；最后，根據(jù)人機(jī)任務(wù)需要對(duì)虛擬人的基本行為動(dòng)作進(jìn)行分析，選擇常用的4種基本動(dòng)作，對(duì)其進(jìn)行定義并進(jìn)行動(dòng)作組合，給出以交互元素為主的位姿、手型的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了行為建模并進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，解決了任務(wù)仿真中的交互量大問題，使仿真結(jié)果具有重用性。并以飛機(jī)裝配的手工鉚接仿真為例對(duì)方法進(jìn)行驗(yàn)證。

人機(jī)任務(wù)仿真；高級(jí)智能對(duì)象；虛擬人；虛擬對(duì)象；行為建模

近年來國(guó)內(nèi)外針對(duì)虛擬人[1-3]及其仿真應(yīng)用的研究在不斷深入，工程領(lǐng)域的人機(jī)系統(tǒng)仿真應(yīng)用越來越廣[4-5]，而虛擬人的行為建模直接影響人機(jī)任務(wù)仿真的結(jié)果。行為建?？梢允固摂M人在虛擬環(huán)境中的動(dòng)作行為更加貼近真實(shí)，能對(duì)真實(shí)對(duì)象的行為進(jìn)行準(zhǔn)確建模并在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行模擬。行為建模技術(shù)可分為基于過程的、對(duì)象的和Agent的3種方法，其中基于對(duì)象的行為建?，F(xiàn)在較流行，典型的是基于智能對(duì)象的行為建模[6]?；谥悄軐?duì)象的行為建模一般用于智能動(dòng)畫和游戲，此方法如果直接用于工程領(lǐng)域，存在人機(jī)任務(wù)仿真交互量大且仿真結(jié)果重用性差等局限性問題，原因有：①只對(duì)虛擬對(duì)象的行為建模，忽視了對(duì)虛擬人的行為建模，導(dǎo)致過多的虛擬對(duì)象交互特征定義；②沒有定義對(duì)象之間的交互；③沒有對(duì)虛擬人行為及對(duì)象行為進(jìn)行抽象歸納并統(tǒng)一表示。為解決其問題，提出采用高級(jí)智能對(duì)象(advanced smart object，ASO)建模，進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn)，并通過實(shí)例進(jìn)行測(cè)試。

1 高級(jí)智能對(duì)象

ASO的概念是以智能對(duì)象作為工程仿真存在而提出的，是在仿真中將對(duì)象與對(duì)象之間、虛擬人與對(duì)象之間的交互特征進(jìn)行歸納并統(tǒng)一定義的結(jié)果，交互特征見表1。使用ASO對(duì)虛擬人的基本動(dòng)作行為建模，可減少過多的對(duì)象交互特征定義，使仿真結(jié)果重用性更好。

表1 ASO的交互特征說明

2 虛擬人行為建模

虛擬人行為建模方法眾多，如采用四元數(shù)插值方法實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)建模[7]。本文采用基于ASO的方法實(shí)現(xiàn)行為建模，如圖1所示。

圖1 虛擬人行為模型

2.1 虛擬對(duì)象的交互特征建模

虛擬對(duì)象的建模方法各異，如物理屬性建模[8]。本文提出一種對(duì)象驅(qū)動(dòng)方法，通過交互元素、交互部位及對(duì)象動(dòng)作實(shí)現(xiàn)。

2.1.1 交互元素

采用自動(dòng)推理計(jì)算方法確定虛擬人與對(duì)象之間交互動(dòng)作時(shí)的站立位姿及抓取手型等，可以盡量減少交互特征定義。在實(shí)際交互過程中，對(duì)象的交互部位往往具有復(fù)雜的幾何外形，根據(jù)這些復(fù)雜的幾何外形完成虛擬人抓取等交互行為，實(shí)現(xiàn)難度大。而通過附加的基本幾何元素(包括點(diǎn)、線、面、球體、圓柱體和長(zhǎng)方體等)定義對(duì)象的交互部位，并在計(jì)算過程中利用其基本幾何元素代替復(fù)雜的交互部位幾何外形，可以大大減小自動(dòng)推理計(jì)算的難度，具有可行性。

用于定義對(duì)象交互部位的基本幾何元素稱為交互元素。其可分為點(diǎn)、線、面、球體、圓柱體和長(zhǎng)方體等，在每種交互元素上綁定了相應(yīng)的交互坐標(biāo)系，見表2。

2.1.2 交互部位

利用交互元素描述對(duì)象的交互部位，步驟如下：

步驟1.交互部位外形抽象化，明確對(duì)象交互部位的外形、功能及交互目的；

表2 交互元素及其交互坐標(biāo)系定義

步驟2. 交互元素代替，考慮對(duì)象交互部位的外形、功能等因素，選用合適的基本幾何元素代替相應(yīng)的交互部位；

步驟3. 定義交互坐標(biāo)系，適當(dāng)調(diào)整交互元素的空間位置，使交互坐標(biāo)系滿足實(shí)際交互的需要。

2.1.3 對(duì)象動(dòng)作

對(duì)象動(dòng)作一般只涉及對(duì)象本身，即動(dòng)作中的對(duì)象運(yùn)動(dòng)只與對(duì)象自身有關(guān)。一般對(duì)象在人機(jī)仿真過程中被視為剛性體，不考慮自身柔性變形運(yùn)動(dòng)。按運(yùn)動(dòng)方式的不同可分為4種[9]：①平移動(dòng)作。對(duì)象或?qū)ο笞硬考刂付ǚ较蜃髌揭七\(yùn)動(dòng)，平移動(dòng)作屬性包括平移部位、平移方向和距離(或移動(dòng)的始末位置)、平移速度及加速度等，其中平移方向和距離一般通過交互元素定義；②旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。對(duì)象或?qū)ο笞硬考@指定的旋轉(zhuǎn)軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)動(dòng)作屬性包括旋轉(zhuǎn)部位、旋轉(zhuǎn)軸線、旋轉(zhuǎn)角度及角速度、角加速度等。其中旋轉(zhuǎn)軸線一般用線交互元素定義；③插值動(dòng)作。給定動(dòng)作對(duì)象的始末位姿，由指定插值方法生成對(duì)象在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的所有中間位姿，使得動(dòng)作對(duì)象從初始位姿平滑運(yùn)動(dòng)到末態(tài)位姿。插值動(dòng)作屬性包括動(dòng)作對(duì)象、對(duì)象的始末位姿，其中對(duì)象始末位姿一般由交互元素定義；④混合動(dòng)作。由平移動(dòng)作、旋轉(zhuǎn)動(dòng)作及插值動(dòng)作混合組成，用以描述較為復(fù)雜的對(duì)象動(dòng)作。

2.1.4 對(duì)象驅(qū)動(dòng)方法

在ASO中，對(duì)象動(dòng)作導(dǎo)致虛擬人運(yùn)動(dòng)，可以將對(duì)象作為主動(dòng)體，而虛擬人作為從動(dòng)體，提出了對(duì)象驅(qū)動(dòng)方法，其流程如圖2所示，步驟如下：

步驟1.定義對(duì)象動(dòng)作。根據(jù)需要在虛擬對(duì)象上定義對(duì)象動(dòng)作，如平移動(dòng)作、旋轉(zhuǎn)動(dòng)作等，并設(shè)置對(duì)象動(dòng)作屬性；

步驟2. 綁定虛擬人末端。將虛擬人的動(dòng)作執(zhí)行末端(比如手、腳等)與定義在對(duì)象上的交互部位或交互元素進(jìn)行綁定，讓虛擬人末端位于對(duì)象交互部位上；

步驟3. 執(zhí)行對(duì)象動(dòng)作。讓對(duì)象根據(jù)定義的動(dòng)作進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，由于對(duì)象的運(yùn)動(dòng)使得虛擬人末端與綁定的對(duì)象交互部位之間的相對(duì)位置發(fā)生了變化；

步驟4. 重新計(jì)算虛擬人姿態(tài)。根據(jù)對(duì)象交互部位的新位置，采用IK等姿態(tài)計(jì)算方法[10]重新計(jì)算虛擬人姿態(tài)，使虛擬人末端重新位于對(duì)象交互部位上；

步驟5. 判斷對(duì)象動(dòng)作是否結(jié)束，如果未結(jié)束，則轉(zhuǎn)步驟3；否則結(jié)束。

圖2 對(duì)象驅(qū)動(dòng)方法的實(shí)現(xiàn)流程

2.2 虛擬人基本行為動(dòng)作建模

基本行為動(dòng)作建模涉及虛擬人基本動(dòng)作、基于交互元素的交互位姿計(jì)算及基于交互元素的手型計(jì)算等。

2.2.1 基本動(dòng)作

虛擬人行為動(dòng)作通常是指虛擬人的動(dòng)作過程及虛擬人完成其動(dòng)作所需要的信息。根據(jù)人機(jī)任務(wù)仿真需要，選取了4種常用的基本動(dòng)作[9]如下：

(1) 抓取。根據(jù)虛擬對(duì)象的交互部位，虛擬人抓取到對(duì)象并與對(duì)象進(jìn)行綁定，當(dāng)虛擬人運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)象將跟隨虛擬人一起運(yùn)動(dòng)。其動(dòng)作屬性包括虛擬人動(dòng)作執(zhí)行末端、對(duì)象交互部位及所屬的交互對(duì)象。

(2) 行走。虛擬人從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置的過程。其動(dòng)作屬性為虛擬人及其當(dāng)前位姿、位于目標(biāo)位置處的交互對(duì)象或部位。

(3) 放開。虛擬人將虛擬對(duì)象放到給定位置，并與對(duì)象脫離綁定關(guān)系。其動(dòng)作屬性包括虛擬人動(dòng)作執(zhí)行末端、放開的交互對(duì)象以及給定的位置。

(4) 作業(yè)。虛擬人根據(jù)提供的動(dòng)作屬性完成某項(xiàng)指定任務(wù)。其動(dòng)作屬性包括虛擬人動(dòng)作執(zhí)行末端和指定的對(duì)象動(dòng)作。常見的作業(yè)動(dòng)作分為2類：一是配合作業(yè)，即虛擬人使2個(gè)對(duì)象配合；二是驅(qū)動(dòng)作業(yè)，由定義的對(duì)象動(dòng)作直接驅(qū)動(dòng)虛擬人進(jìn)行作業(yè)，在對(duì)象運(yùn)動(dòng)過程中，利用對(duì)象驅(qū)動(dòng)方法促使虛擬人同時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)并完成滿足要求的作業(yè)任務(wù)。

2.2.2 基于交互元素的交互位姿計(jì)算

虛擬人與對(duì)象交互時(shí)，虛擬人必須位于相對(duì)于對(duì)象的合適位置和姿態(tài)，該合適的位置和姿態(tài)稱為交互位姿。其計(jì)算為虛擬人各個(gè)基本動(dòng)作之間的銜接提供中間過渡姿態(tài)，按計(jì)算的方法可分為2種：

(1) 一般交互位姿。包括交互位置計(jì)算和交互姿態(tài)計(jì)算2部分內(nèi)容，即先確定虛擬人的交互位置，再計(jì)算虛擬人的交互姿態(tài)；

(2) 標(biāo)準(zhǔn)交互位姿。該交互位姿來自虛擬人標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)庫(kù)。

虛擬人交互位置的平面坐標(biāo)矢量為

將虛擬人交互位置變換到與ASO相一致的坐標(biāo)系空間內(nèi)，即虛擬人實(shí)際平面交互位置為

其中，T為坐標(biāo)系之間的變換矩陣。由于在計(jì)算過程中加入了隨機(jī)因素，因此對(duì)于相同的交互對(duì)象，每次交互位置計(jì)算的結(jié)果可能不盡相同，符合人的實(shí)際交互行為。

交互姿態(tài)計(jì)算包括基于姿態(tài)庫(kù)和基于規(guī)則的計(jì)算。前者是通過典型姿態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)的；后者僅考慮交互對(duì)象所處的高度(即坐標(biāo)值)對(duì)虛擬人交互姿態(tài)的影響，其流程如圖4所示。

圖4 虛擬人交互位姿計(jì)算流程圖

2.2.3 基于交互元素的手型計(jì)算

手型計(jì)算主要是通過定義在對(duì)象交互部位上的交互元素信息以及相應(yīng)的幾何學(xué)方法實(shí)現(xiàn)，主要包括：

(1) 對(duì)象與手掌間。根據(jù)ASO的交互部位定義，通過交互坐標(biāo)系與手掌的配合可以唯一確定手掌與對(duì)象之間的相對(duì)位置，其中交互坐標(biāo)系原點(diǎn)與手掌心重合，軸指向腕關(guān)節(jié)方向，軸垂直于手掌正面。交互元素及交互坐標(biāo)系的定義對(duì)虛擬人抓取對(duì)象時(shí)的手型計(jì)算起著決定性作用。

(2) 手指與對(duì)象間。在確定虛擬人手掌位置后，手指與對(duì)象的位置關(guān)系要計(jì)算，常用的方法有：①利用幾何元素的方法，即根據(jù)交互元素的幾何類型及其數(shù)學(xué)表達(dá)式，通過列約束方程組的方法計(jì)算每個(gè)手指的抓取位置，其方法計(jì)算簡(jiǎn)便、速度快，但適應(yīng)性差些，只適合于標(biāo)準(zhǔn)幾何元素(圓柱體、球體等)；②使用干涉檢測(cè)的方法，在某個(gè)初始位置讓每個(gè)手指向?qū)ο笾鸩阶プ≈钡礁鱾€(gè)手指與對(duì)象發(fā)生干涉，其方法需要進(jìn)行干涉檢查，因此計(jì)算較復(fù)雜且效率低，但適應(yīng)性強(qiáng)，適用于具有復(fù)雜外形的對(duì)象。

3 仿真實(shí)現(xiàn)及實(shí)例測(cè)試

仿真實(shí)現(xiàn)采用C++、OpenGL及MFC類庫(kù)，在VC 6.0中進(jìn)行；實(shí)例測(cè)試以手工鉚接作業(yè)為例進(jìn)行仿真測(cè)試。

3.1 交互元素定義

對(duì)6種交互元素進(jìn)行定義。圖5(a)為創(chuàng)建對(duì)話框，可以設(shè)置類型及尺寸；圖5(b)為三維空間位置變換對(duì)話框，可以對(duì)交互元素在、和軸方向上進(jìn)行精確地作平移和旋轉(zhuǎn)變換；圖5(c)為三維幾何模型，提供了相關(guān)操作，如模型之間的最短距離計(jì)算等。

3.2 對(duì)象動(dòng)作及交互部位定義

對(duì)4種對(duì)象動(dòng)作進(jìn)行定義?？梢酝ㄟ^圖6(a)的對(duì)象動(dòng)作定義對(duì)話框創(chuàng)建、需要的對(duì)象動(dòng)作。對(duì)象動(dòng)作的定義是基于三維圖形的，對(duì)象動(dòng)作的一些屬性(如動(dòng)作執(zhí)行對(duì)象、平移動(dòng)作的始末兩個(gè)空間點(diǎn)等)設(shè)置是用戶通過鼠標(biāo)交互拾取仿真環(huán)境中相應(yīng)的三維模型來實(shí)現(xiàn)的，因此具有很強(qiáng)的直觀性。圖6(b)為對(duì)象交互部位的定義界面，用戶通過拾取相應(yīng)的交互元素來定義ASO的對(duì)象與對(duì)象間交互部位或虛擬人與對(duì)象間交互部位。

3.3 基本動(dòng)作定義及交互位姿計(jì)算

通過圖7(a)的定義對(duì)話框定義4種基本動(dòng)作組成的序列。定義是基于三維圖形，即基本動(dòng)作的一些屬性(比如動(dòng)作執(zhí)行虛擬人、相應(yīng)的ASO、交互部位等)設(shè)置是通過鼠標(biāo)交互拾取仿真環(huán)境中相應(yīng)的三維模型來實(shí)現(xiàn)的。圖7(b)為虛擬人交互位姿計(jì)算的實(shí)現(xiàn)對(duì)話框，從界面可以看出，交互位姿的計(jì)算需要指定交互對(duì)象、交互的虛擬人及交互肢體(左手或右手)，以及定義虛擬人較優(yōu)交互域的參數(shù)和工具延伸長(zhǎng)度等。

(a) 交互元素創(chuàng)建(b) 位置變換(c) 6類交互元素

圖6 對(duì)象動(dòng)作及對(duì)象交互部位定義

3.4 應(yīng)用實(shí)例測(cè)試

以飛機(jī)裝配中某框零部件手工鉚接作業(yè)為例進(jìn)行測(cè)試。并從5個(gè)方面對(duì)手工鉚接作業(yè)的實(shí)現(xiàn)過程做簡(jiǎn)要說明。

(1) 智能仿真環(huán)境創(chuàng)建。包括鉚槍、框零部件及工裝2個(gè)ASO，其中在鉚槍上定義了虛擬人的抓取點(diǎn)和鉚槍的鉚接口配合點(diǎn)2個(gè)交互部位，如圖8(a)所示；在框零部件及工裝ASO上定義了與鉚槍的鉚接口進(jìn)行配合的2個(gè)點(diǎn)交互元素，鉚槍的鉚接口將經(jīng)過由這2個(gè)點(diǎn)交互元素定義的路徑，如圖8(b)所示；創(chuàng)建虛擬人，男性Jack和女性Jeny，導(dǎo)入鉚槍、框零部件及工裝ASO模型等，創(chuàng)建鉚槍的鉚接口及對(duì)象插值和平移動(dòng)作，用于定義虛擬人鉚接的作業(yè)動(dòng)作。創(chuàng)建的人機(jī)仿真環(huán)境如圖8(c)所示。

圖7 基本動(dòng)作定義及交互位姿計(jì)算

圖8 智能仿真環(huán)境創(chuàng)建

(2) 人機(jī)交互作業(yè)過程。手工鉚接作業(yè)過程由Jack單獨(dú)完成，首先Jack走到工具臺(tái)旁，然后用右手拾取工具臺(tái)上的鉚槍，并拿著鉚槍走到框零部件上的鉚接孔附近，最后進(jìn)行鉚接作業(yè)。圖9所示為手工鉚接作業(yè)整個(gè)過程的語(yǔ)義動(dòng)作[9]，其中鉚接作業(yè)由2個(gè)作業(yè)動(dòng)作組成。

(3) 虛擬人基本動(dòng)作定義。根據(jù)手工鉚接人機(jī)交互任務(wù)過程的語(yǔ)義動(dòng)作，為虛擬人Jack分別定義行走、抓取、行走以及2個(gè)作業(yè)動(dòng)作，并通過圖形交互的方式為這些基本動(dòng)作設(shè)置定義屬性。Jack的基本動(dòng)作定義結(jié)果如圖10所示。

圖9 手工鉚接作業(yè)過程的語(yǔ)義動(dòng)作

圖10 基本動(dòng)作定義

(4) 任務(wù)規(guī)劃及仿真演示。因?yàn)閷?shí)例只有Jack參與交互，所以任務(wù)規(guī)劃簡(jiǎn)單，將定義好的基本動(dòng)作依次排列就是手工鉚接作業(yè)過程的任務(wù)進(jìn)程，對(duì)進(jìn)程進(jìn)行仿真自動(dòng)生成并播放，作業(yè)過程的關(guān)鍵幀如圖11所示。

圖11 虛擬人手工鉚接作業(yè)關(guān)鍵幾幀

(5) 結(jié)果分析。用以上方法進(jìn)行任務(wù)仿真，可避免大量交互且可重用。如果虛擬環(huán)境改變，比如鉚槍位置、框零部件位置、工裝模型位置等發(fā)生改變，或部件、工裝大小變化等，只要重新自動(dòng)生成一遍，不用修改任務(wù)過程，這樣不但交互量減少，而且仿真過程可重用，有利于下一步的研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于ASO的虛擬人行為建模方法解決了人機(jī)任務(wù)仿真中交互量大及仿真結(jié)果重用性差等問題，進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn)，并通過手工鉚接作業(yè)進(jìn)行實(shí)例測(cè)試和驗(yàn)證。當(dāng)然方法也存在不足，主要是缺乏對(duì)動(dòng)作過程細(xì)節(jié)的定義，比如動(dòng)作與動(dòng)作之間的銜接和過渡問題；定義的4種對(duì)象動(dòng)作以及4種虛擬人基本動(dòng)作還不能完全有效地描述所有的人機(jī)交互任務(wù)過程，還需要定義更多的對(duì)象動(dòng)作以及虛擬人基本動(dòng)作；虛擬人姿態(tài)計(jì)算方法還存在不足，其將影響人機(jī)仿真的效果。這些將在今后做進(jìn)一步研究。

[1] 趙皇進(jìn), 鄭國(guó)磊. 基于廣義代數(shù)旋轉(zhuǎn)曲面的剛?cè)峄旌先梭w幾何建模方法[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì), 2010, 31(4): 809-811.

[2] BAEK S Y, LEE K. Parametric human body shape modeling framework for human-centered product design [J]. Computer-Aided Design, 2012, 44(1): 56-67.

[3] 張華忠. 基于Proser的虛擬人外形設(shè)計(jì)和動(dòng)作控制[J]. 自動(dòng)化應(yīng)用, 2018(2): 65-66.

[4] 張青, 鄭巖, 郭慶, 等. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備拆裝快速裝配仿真研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2018, 35(3): 257-262.

[5] 郭志榮, 王其林, 高峰. 虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 兵器裝備工程學(xué)報(bào), 2018, 39(1): 118-122.

[6] 蘇紹勇, 陳繼明, 潘金貴. 虛擬環(huán)境中行為建模技術(shù)研究[J]. 計(jì)算機(jī)科學(xué), 2007, 34(2): 270-273.

[7] 汪晗, 吳巧巧, 張鵬, 等. 基于四元數(shù)插值的虛擬人運(yùn)動(dòng)建模及實(shí)現(xiàn)[J]. 武漢工程大學(xué)報(bào), 2016, 38(5): 511-516.

[8] 楊云斌, 何良莉, 張懷宇, 等. 基于物理屬性的虛擬對(duì)象行為仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2017, 39(11): 2747-2752.

[9] 吳珍發(fā), 趙皇進(jìn), 鄭國(guó)磊. 基于語(yǔ)義分解的人機(jī)任務(wù)快速規(guī)劃及仿真自動(dòng)生成方法[J]. 圖學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 36(5): 795-801.

[10] 趙皇進(jìn), 鄭國(guó)磊. 具有避障能力的虛擬人姿態(tài)優(yōu)化算法[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 22(7): 1145-1149.

Modeling and Simulation Implementation of Virtual Human Behavior for Ergonomics Simulation

WU Zhen-fa1, ZHAO Huang-jin2, ZHENG Guo-lei2

(1. School of Information Engineering, Putian University, Putian Fujian 351100, China; 2. School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China)

A modeling method by using advanced smart object (ASO) is proposed to realize the behavior modeling of the virtual human. Firstly, the concept of ASO is introduced, and the interaction element, part, action of its interaction features are defined, and the interaction action is also classified. Secondly, the object-driven method is proposed from the computer representation to solve the calculation problem of the virtual human motion that is caused by the object action, and the modeling of the interaction feature of virtual object is implemented. Lastly, we analyze the basic behavior of virtual human according to the requirements and select four frequently-used types of virtual human basic actions, and after that, define the basic actions and make combinations of them, so that the method for the interaction posture calculation and the hand shape calculation by using the interaction element can be proposed. The behavior modeling of the virtual human and the ergonomics simulation are achieved, which helps solve the problem of massive direct interaction for ergonomics simulation and verifies the reusability of the simulation. Taking the simulation of the manual riveting operation in the aircraft assembly as an example, the proposed method is further tested.

ergonomics simulation; advanced smart object; virtual human; virtual object; behavior modeling

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2019020410

A

2095-302X(2019)02-0410-06

2018-05-27；

2018-10-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(60873157)

吳珍發(fā)(1964-)，男，福建莆田人，副教授，碩士。主要研究方向?yàn)槿藱C(jī)仿真、物聯(lián)網(wǎng)及人工智能。E-mail：wuzhenfa@126.com