CN104808510B - 虚拟航天员多层次运动控制仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于计算机仿真技术领域，特别涉及用于航天员训练的仿真系统。虚拟航天员多层次运动控制仿真方法，包括以下步骤：A.构建分层次的虚拟航天员运动控制结构；B.构建和应用所述交互设备层(1)；C.构建和所述应用运动控制层(2)；D.构建和应用所述物理控制层(3)；E.构建和应用所述规则控制层(4)；F.构建和应用所述显示层(5)。应用本发明可以实现：受训者实时交互控制虚拟航天员的肢体及手部运动；虚拟航天员的运动特性满足微重力条件；虚拟航天员能对其他虚拟物体做抓取、释放等较精细的操作；虚拟航天员通过手抓握扶栏进行太空行走；虚拟航天员的显示效果好，不出现关节分离等现象。

Description

虚拟航天员多层次运动控制仿真方法

技术领域

本发明属于计算机仿真技术领域，特别涉及用于航天员训练的仿真系统。

背景技术

虚拟训练系统利用虚拟现实技术，构建虚拟的飞行任务环境，使航天员能够沉浸在飞行任务的虚拟环境中进行运动和操作，与虚拟环境进行交互，实现人在回路的虚拟现实训练。虚拟现实技术具有数字化程度高、可复用度高、能突破物理环境限制、安全性好等特点，并经美国航空航天局NASA、欧空局ESA和加拿大等研究机构的成功运用，已经成为太空探索中航天员训练的一个重要发展方向。

虚拟航天员的运动控制是采用特定的方法对虚拟航天员三维模型中各肢体节段的运动进行控制和仿真，是虚拟训练系统的关键技术之一。针对航天员的虚拟训练，虚拟航天员的运动控制一般采用实时交互式运动控制的方式。

目前虚拟人的运动控制技术主要包括：

(1)基于参数关键帧的虚拟人运动控制技术

主要研究在给定人体运动过程中的一些关键姿态(关键帧)的基础上，计算出两个关键姿态之间的若干中间姿态(中间帧)，中间帧通常采用插补算法由计算机自动生成，常用的插补算法有线性插补法、splines插补法等，使用插补法实现的虚拟人运动其物理逼真性难以保证，实际应用中这种方法常作为一种辅助的手段来完善人体运动的仿真。

(2)基于运动学的虚拟人运动控制技术

通过建立人体各体段的多刚体运动模型，实现人体运动的层次化树状描述，根据实现方法和用途可分为正向运动学和逆向运动学方法。正向运动学方法通过给定各个关节空间的结构参数，得到笛卡尔空间中末端效应器的位置和方向，通常用于配合运动捕获方法计算笛卡尔空间中人体各节段的位置和姿态；逆向运动学方法通过末端效应器在笛卡尔空间的位置和方向，反向推出在各个子关节空间中各连接杆的结构参数，主要解决求解不定方程的多解和求解不稳定的问题，通常用于人体动画制作、可达性分析、路径规划等领域。

(3)基于动力学的虚拟人运动控制技术

通过一系列的力和力矩来描述人体的运动，主要考虑正向动力学和逆向动力学问题两个问题，正向动力学是指给出随时间变化的力和力矩，产生线加速度和角加速度建立动力学方程，计算出运动时的位置、方向、速度、加速度等，从而确定运动状态；逆向动力学是指为了得到想要的目标运动状态，而决定所需要的力和力矩，可用于任务规划中的力学分析、施力控制等，还可用于建立骨骼及肌肉的力学模型，对已知运动进行骨骼和肌肉的应力分析等。

(4)基于运动捕获的虚拟人运动控制技术

采用传感设备采集人体运动数据，将采集的运动数据与虚拟人进行映射，驱动虚拟人在三维虚拟空间中运动，可用于实时仿真和离线分析。运动捕获方法根据设备的种类一般分为两类，一类是基于计算机视觉的方法，一般采用光学及红外摄像机等进行人体运动捕获，再进行人体建模与图像重构实现虚拟人体运动实时控制；另一类是基于传感器的方法，传感器包括超声波型、电磁型等多种类型。

对于航天员虚拟训练系统来说，其对虚拟航天员的运动控制主要有如下需求：

(1)受训者能够实时交互控制虚拟航天员的肢体及手部运动；

(2)虚拟航天员的运动特性应满足微重力条件；

(3)虚拟航天员应能实现对其他虚拟物体较精细的交互操作，如抓取、释放等；

(4)虚拟航天员应能实现通过手抓握扶栏进行太空行走；

(5)虚拟航天员的显示效果好，不能出现关节分离等现象。

根据虚拟航天员运动控制的特殊要求，无法单独使用一种运动控制方法满足，其中运动学方法和运动捕获方法无法模拟失重特性，动力学方法无法实现实时交互控制和太空行走仿真，而关键帧方法一般只能用于离线动画编辑。

发明内容

本发明的目的是：提供一种虚拟航天员多层次运动控制仿真方法，满足虚拟训练系统在实时交互、微重力运动特性、交互操作、太空行走仿真以及较好的显示效果等方面的技术要求。

本发明的技术方案是：一种虚拟航天员多层次运动控制仿真方法，包括以下步骤：

A.构建分层次的虚拟航天员运动控制结构

将虚拟航天员运动控制结构自下而上分为：交互设备层(1)，运动控制层(2)，物理控制层(3)，规则控制层(4)和显示层(5)；各层次之间在实现上相互独立，完成各自特定的功能，且下一层次为上一层次提供驱动数据；

B.构建和应用所述交互设备层(1)

所述交互设备层(1)包括由受训航天员穿着或佩戴的数据手套、位置跟踪仪、数据衣及其它人机交互设备，用于实时采集和输出受训人员肢体和手部运动信息；

C.构建和所述应用运动控制层(2)

所述应用运动控制层(2)包括虚拟航天员运动学模型，其构建方法为：

根据航天员的空间运动和操作特点，将人体划分为42个节段，其中不含手部的躯体部分分为10个节段，每只手的手掌及手指分为16个节段；

躯体部分的节段划分：躯干(B1)，右上臂(B2)，右下臂(B2)，左上臂(B4)，左下臂(B5)，右大腿(B6)，右小腿及右足(B7)，左大腿(B8)，左小腿及左足(B9)，头部(B10)；依次标号为B1～B10；各节段坐标系用o_i-x_iy_iz_i，i∈N，1≤i≤10表示，i为每节段的编号，其中所述躯干(B1)段取躯干的质心位置为其原点，其余各节段取其与上一节段的交点，即关节的位置为其原点；

手部的节段划分为：手掌(H1)，拇指近节(H2)，拇指中节(H3)，拇指远节(H4)，食指近节(H5)，食指中节(H6)，食指远节(H7)，中指近节(H8)，中指中节(H9)，中指远节(H10)，无名指近节(H11)，无名指中节(H12)，无名指远节(H13)，小指近节(H14)，小指中节(H15)，小指远节(H16)；依次标号为H1～H16；每一节段的坐标系原点取其与上一节段交点的位置，即各指端关节处，手掌部分的坐标系原点取其与下臂的交点，即腕关节处；

将航天员人体视为通过多个旋转关节连接在一起的多刚体系统，则人体任一节段相对于参考节段坐标系的变换矩阵通过按照人体几何拓扑结构的顺序，连乘各节段连体坐标系间的变换矩阵得到；

所述虚拟航天员运动学模型由所述交互设备层(1)提供的受训人员肢体和手部运动信息数据所驱动而改变各关节角度，实现对受训人员肢体和手部运动的实时跟踪；

D.构建和应用所述物理控制层(3)

所述物理控制层(3)包括虚拟航天员多刚体碰撞检测模型，该模型基于物理引擎技术模拟航天员在空间的“漂浮”状态，以及与外界环境发生碰撞后的运动；构建方法为：

该模型的人体节段划分和坐标系定义、尺寸数据均与C步骤所述虚拟航天员运动学模型一致，根据标准和文献得到人体各节段包括几何尺寸、质量、质心位置以及中心转动惯量参数的动力学属性参数，设置给人体各节段，并采用关节约束将各节段连接成一个多刚体动力学系统；

在多刚体动力学算法中，将人体各节段的运动分为刚体质心的平移运动和刚体绕质心的转动，对于刚体质心的平移运动，采用质点运动定律，即牛顿第二运动定律：F＝ma，进行描述，而加速度a即为位置x对时间t的二阶导数，即：

对于刚体绕质心的转动，以下式描述：

式中：L(t)为刚体的角动量，I(t)为惯性张量，用以描述物体的质量分布，使用物理引擎根据物体的形状及质量、密度参数设置计算得出，ω(t)为刚体的角速度；

所述物理控制层(3)实时获取所述运动控制层(2)给出的人体实时运动跟踪数据，驱动所述虚拟航天员多刚体碰撞检测模型的肢体及手部各关节的相对运动，然后将该模型与外界环境进行碰撞检测，通过物理引擎计算得出虚拟接触力，即人体受到的合外力，通过多刚体动力学算法得到虚拟航天员人体质心的位置及姿态，得出虚拟航天员在微重力环境下的运动特性；

E.构建和应用所述规则控制层(4)

所述规则控制层(4)使用自定义的抓持规则和随动规则及约束实现典型的操作仿真和太空行走仿真；所述抓持规则判断是否稳定抓住物体，采用多指接触和是否符合抓握手型的方法进行判断；所述随动规则用于抓持判定后虚拟航天员运动状态的处理，将虚拟航天员运动状态分为自由态和束缚态，自由态是指虚拟航天员自由漂浮或抓住可移动物体状态，处于自由态的虚拟航天员抓住一个虚拟可移动物体后，采用将该物体节点挂接到虚拟航天员人体来实现随动控制；当自由态虚拟航天员抓握虚拟固定物时，人体处于束缚态，其运动的基点变为抓握的手部，即虚拟航天员人体质心随手部运动，从而实现太空行走仿真；

对于束缚态虚拟航天员人体质心运动的计算，采用变换人体基坐标系的方式实现，即改变相邻关节的父子关系，使其随动关系改变；束缚态虚拟航天员运动仿真过程中，手部抓住扶栏时，以抓持手为人体基坐标系，使身体其它节点变为抓持手的子节点，从而产生身体的随动效果；将太空行走过程中航天员的状态分为自由态、左手束缚态、右手束缚态及双手束缚态，分别对应于双手均松开扶栏、左手抓住扶栏、右手抓住扶栏及双手均抓住扶栏时航天员的状态；对于双手束缚态的处理，采用解除先抓持扶栏的手的束缚关系，同时建立后抓持手与扶栏间的束缚关系，由此仿真完整的太空行走过程；

对于束缚态的人体，改变人体基坐标系定义，则束缚态掌部体坐标系变为人体基坐标系；

F.构建和应用所述显示层(5)

所述显示层(5)包括虚拟航天员显示层模型，该模型的人体节段划分和坐标系定义与所述运动控制层的虚拟航天员运动学模型一致，采用骨骼蒙皮绑定技术建立皮肤层模型，在所述皮肤层模型中通过三角面片变形实现关节旋转，在所述规则控制层(4)输出数据驱动下控制虚拟航天员显示层模型运动，用于最终效果展示，并进行编辑动画控制。

应用本发明可以实现：受训者实时交互控制虚拟航天员的肢体及手部运动；虚拟航天员的运动特性满足微重力条件；虚拟航天员能对其他虚拟物体做抓取、释放等较精细的操作；虚拟航天员通过手抓握扶栏进行太空行走；虚拟航天员的显示效果好，不出现关节分离等现象。

附图说明

图1为分层次的虚拟航天员运动控制结构示意图；

图2为虚拟航天员运动学模型中躯体部分各节段划分及坐标系定义示意图；

图3、图4分别为虚拟航天员运动学模型中左、右手各节段划分及坐标系定义示意图；

图5为虚拟航天员多刚体碰撞检测模型示意图；

图6为物理控制层计算仿真流程；

图7为处于自由态的人体抓住一个虚拟物体后，将物体节点挂接到人体实现随动控制示意图；

图8为处于当自由态的人体抓握固定物时，人体处于束缚态，其运动的基点变为抓握的手部示意图；

图9、图10、图11分别为无抓持、左手抓持、右手抓持时虚拟航天员人体的树状模型；

图12为规则控制层的仿真算法流程图；

图13为太空行走仿真中不同束缚态的详细仿真流程图；

图14为显示层中采用骨骼蒙皮绑定技术效果示意图；

图15为显示层中皮肤层模型效果示意图；

图16为虚拟航天员显示层模型效果示意图；

图17为本发明全过程流程图。

具体实施方式

一种虚拟航天员多层次运动控制仿真方法，包括以下步骤：

A.构建分层次的虚拟航天员运动控制结构

参见图1，将虚拟航天员运动控制结构自下而上分为：交互设备层(1)，运动控制层(2)，物理控制层(3)，规则控制层(4)和显示层(5)；各层次之间在实现上相互独立，完成各自特定的功能，且下一层次为上一层次提供驱动数据；

B.构建和应用所述交互设备层(1)

所述交互设备层(1)包括由受训航天员穿着或佩戴的数据手套、位置跟踪仪、数据衣及其它人机交互设备，用于实时采集和输出受训人员肢体和手部运动信息；

C.构建和所述应用运动控制层(2)

所述应用运动控制层(2)包括虚拟航天员运动学模型，其构建方法为：

根据航天员的空间运动和操作特点，将人体划分为42个节段，其中不含手部的躯体部分分为10个节段，每只手的手掌及手指分为16个节段；

参见图2，躯体部分的节段划分：躯干(B1)，右上臂(B2)，右下臂(B2)，左上臂(B4)，左下臂(B5)，右大腿(B6)，右小腿及右足(B7)，左大腿(B8)，左小腿及左足(B9)，头部(B10)；依次标号为B1～B10；各节段坐标系用o_i-x_iy_iz_i，i∈N，1≤i≤10表示，i为每节段的编号，其中所述躯干(B1)段取躯干的质心位置为其原点，其余各节段取其与上一节段的交点，即关节的位置为其原点；

参见图3、图4，手部的节段划分为：手掌(H1)，拇指近节(H2)，拇指中节(H3)，拇指远节(H4)，食指近节(H5)，食指中节(H6)，食指远节(H7)，中指近节(H8)，中指中节(H9)，中指远节(H10)，无名指近节(H11)，无名指中节(H12)，无名指远节(H13)，小指近节(H14)，小指中节(H15)，小指远节(H16)；依次标号为H1～H16；每一节段的坐标系原点取其与上一节段交点的位置，即各指端关节处，手掌部分的坐标系原点取其与下臂的交点，即腕关节处；

将航天员人体视为通过多个旋转关节连接在一起的多刚体系统，则人体任一节段相对于参考节段坐标系的变换矩阵通过按照人体几何拓扑结构的顺序，连乘各节段连体坐标系间的变换矩阵得到；例如：设腕关节坐标系W(Wrist)，肘关节坐标系E(Elbow)，肩关节坐标系S(Shoulder)，躯干坐标系B(Body)。则以躯干体坐标系为基坐标系，手腕W作为末端相对于基坐标系的运动方程为：

其中：R为相邻体段B_j和B_i的连体坐标系间的方向余弦变换，如从坐标系O_j-X_jY_jZ_j变换到O_i-X_iY_iZ_i的欧拉角为[α_i β_i γ_i]^T，体段B_j与B_i的变换矩阵可以根据公式(2-2)计算获得，即：

所述虚拟航天员运动学模型由所述交互设备层(1)提供的受训人员肢体和手部运动信息数据所驱动而改变各关节角度，实现对受训人员肢体和手部运动的实时跟踪；

D.构建和应用所述物理控制层(3)

所述物理控制层(3)包括虚拟航天员多刚体碰撞检测模型，该模型基于物理引擎技术模拟航天员在空间的“漂浮”状态，以及与外界环境发生碰撞后的运动；构建方法为：

该模型的人体节段划分和坐标系定义、尺寸数据均与C步骤所述虚拟航天员运动学模型一致，根据标准和文献得到人体各节段包括几何尺寸、质量、质心位置以及中心转动惯量参数的动力学属性参数，设置给人体各节段，并采用关节约束将各节段连接成一个多刚体动力学系统；

在多刚体动力学算法中，将人体各节段的运动分为刚体质心的平移运动和刚体绕质心的转动，对于刚体质心的平移运动，采用质点运动定律，即牛顿第二运动定律：F＝ma，进行描述，而加速度a即为位置x对时间t的二阶导数，即：

对于刚体绕质心的转动，以下式描述：

式中：L(t)为刚体的角动量，I(t)为惯性张量，用以描述物体的质量分布，使用物理引擎根据物体的形状及质量、密度参数设置计算得出，ω(t)为刚体的角速度；

参见图6，所述物理控制层(3)实时获取所述运动控制层(2)给出的人体实时运动跟踪数据，驱动所述虚拟航天员多刚体碰撞检测模型的肢体及手部各关节的相对运动，然后将该模型与外界环境进行碰撞检测，通过物理引擎计算得出虚拟接触力，即人体受到的合外力，通过多刚体动力学算法得到虚拟航天员人体质心的位置及姿态，得出虚拟航天员在微重力环境下的运动特性；

E.构建和应用所述规则控制层(4)

所述规则控制层(4)使用自定义的抓持规则和随动规则及约束实现典型的操作仿真和太空行走仿真；所述抓持规则判断是否稳定抓住物体，采用多指接触和是否符合抓握手型的方法进行判断；所述随动规则用于抓持判定后虚拟航天员运动状态的处理，将虚拟航天员运动状态分为自由态和束缚态，自由态是指虚拟航天员自由漂浮或抓住可移动物体状态，处于自由态的虚拟航天员抓住一个虚拟可移动物体后，采用将该物体节点挂接到虚拟航天员人体来实现随动控制，如图7所示为人抓住陀螺，箭头所指方向表示陀螺挂接到手部随动；当自由态虚拟航天员抓握虚拟固定物如扶栏时，人体处于束缚态，其运动的基点变为抓握的手部，如图8所示，箭头所指方向表示身体随手部移动，即虚拟航天员人体质心随手部运动，从而实现太空行走仿真；

对于束缚态虚拟航天员人体质心运动的计算，采用变换人体基坐标系的方式实现，即改变相邻关节的父子关系，使其随动关系改变；束缚态虚拟航天员运动仿真过程中，手部抓住扶栏时，以抓持手为人体基坐标系，使身体其它节点变为抓持手的子节点，从而产生身体的随动效果；将太空行走过程中航天员的状态分为自由态、左手束缚态、右手束缚态及双手束缚态，分别对应于双手均松开扶栏、左手抓住扶栏、右手抓住扶栏及双手均抓住扶栏时航天员的状态，图9、图10、图11分别给出了不同抓持状态下虚拟航天员的人体树状模型变化，其中的Bi代表人体节段，有向线段Ji代表节段间的关节，箭头所指方向为随动方向，即J1、J2或J3、J4的关节随动方向改变；对于双手束缚态的处理，采用解除先抓持扶栏的手的束缚关系，同时建立后抓持手与扶栏间的束缚关系，由此仿真完整的太空行走过程；

对于束缚态的人体，改变人体基坐标系定义，则束缚态掌部体坐标系变为人体基坐标系，设手掌体坐标系为P，腕关节体坐标系为W，肘关节体坐标系为E，肩关节体坐标系为S，则躯体体坐标系B相对世界坐标系WD的运动方程可采用齐次坐标变换矩阵T表示为：

其中： 为旋转矩阵，为平移向量；

上述规则控制层的仿真算法流程如图12、图13所示；

F.构建和应用所述显示层(5)

参见图14、图15、图16，所述显示层(5)包括虚拟航天员显示层模型，该模型的人体节段划分和坐标系定义与所述运动控制层的虚拟航天员运动学模型一致，采用骨骼蒙皮绑定技术建立皮肤层模型，在所述皮肤层模型中通过三角面片变形实现关节旋转，在所述规则控制层(4)输出数据驱动下控制虚拟航天员显示层模型运动，用于最终效果展示，并进行编辑动画控制。

虚拟航天员多层次运动控制仿真的全过程如图17所示。

Claims (1)

1.一种虚拟航天员多层次运动控制仿真方法，包括以下步骤：

A.构建分层次的虚拟航天员运动控制结构

将虚拟航天员运动控制结构自下而上分为：交互设备层(1)，运动控制层(2)，物理控制层(3)，规则控制层(4)和显示层(5)；各层次之间在实现上相互独立，完成各自特定的功能，且下一层次为上一层次提供驱动数据；

B.构建和应用所述交互设备层(1)

所述交互设备层(1)包括由受训航天员穿着或佩戴的数据手套、位置跟踪仪、数据衣及其它人机交互设备，用于实时采集和输出受训人员肢体和手部运动信息；

C.构建和所述应用运动控制层(2)

所述应用运动控制层(2)包括虚拟航天员运动学模型，其构建方法为：

根据航天员的空间运动和操作特点，将人体划分为42个节段，其中不含手部的躯体部分分为10个节段，每只手的手掌及手指分为16个节段；

躯体部分的节段划分：躯干(B1)，右上臂(B2)，右下臂(B2)，左上臂(B4)，左下臂(B5)，右大腿(B6)，右小腿及右足(B7)，左大腿(B8)，左小腿及左足(B9)，头部(B10)；依次标号为B1～B10；各节段坐标系用o_i-x_iy_iz_i，i∈N，1≤i≤10表示，i为每节段的编号，其中所述躯干(B1)段取躯干的质心位置为其原点，其余各节段取其与上一节段的交点，即关节的位置为其原点；

手部的节段划分为：手掌(H1)，拇指近节(H2)，拇指中节(H3)，拇指远节(H4)，食指近节(H5)，食指中节(H6)，食指远节(H7)，中指近节(H8)，中指中节(H9)，中指远节(H10)，无名指近节(H11)，无名指中节(H12)，无名指远节(H13)，小指近节(H14)，小指中节(H15)，小指远节(H16)；依次标号为H1～H16；每一节段的坐标系原点取其与上一节段交点的位置，即各指端关节处，手掌部分的坐标系原点取其与下臂的交点，即腕关节处；

将航天员人体视为通过多个旋转关节连接在一起的多刚体系统，则人体任一节段相对于参考节段坐标系的变换矩阵通过按照人体几何拓扑结构的顺序，连乘各节段连体坐标系间的变换矩阵得到；

所述虚拟航天员运动学模型由所述交互设备层(1)提供的受训人员肢体和手部运动信息数据所驱动而改变各关节角度，实现对受训人员肢体和手部运动的实时跟踪；

D.构建和应用所述物理控制层(3)

所述物理控制层(3)包括虚拟航天员多刚体碰撞检测模型，该模型基于物理引擎技术模拟航天员在空间的“漂浮”状态，以及与外界环境发生碰撞后的运动；构建方法为：

该模型的人体节段划分和坐标系定义、尺寸数据均与C步骤所述虚拟航天员运动学模型一致，根据标准和文献得到人体各节段包括几何尺寸、质量、质心位置以及中心转动惯量参数的动力学属性参数，设置给人体各节段，并采用关节约束将各节段连接成一个多刚体动力学系统；

在多刚体动力学算法中，将人体各节段的运动分为刚体质心的平移运动和刚体绕质心的转动，对于刚体质心的平移运动，采用质点运动定律，即牛顿第二运动定律：F＝ma，进行描述，而加速度a即为位置x对时间t的二阶导数，即：

$m=\frac{d^{2}x\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}=\mathrm{\Σ}{F}_i\left(t\right)$

对于刚体绕质心的转动，以下式描述：

$m=\frac{\mathrm{dL}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=m\frac{d\left(I\left(t\right)\mathrm{\ω}\left(t\right)\right)}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\Σ}{T}_i\left(t\right)$

式中：L(t)为刚体的角动量，I(t)为惯性张量，用以描述物体的质量分布，使用物理引擎根据物体的形状及质量、密度参数设置计算得出，ω(t)为刚体的角速度；

所述物理控制层(3)实时获取所述运动控制层(2)给出的人体实时运动跟踪数据，驱动所述虚拟航天员多刚体碰撞检测模型的肢体及手部各关节的相对运动，然后将该模型与外界环境进行碰撞检测，通过物理引擎计算得出虚拟接触力，即人体受到的合外力，通过多刚体动力学算法得到虚拟航天员人体质心的位置及姿态，得出虚拟航天员在微重力环境下的运动特性；

E.构建和应用所述规则控制层(4)

所述规则控制层(4)使用自定义的抓持规则和随动规则及约束实现典型的操作仿真和太空行走仿真；所述抓持规则判断是否稳定抓住物体，采用多指接触和是否符合抓握手型的方法进行判断；所述随动规则用于抓持判定后虚拟航天员运动状态的处理，将虚拟航天员运动状态分为自由态和束缚态，自由态是指虚拟航天员自由漂浮或抓住可移动物体状态，处于自由态的虚拟航天员抓住一个虚拟可移动物体后，采用将该物体节点挂接到虚拟航天员人体来实现随动控制；当自由态虚拟航天员抓握虚拟固定物时，人体处于束缚态，其运动的基点变为抓握的手部，即虚拟航天员人体质心随手部运动，从而实现太空行走仿真；

对于束缚态虚拟航天员人体质心运动的计算，采用变换人体基坐标系的方式实现，即改变相邻关节的父子关系，使其随动关系改变；束缚态虚拟航天员运动仿真过程中，手部抓住扶栏时，以抓持手为人体基坐标系，使身体其它节点变为抓持手的子节点，从而产生身体的随动效果；将太空行走过程中航天员的状态分为自由态、左手束缚态、右手束缚态及双手束缚态，分别对应于双手均松开扶栏、左手抓住扶栏、右手抓住扶栏及双手均抓住扶栏时航天员的状态；对于双手束缚态的处理，采用解除先抓持扶栏的手的束缚关系，同时建立后抓持手与扶栏间的束缚关系，由此仿真完整的太空行走过程；

对于束缚态的人体，改变人体基坐标系定义，则束缚态掌部体坐标系变为人体基坐标系；

F.构建和应用所述显示层(5)

所述显示层(5)包括虚拟航天员显示层模型，该模型的人体节段划分和坐标系定义与所述运动控制层的虚拟航天员运动学模型一致，采用骨骼蒙皮绑定技术建立皮肤层模型，在所述皮肤层模型中通过三角面片变形实现关节旋转，在所述规则控制层(4)输出数据驱动下控制虚拟航天员显示层模型运动，用于最终效果展示，并进行编辑动画控制。