Синтез движения человека представляет собой сложную процедуру, включающую точную реконструкцию последовательности движений, моделирование кинематики опорно-двигательного аппарата и динамики, а также определение надежных эксплуатационных критериев. Многие из этих процессов имеют много общего с проблемами, возникающими в исследованиях в области робототехники.
Используемые в робототехнике методы, основанные на решении конкретных задач, могут быть использованы для создания новых методов моделирования опорно-двигательного аппарата и физиологически точных прогнозов производительности.
Слежение за маркерами
Ученые представляют метод для реконструкции траекторий движения человека в режиме реального времени с использованием прямого слежения за маркерами, критерий минимизации мышечных усилий, ориентированный на решение конкретных задач и новые человеческие показатели эффективности для динамической характеристики спортивных навыков.
Реконструкция динамического движения достигается с помощью управления моделируемой человеческой моделью для отслеживания траекторий захваченных маркеров в режиме реального времени. Оперативное управление пространством и моделирование в реальном времени обеспечивают динамику человека при любой конфигурации производительности. Введены новые критерии минимизации мышечных усилий для анализа статических поз человека.
Для подтверждения нового критерия минимизации были проведены обширные эксперименты по захвату движения. Наконец, введены новые показатели человеческих достижений для детального изучения спортивного мастерства. Эти показатели включают затраты усилий и возможный набор ускорений операционного пространства во время выполнения движения. Динамическая характеристика учитывает кинематику скелета, а также кинематику расстановки мышц и силу воздействия. Разработки опираются на передовую платформу моделирования опорно-двигательного аппарата и ориентированные на решение конкретных задач для эффективной интеграции биомеханики и методов робототехники.
Реконструкция движения человека с помощью прямого управления маркерами
Захват движения является эффективным инструментом для исследования кинематики человека. Однако для преобразования позиций исходных маркеров в кинематические данные необходимо выполнить ряд шагов после обработки.
Наиболее важным шагом является преобразование траекторий маркеров в траектории совместного пространства. Обычно это делается с использованием методов обратной кинематики. В качестве альтернативы выполнению обратной кинематики на маркерных данных предлагается новый алгоритм реконструкции движения человека путем прямого управления данными оптической траектории маркера.
Этот подход, который динамически отслеживает маркеры, используя системы контроля на уровне задач и системы приоритетного контроля, называется прямым контролем маркеров. Прямое управление маркером достигается путем нанесения масштабированной динамической модели человека на экспериментальные местоположения маркеров в декартовом пространстве и моделирования их по желаемым траекториям в режиме реального времени.
Для точной реконструкции движения человека алгоритм управления прямыми маркерами решает проблему избыточности и обеспечивает развязку маркеров, группируя их в отдельные подмножества и формируя иерархию задач. В этом пространстве маркеров приоритет присваивается каждой подмножеству задач, а задачи с более низкими приоритетами в иерархии проецируются в нулевое пространство задач с более высокими приоритетами.
Этот процесс рекурсивно итерируется, и модель человека отслеживается до желаемой конфигурации движения. Для того чтобы иметь кинематически согласованные модели движения, человеческая модель масштабируется до уровня антропометрии человека. Затем моделируется кинематически корректная человеческая модель в режиме реального времени для генерирования динамики движения при любом состоянии работы.
Что же мы имеем по итогу
Алгоритм управления с прямыми маркерами представляет собой эффективный инструмент, расширяющий нашу динамическую среду для определения характеристик, описывающих естественное движение человека, которые могут быть отображены на карте гуманоидных роботов для контроля и анализа в режиме реального времени.