DE112013002018T5

DE112013002018T5 - Echtzeithaltungs- und Bewegungsvorhersage bei der Ausführung von Betriebsaufgaben

Info

Publication number: DE112013002018T5
Application number: DE201311002018
Authority: DE
Inventors: c/o Honda Patents & Tech Dariush Behzad
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2013-04-08
Publication date: 2015-04-16
Also published as: US20130268256A1; CN104380306A; JP6046801B2; CN104380306B; JP2015523544A; WO2013154970A1; US9195794B2

Abstract

Es wird ein System zum Bestimmen der Haltung eines Gelenkmodells eines virtuellen Subjekts bei der Ausführung einer Aufgabe innerhalb einer Fahrzeuginsassen-Unterbringungs-Konstruktion beschrieben. Das System verwendet eine Anfangshaltung des Gelenkmodells, bevor das virtuelle Subjekt die Aufgabe ausführt, als Ausgangspunkt. Das System bestimmt die Haltung während der gesamten Ausführung der Aufgabe durch das virtuelle Subjekt. Die Haltung wird basierend auf den Parametern des virtuellen Subjekts, der Konstruktion, der zu erfüllenden Aufgabe und einem Satz von Einschränkungen bestimmt, welche die Bewegung des virtuellen Subjekts begrenzen. Die Haltung kann analysiert werden, um die Brauchbarkeit einer Konstruktion für einen menschlichen Probanden zu bestimmen, ohne einen Test mit einem lebenden Probanden zu benötigen. Das Verfahren wird analytisch hergeleitet und resultiert in einer kinematisch und dynamisch konsistenten Haltung in Echtzeit, ohne eine interative Optimierung zu benötigen.

Description

Hintergrund
Gebiet der Offenbarung
Die Offenbarung betrifft allgemein das Gebiet der Haltungsvorhersage für Gelenkmodelle zur Verwendung in Fahrzeugen zur Bestimmung der Nutzbarkeit von Fahrzeuginsassen-Unterbringungs-Konstruktionen.
Beschreibung der verwandten Technik
Fahrzeuginsassen-Unterbringung bezieht sich auf die Abschnitte vom Innenraum des Fahrzeugs, die vom Fahrer und von Passagieren des Fahrzeugs belegt werden. Fahrzeuginsassen-Unterbringung kann eine Anzahl unterschiedlicher Merkmale beinhalten, einschließlich z. B. Sitzkonstruktion, Positionierung und Betrieb der Handbremse, Positionierung und Orientierung des Lenkrads, Mittelkonsolenkonstruktion und Türgriffkonstruktion und -betrieb. Fahrzeuginsassen-Unterbringungs-Konstruktion bezieht sich auf das allgemeine Gebiet, das sich mit der Konstruktion von Fahrzeuginsassen-Unterbringung befasst, so dass der gegebene Innenraum eines Fahrzeugs sowohl funktional als auch komfortabel ist. Da Fahrzeugkonstruktionen weithin variieren und mit jeder neuen Fahrzeuggeneration schrittweise verbessert werden, muss auch die Fahrzeuginsassen-Unterbringung auf kontinuierlicher Basis umgestaltet und verbessert werden.
Typischerweise wird eine neue Fahrzeuginsassen-Unterbringung getestet, indem ein maßstabgetreues Modell einer gegebenen Konstruktion hergestellt wird, und dann die Konstruktion mit einer Anzahl unterschiedlicher menschlicher Probanden getestet wird. Die am Test teilnehmenden Probanden werden im Idealfall über einen breiten Bereich von körperlichen Charakteristiken verteilt, einschließlich zum Beispiel Größe, Gewicht, Geschlecht, Gliedmaßenlänge (z. B. Bein- und Armlänge), Stärke und Gelenk-Bewegungsbereiche. Dies dient zur Sicherstellung, dass die getestete und geprüfte Fahrzeuginsassen-Unterbringung von einer signifikanten Mehrheit der menschlichen Population bedienbar sein wird.
Es sind verschiedene unterschiedliche Software-Simulationspackungen verfügbar, die die Simulation einer Fahrzeuginsassen-Unterbringungs-Konstruktion erlauben, und auch eine Testsimulation von virtuellen Subjekten erlauben. Diese virtuellen Subjekte sind Computermodelle von menschlichen Probanden, wo die virtuellen Subjekte die gleiche Varianz von körperlichen Charakteristiken (z. B. Größe, Gewicht, Gliedmaßenlänge) haben, die beim Test von realen Fahrzeuginsassen-Unterbringungs-Konstruktionen verwendet werden. Beispiele dieser Softwarepackungen enthalten zum Beispiel JACK, angeboten von SIEMENS, und DELMIA, angeboten von DASSAULT SYSTEMES.
Diese Softwarepackungen verbessern den Fahrzeuginsassen-Unterbringungs-Konstruktions-Prozess, indem sie eine konstruktive Iteration gestatten, ohne einen körperlichen Prototyp für jeden Konstruktionsschritt zu benötigen. Zum Beispiel erlauben es Softwarekonstruktionspackungen einem Konstrukteur zu testen, ob ein menschlicher Proband in die gegebene Konstruktion passen wird (z. B. ob er körperlich in der Lage sein wird, die Handbremse über deren vollen Bewegungsbereich zu erreichen). Ferner erlauben diese Softwarepackungen die Berechnung einer einzelnen statischen menschlichen Haltung, wenn ein bestimmter Aspekt des Fahrzeugs bedient wird (z. B. die zeitlich feste Haltung, wenn die Handbremse ergriffen wird). Allgemein berechnen diese Softwarepackungen die einzelne statische Haltung unter Verwendung statistischer Regressionen, deren Berechnung eine lange Zeit benötigt, und kann somit nicht in Echtzeit bestimmt werden.
Ein Nachteil der existierenden Konstruktionssoftwarepackungen ist, dass sie gegenwärtig nicht den vollen Informationsbereich liefern können, der gesammelt wird, wenn ein Test eines lebenden menschlichen Probanden mit einem maßstabgetreuen Testmodell durchgeführt wird. Demzufolge ist es immer noch allgemeine Praxis, einen realen Test an einer fertigen (oder halbfertigen) Konstruktion durchzuführen, um die Mängel an existierenden Softwarekonstruktionspackungen zu überwinden.
Anwendungs-Zusammenfassung
Ausführungen der vorliegenden Erfindung bieten ein Verfahren (und ein entsprechendes System und Computerprogramm-Produkt) zur Bestimmung einer Haltung eines virtuellen Subjekts in einer Fahrzeuginsassen-Unterbringungs-Konstruktion, die einem Satz von Einschränkungen unterliegt.
In einer Ausführung werden ein computerimplementiertes Verfahren, ein System und ein nicht-flüchtiges computerlesbares Speichermedium, das einen ausführbaren Computerprogramm-Code enthält, zur Haltungsbestimmung beschrieben. Die Haltungsbestimmung umfasst den Zugriff auf eine Anfangshaltung des Gelenksystems zu einer Anfangszeit, wobei die Anfangshaltung Winkel für eine Mehrzahl von Freiheitsgraden des Gelenksystems aufweist. Die Haltungsbestimmung umfasst ferner den Zugriff auf eine Fahrzeuginsassen-Unterbringungs-Konstruktion und eine Aufgabe, die von dem Gelenksystem innerhalb der Konstruktion gelöst werden soll. Die Haltungsbestimmung umfasst ferner den Zugriff auf einen Satz von Einschränkungen, die eingrenzen, wie die Freiheitsgrade des Gelenksystems manipuliert werden, um die Aufgabe zu erfüllen, wobei die Einschränkungen eine Kontakt-Einschränkung aufweisen, die eine Bewegung des Gelenksystems von einer in der Konstruktion vorhandenen Komponente verhindert. Eine Mehrzahl von Haltungen werden für das Gelenksystem im Anschluss an die Anfangszeit während der Erfüllung der Aufgabe bestimmt, wobei die Bestimmung der Haltung aufweist, eine zeitliche Manipulation der Freiheitsgrade des Gelenksystems zu bestimmen, das die Aufgabe erfüllt, während auch der Satz von Einschränkungen befolgt wird.
Die in der Beschreibung beschriebenen Merkmale und Vorteile sind überhaupt nicht vollständig, und insbesondere werden dem Fachkundigen in Hinsicht auf die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche zahlreiche zusätzliche Merkmale und Vorteile ersichtlich werden. Darüber hinaus sollte angemerkt werden, dass die in der Beschreibung verwendete Sprache grundlegend zum Zwecke der Lesbarkeit und Instruktion ausgewählt worden ist und nicht dazu ausgewählt worden ist, den offenbarten Gegenstand zu umgrenzen oder zu umschreiben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 (Fig.) ist ein Blockdiagramm, das ein Computersystem zum Evaluieren einer Fahrzeuginsassen-Unterbringungs-Konstruktion gemäß einer Ausführung darstellt.
2 ist ein Flussdiagramm zur Bestimmung der Haltung eines virtuellen Subjekts über die Zeit, wenn er eine Aufgabe in einer Fahrzeuginsassen-Unterbringungs-Konstruktion ausführt, gemäß einer Ausführung.
3 ist eine beispielhafte Darstellung eines Gelenkmodells eines virtuellen Subjekts gemäß einer Ausführung;
4 ist ein Flussdiagramm zur Bestimmung einer individuellen Haltung während der Erfüllung einer Aufgabe innerhalb einer Konstruktion gemäß einer Ausführung.
Die Figuren zeigen verschiedene Ausführungen nur zum Zwecke der Illustration. Ein Fachkundiger wird aus der folgenden Diskussion leicht erkennen, dass alternative Ausführungen der hierin dargestellten Strukturen und Methoden angewendet werden können, ohne von den Prinzipien der hierin beschriebenen Ausführungen abzuweichen.
Detaillierte Beschreibung
Ausführungen werden nun in Bezug auf die Figuren beschrieben, wobei gleiche Bezugszahlen identische oder funktionell ähnliche Elemente bezeichnen. Auch in den Figuren entsprechen die äußerst linken Stellen jeder Bezugszahl der Figur, in der die Bezugszahl zuerst benutzt wird.
Systemüberblick
1 (Fig.) ist ein Blockdiagramm, das ein Computersystem 100 zum Auswerten einer Fahrzeuginsassen-Unterbringungs-Konstruktion gemäß einer Ausführung darstellen. Allgemein enthält das Computersystem 100 eine auszuwertende Fahrzeuginsassen-Unterbringungs-Konstruktion (einfach als Konstruktion bezeichnet), Parameter, die ein Gelenkmodell eines virtuellen Subjekts beschreiben, einen Satz von Einschränkungen, die die Bewegung des virtuellen Objekts innerhalb der Konstruktion begrenzen, und eine oder mehrere physikalische Aufgaben (auch als Betriebsaufgaben bezeichnet), die von dem virtuellen Subjekt innerhalb der Konstruktion auszuführen sind. Das Computersystem 100 ist konfiguriert, um die Haltung des virtuellen Subjekts zu bestimmen (oder zu verfolgen), wenn das virtuelle Subjekt eine oder mehrere der physikalischen Aufgaben in der Fahrzeuginsassen-Unterbringungs-Konstruktion ausführt. Die Haltung des virtuellen Subjekts bei der Ausführung der Aufgabe(n) wird analysiert, um die Brauchbarkeit (oder Nutzbarkeit) der Konstruktion für potentielle Fahrer und/oder Passagiere zu bestimmen, die zur Größe und Form des virtuellen Objekts passt.
Die Konstruktion beschreibt das innere Cockpit eines Fahrzeugs. Die Konstruktion enthält eine Anzahl von Komponenten, von denen Beispiele enthalten: einen Sitz mit einer Länge und einer Höhe, eine Kopfstütze, ein Lenkrad, Pedale (z. B. Gas, Bremse und Kupplung), eine Handbremse, ein Audio/Video-System, das in einer Mittelkonsole angeordnet ist, Schaltinstrumente (z. B. zum Steuern der Leuchten und Wischblätter) sowie ein Armaturenbrett. Die Liste der Komponenten ist lediglich beispielhaft und soll nicht erschöpfend sein. Die Konstruktion enthält auch Größen (z. B. Proportionen) für Komponenten, sowie auch relative Abstände, absolute Positionen und Orientierungen zwischen den verschiedenen Komponenten. Zum Beispiel kann auch der Abstand zwischen dem Lenkrad und dem Sitz sowie zwischen den Pedalen und dem Sitz in der Konstruktion enthalten sein. Die Konstruktion kann auch Reichweiten möglicher Positionen für die verschiedenen Komponenten enthalten. Zum Beispiel kann bei vielen Konstruktionen der Sitz angehoben oder abgesenkt, geneigt oder innerhalb des Rahmens vom Cockpit insgesamt vorwärts oder rückwärts bewegt werden. Ähnlich kann das Lenkrad vorwärts oder rückwärts oder angehoben oder abgesenkt werden. Die Möglichkeit, diese Komponenten umzupositionieren und zu reorientieren, beeinflusst stark die Nutzbarkeit einer bestimmten Fahrzeuginsassen-Unterbringungs-Konstruktion durch verschiedene Segmente der menschlichen Proportion.
Das virtuelle Subjekt wird durch das Computersystem 100 als Gelenkmodell eines realen menschlichen Probanden repräsentiert. Durch Modellbildung von menschlichen Probanden als Gelenkmodell ist das Computersystem 100 in der Lage, die Konstruktion auszuwerten, ohne ein maßstabgetreues Modell und menschliche Testprobanden zu benötigen. Allgemein sind die Gelenkmodelle von virtuellen Subjekten ähnlich, da ein Großteil der menschlichen Population zwei Arme, zwei Beine, einen Rumpf, einen Kopf und einen Hals, eine Taille, etc., aufweist. Die Parameter des virtuellen Subjekts erlauben eine Differenzierung zwischen virtuellen Subjekten, welche die Differenzierung zwischen Mitgliedern der menschlichen Population insgesamt widerspiegeln. Parameter können Gliedmaßenlängen (z. B. des Unterarms, des Oberarms, Ober- und Unterschenkel und Rumpflänge) enthalten, die Gesamtgröße des virtuellen Subjekts, das Gesamtgewicht des virtuellen Subjekts, den Gelenkbewegungsbereich, Sichtblickfeld des virtuellen Subjekts, Behinderungen und andere Merkmale. Die obige Liste von Parametern ist lediglich beispielhaft und soll nicht erschöpfend sein.
3 ist eine beispielhafte Darstellung eines Gelenkmodells eines virtuellen Subjekts gemäß einer Ausführung. Im Beispiel von 3 ist das virtuelle Subjekt definiert durch eine Anzahl von Merkmalen am Körper, einschließlich zum Beispiel Kopfscheitel, rechte und linke Schulter, rechter und linker Ellbogen, Taille, rechtes und linkes Handgelenk, rechte und linke Hüfte, rechtes und linkes Knie, und rechter und linker Fußknöchel. Allgemein sind Merkmale an oder in der Nähe von Gelenken angeordnet, die sich um eine oder mehrere Achsen herum drehen können. Die Achsen, um die sich herum ein Gelenk drehen kann, werden als Freiheitsgrade bezeichnet. Ein gegebenes Gelenk kann mehr als einen Freiheitsgrad aufweisen. Zum Beispiel kann sich der menschliche Ellbogen um zwei Achsen herum drehen und hat somit zwei unterschiedliche Freiheitsgrade. Ein Freiheitsgrad ist der Flexion/Extension zugeordnet, und ein zweiter Freiheitsgrad ist der Pronation und Supination zugeordnet. Gemeinsam spezifizieren die Winkel Freiheitsgrade des virtuellen Subjekts und die Parameter vollständig die statische Positionierung aller Glieder des virtuellen Subjekts. Dies wird auch als Haltung bezeichnet.
In einer Implementierung repräsentieren die für ein virtuelles Subjekt erhaltenen Parameter einen oder mehrere Schwellenwerte innerhalb der gesamten Menschenpopulation. Zum Beispiel können die für ein virtuelles Subjekt erhaltenen Parameter einen Fahrer oder Passagier repräsentieren, der in dem 50sten, 75sten, 90sten oder 95sten Perzentil für Höhe und/oder Gewicht und/oder Gliedmaßenlänge liegt, und/oder in Bezug auf gewisse andere Kriterien. Das Evaluieren eines virtuellen Subjekts, das einen dieser Schwellenwerte repräsentiert, erlaubt es dem Computersystem 100, die Brauchbarkeit einer Fahrzeugkonstruktion in Bezug auf einen Anteil der Population zu bestimmen. Zum Beispiel können die Parameter für zwei unterschiedliche virtuelle Subjekte das 5te und 95ste Perzentil der Größe der menschlichen Population repräsentieren. Das Computersystem 100 kann die Konstruktion in Bezug auf diese zwei virtuellen Subjekte evaluieren. Wenn die Konstruktion für beide diese virtuellen Subjekte geeignet ist, kann das Computersystem 100 erschließen, dass die Konstruktion für den gesamten Teil der menschlichen Population geeignet ist, deren Größe in das 5te und 9te Perzentilfeld fällt. Testkonstruktionen gegenüber virtuellen Subjekten, die verschiedene Schwellenwerte erfüllen, verbessern die Effizienz des Konstruktionstests, indem Tests von unnötigen virtuellen Subjekten vermieden wird, die in die bereits getesteten Bereiche hinein fallen. Das Testen von virtuellen Subjekten, die Schwellenwerte repräsentieren, erlaubt es dem Computersystem 100 auch, Brauchbarkeitsfeststellungen zu melden, die den von der Industrie erwarteten Testergebnissen ähnlich sind.
Aufgaben setzen zu erreichende Ziele durch Bewegung des virtuellen Subjekts innerhalb der Konstruktion. Aufgaben können zum Beispiel die Handhabung von einer oder mehreren Komponenten der Konstruktion (z. B. das Ziehen der Handbremse) beinhalten. In einer Implementierung kann eine Aufgabe einen spezifischen Bewegungsweg setzen, dem zu folgen ist, um die Aufgabe zu erfüllen. Wenn das virtuelle Subjekt das Ende des spezifischen Wegs erreicht, wird angenommen, dass die Aufgabe erfüllt ist. Spezifische Wege können benutzt werden, wo die Konstruktion selbst vorgibt, wie bestimmte Komponenten innerhalb der Konstruktion zu handhaben sind. Wenn man das obige Beispiel der Handbremse nimmt, kann die Konstruktion spezifizieren, dass man beim Ziehen der Handbremse die Handbremse nur um einen bestimmten Weg bewegen kann, wie etwa das Durchführen einer Winkelbewegung relativ zu einem festen Punkt. In anderen Fällen kann, anstatt einen Bewegungsweg zu spezifizieren, eine Aufgabe auch lediglich einen Ausgangspunkt und einen Endpunkt für eine Aufgabe spezifizieren (z. B. Bewegung einer Überkopf-Sonnenblende zum Abdecken der Oberseite vom fahrerseitigen Fenster). In diesen Fällen wird die Haltung des virtuellen Subjekts durch einen von mehreren möglichen Wegen, der den Endpunkt erreicht, verfolgt. Wenn der Endpunkt erreicht ist, wird angenommen, dass die Aufgabe erfüllt ist.
Der Satz von Einschränkungen begrenzt, wie sich das virtuelle Subjekt innerhalb der Konstruktion bewegen könnte, während die Aufgaben erfüllt werden. Der Satz von Einschränkungen kann verschiedene Typen von Einschränkungen beinhalten, einschließlich zum Beispiel eine oder mehrere Kontakt-Einschränkungen, eine oder mehrere Komfort-Einschränkungen, eine oder mehrere Gelenkbegrenzungs-Einschränkungen, eine oder mehrere Kollisionsvermeidungs-Einschränkungen und eine dynamische Konsistenz-Einschränkung. Zum Beispiel kann die Kontakt-Einschränkung so spezifiziert werden, dass sie angibt, dass das virtuelle Subjekt während sämtlichen Erfüllungen der Aufgabe zwischen den Oberschenkeln des Subjekts und/oder Rückenlehne des Fahrzeugsitzes Kontakt hält. Eine andere Kontakt-Einschränkung kann so definiert werden, dass ein Kontakt zwischen dem Fuß des Subjekts und den Fahrzeugpedalen beibehalten wird, usw.
In einer Implementierung enthält das Computersystem 100 ein Haltungsinitialisierungssystem 102, ein Haltungsbestimmungssystem 104 sowie ein Konstruktionsanalysesystem 106.
Das Haltungsbestimmungssystem 102 ist so konfiguriert, dass es eine Anfangshaltung des virtuellen Subjekts unter Verwendung der Konstruktion, der virtuellen Subjekt-Parameter, der zu erfüllenden Aufgabe(n) und des Satzes von Einschränkungen bestimmt. Wie oben eingeführt, bezieht sich die Haltung auf die statische Haltung des virtuellen Subjekts zu einem bestimmten Zeitpunkt. In einer Implementierung umfasst die Haltung einen Vektor von Werten, wobei jeder Wert eine Orientierung (oder einen Winkel) des Freiheitsgrads des Gelenkmodells des virtuellen Subjekts zu diesem Zeitpunkt beschreibt. Die Anfangshaltung des Subjekts wird ab einem Zeitpunkt direkt vor dem Beginn irgendeiner zu erfüllenden Aufgabe bestimmt. Wenn zum Beispiel die zu erfüllende Aufgabe ist, die Handbremse des Fahrzeugs zu ziehen, wird die Anfangshaltung des virtuellen Subjekts so bestimmt, dass das virtuelle Subjekt eine Hand an der Handbremse hat, aber mit dem Ziehen noch nicht begonnen hat.
In einer Ausführung spezifizieren die zu erfüllenden Aufgabe(n) Anfangsbedingungen für die Haltung des virtuellen Subjekts vor dem Beginn der Aufgaben. Unter Verwendung des obigen Handbrems-Beispiels können diese Anfangsbedingungen beinhalten, zu spezifizieren, wo die Hand des virtuellen Subjekts direkt vor dem Beginn der Aufgabe positioniert werden sollte. Wenn das virtuelle Subjekt nicht in der Lage ist, auch nur die Anfangsbedingungen der Aufgabe zu erfüllen (mit der Erfüllung der Aufgabe alleingelassen ist), dann könnte das Computersystem 100 aus diesem Prozess austreten und anzeigen, dass die spezifizierten Aufgaben für das spezifizierte virtuelle Subjekt nicht erfüllt werden können. Nachfolgend wird die Anfangshaltungsbestimmung weiter beschrieben.
Unter Verwendung der Anfangshaltung ist das Haltungsbestimmungssystem 104 konfiguriert, um die Haltung des virtuellen Subjekts zu bestimmen, wenn das virtuelle Subjekt die eine oder mehreren spezifischen Aufgaben erfüllt, während auch am Satz von Einschränkungen festgehalten wird. Haltung bezieht sich auf die dynamische (z. B. zeitveränderliche) Haltung des virtuellen Subjekts während der gesamten Ausführung der Aufgaben. An einer Implementierung umfasst die Haltung eine Anzahl von individuellen Haltungen, die zu sequentiellen Zeiteinheiten erfasst werden. Das Haltungsbestimmungssystem 104 ist konfiguriert, um als Eingabe die Anfangshaltung vor dem Beginn der Aufgabe zu erhalten, die Parameter des virtuellen Subjekts, die zu erfüllenden Aufgabe(n) sowie einen Satz von Einschränkungen, welche den Bewegungsweg einschränken, der zum Erfüllen der Aufgaben genommen wird. Wenn das virtuelle Subjekt nicht in der Lage ist, die spezifischen Aufgaben zu erfüllen, ohne die Einschränkungen zu verletzen, dann kann das Computersystem 100 aus diesem Prozess austreten und anzeigen, dass die spezifischen Aufgaben für das spezifische virtuelle Subjekt nicht erfüllt werden können. Nachfolgend wird die Haltungsbestimmung während der gesamten Erfüllung von einer oder mehreren Aufgaben beschrieben.
Das Konstruktionsanalysesystem 106 ist konfiguriert, um die von dem Haltungsbestimmungssystem 104 erzeugte Haltung zu analysieren, um die Brauchbarkeit der Konstruktion zu bestimmen. Die Brauchbarkeit einer Konstruktion kann basierend auf einer Anzahl unterschiedlicher Faktoren beruhen. Diese Faktoren können zum Beispiel beinhalten: das Drehmoment und/oder die Kraft, die das virtuelle Subjekt aufbringen muss, um eine Aufgabe zu erfüllen (oder mehrere Aufgaben gleichzeitig), einen numerischen Grad der Unbequemlichkeit, der von dem virtuellen Subjekt bei der Erfüllung der Aufgaben empfunden wird, dem physiologischen Aufwand, den das virtuelle Subjekt aufbringt, um bei der Erfüllung einer Aufgabe eine statische Haltung einzuhalten, und die Energiemenge, die verbraucht wird, um ausgehend von der Anfangshaltung die Aufgabe zu erfüllen.
Basierend auf dieser Analyse kann die Brauchbarkeit als Ja/Nein-Antwort formuliert werden, welche angibt, ob das virtuelle Subjekt in der Lage ist oder nicht, die bezeichneten Aufgaben in der Konstruktion zu erfüllen, während sie auch an den gesetzten Einschränkungen festhält. Die Brauchbarkeit kann auch im Hinblick auf einen oder mehrere numerische Werte formuliert werden, welche zum Beispiel das Drehmoment oder die Kraft anzeigen, die zum Erfüllen der Aufgaben erforderlich sind, den Grad der Unbequemlichkeit, der bei der Erfüllung der Aufgaben empfunden wird, der physiologische Aufwand beim Halten der Endposition der Aufgabe und die bei der Erfüllung der Aufgaben verbrauchte Energie. Diese numerischen Werte können gemeinsam die Brauchbarkeit repräsentieren und/oder können, unter Verwendung einer analytischen Funktion mit geschlossener Form, mit einer einzigen Zahl kombiniert werden, um einen einzigen Brauchbarkeitswert zu liefern.
Anfangshaltungsbestimmung
Wie oben eingeführt, ist das Haltungsinitialisierungssystem 102 konfiguriert, um eine Anfangshaltung des Subjekts vor dem Start der Erfüllung der Aufgabe(n) zu bestimmen, die dem Satz von Einschränkungen unterliegt. In einer Ausführung wird die Anfangshaltung unter Verwendung einer numerisch iterativen Mehrfachziel-Optimierungs-(MOO)-Technik bestimmt. Die Anfangshaltung beruht auf Parametern des virtuellen Subjekts. Die Parameter beinhalten anthropomorphe Parameter, wie etwa Dimensionen der Gliedmaßen, Massen der Gliedmaßen, Trägheit der Gliedmaßen, Schwerpunkt der Gliedmaßen, etc. Diese Parameter geben die Skalierung der verschiedenen Gliedmaßen vor.
Unter Verwendung dieser Technik gibt das System 102 die Anfangshaltung des Vektors q bei t = t₀ vor dem Beginn der Aufgabe aus, während sich das virtuelle Subjekt innerhalb der Konstruktion befindet. Der Vektor q beinhaltet einen numerischen Wert für jeden Freiheitsgrad des Gelenkmodells des virtuellen Subjekts. Das heißt, die Anfangshaltung beschreibt die Orientierung jedes Gelenks am Körper des virtuellen Subjekts. Der Vektor q ist implizit eine Funktion der Parameter und des Maßstabs der Gliedmaßen, der aus den Parametern unter Verwendung statistischer Regression hergeleitet wird. Die Anfangshaltung liegt im Referenzrahmen der Konstruktion, und somit beschreibt die Anfangshaltung, wie das virtuelle Subjekt innerhalb des Fahrzeug-Cockpits positioniert wird. Ein Beispiel der Anfangshaltung kann qualitativ beschrieben werden, dass das virtuelle Subjekt in dem Fahrzeugsitz sitzt, mit seinem Arm auf dem Lenkrad und seinen Füßen auf den Pedalen.
Um die Anfangshaltung zu bestimmen, findet das System 102 den Vektor q, der ein örtliches Minimum ist, auf einer skalaren Funktion f(q), das dem Satz von Einschränkungen c(q) unterliegt, auf den zulässigen Orientierungen für jeden Freiheitsgrad in q. Für einen individuellen Freiheitsgrad q lässt sich dies ausdrücken als: min / qf(q) s. t. u_lb ≤ c(q) ≤ u_ub. q_min ≤ q ≤ q_max (1)
Die Funktion f(q) beinhaltet zwei separate Ziele f1(q) und f2(q), so dass f(q) = f1(q) + f2(q). Das erste Ziel f1(q) minimiert den Abstand zwischen den gegenwärtigen Positionen der Merkmale des virtuellen Subjekts (z. B. an dessen Händen und Füßen), wie durch den Vektor des Freiheitsgrads q und die Parameter spezifiziert, und die Position der Merkmale des virtuellen Subjekts sollte zu Beginn der Aufgabe darin liegen, wie in dem Vektor p spezifiziert. In einer Ausführung erfolgt diese Minimierung basierend auf der Regel der Summe des quadratischen Nachführfehlers:
In diesem Fall ist e_i der Nachführfehler für jeden Eintrag in dem Aufgabenvektor p. Der Nachführfehler für eine individuelle Aufgabe kann allgemein den Positionsfehler beschrieben, mit (e_pi) bezeichnet, und Orientierungsfehler, mit (e_oi) bezeichnet.
Der Positionsfehler ist definiert als e_pi = p_di – p₁, wobei p_di und p_i jeweils den gewünschten und vorhergesagten Positionen für die Aufgabe entsprechen. Der Orientierungsfehler, ausgedrückt als Winkel und Achsfehler, ist definiert als e_o = 1 / 2(n × n_r + s × s_r + a × a_r) (4) wobei R_di = [n_r s_r a_r] und Ri = [n s a] jeweils der gewünschten und vorhergesagten Einheitsvektor-Dreifachdarstellung der Aufgabe p entsprechen. Die gewünschte Position und die gewünschte Orientierung der Aufgabe(n) sind Teil der Konstruktion (oder werden durch Messungen bestimmt). Die vorhergesagte Position und die vorhergesagte Orientierung der Aufgabe(n) sind eine Funktion des berechneten Vektors q. Die vorhergesagte Position und Orientierung der Aufgabe(n) werden unter Verwendung einer Vorwärts-Kinematik-Funktion bestimmt. Ferner ist β_i ein Skalar, um jeder Ausführung jeder der auszuführenden Aufgaben eine relative Priorität zu geben.
Das zweite Ziel minimiert eine Komfortmangel-Einschärnkung, wie durch Gleichung 23 definiert, die weiter unten beschrieben wird. Dieses präferenziert die Anfangshaltung zu den Gelenkpositionen, die für den Benutzer komfortabler sind. f2(q) = 1 / 2||h₁(q)||² (5)
Die Minimierung der Funktion f(q) unterliegt einer Einschränkungsfunktion c(q), die durch u_lb (untere Grenze) und u_ub (obere Grenze) begrenzt ist. Somit wird f(q) minimiert, während zwischen u_lb und u_ub immer c(q) eingehalten wird. Die Werte von u_lb und u_ub können endlich oder unendlich sein. In einer Ausführung enthält die Einschränkungsfunktion c(q) zwei Teile, c1(q) und c2(q), so dass c(q) = c1(q) + c2(q). Diese erste Einschränkungsfunktion c1(q) verstärkt Einschränkungen an den Gelenkmomenten τ_s, die von den Gelenken des virtuellen Subjekts zu einem statischen Gleichgewicht ausgeübt werden. τ_s = c₁(q) = τ_g(q) + J^Tf_es (6) wobei f_es die externen Kräfte sind, die unter statischen Bedingungen auf die Gelenke des virtuellen Subjekts drücken, und wobei τ_g(q) Schwerkraftmomente beschreiben, die auf die Gelenke des virtuellen Subjekts wirken, was berechnet werden kann aus
wobei J_cogj die Jacobi-Matrix zum Schwerpunkt jedes Segments bezeichnet, und g der 3 × 1-Vektor der Erdbeschleunigung ist.
Die zweite Einschränkungsfunktion c2(q) wird dazu benutzt, um Selbstkollisionen und Kollisionen mit der Umgebung zu vermeiden. In einer Ausführung, c2(q) = d_k(q), wobei d_k(q) > 0 ∀k ∈ {1, n_c) (8) wobei d_k der minimale Abstand zwischen einem möglichen n_c Punktpaar ist, das einen Punkt auf dem Körper des virtuellen Subjekts enthält, und entweder einen anderen Punkt auf dem Körper des virtuellen Subjekts oder einen Punkt auf einem anderen externen Subjekt, das sich in der zu testenden Konstruktion befindet. Während somit f(q) immer minimiert wird, bleibt d_k(q) für alle Punkte auf dem Körper des virtuellen Subjekts größer als Null.
Zusammenfassend wird die Anfangshaltung folgendermaßen bestimmt: min / qf₁(q) + f₂(q) s. t. q_min ≤ q ≤ q_max. τ_lb < τ_s < τ_ub. 0 < d_k(q) ∀k ∈ (1, n_c) (9)
In einer Ausführung kann die Anfangshaltung unter Verwendung eines nicht-linearen eingeschränkten Optimierungs-Solvers bestimmt werden. Beispiele von nicht-linearen eingeschränkten Optimierungs-Solvern enthalten die MATLAB^TM OPTIMIZATION TOOLBOX und die nicht-lineare Interior Point Trust Region-Optimierung (KNITRO).
Haltungsbestimmung
Kinematisches Modell
Wie oben eingeführt, ist das Haltungsbestimmungssystem 104 konfiguriert, um die Haltung des Subjekts durch die Erfüllung von einer oder mehreren Aufgaben zu bestimmen, während auch an dem Satz von Einschränkungen festgehalten wird, denen die Bewegungen des virtuellen Subjekts unterliegt. In einer Ausführung wird die Anfangshaltung unter Verwendung einer Geschlossen-förmige-Mehrfachziel-Optimierungs-(MOO)-Technik bestimmt. Diese Technik enthält ein differentielles kinematisches Modell zur Bestimmung der Haltung. Die Technik wird analytisch hergeleitet und läuft in Echtzeit. Unter Verwendung dieser Technik gibt das System 104 die Haltung als einen Satz von Haltungsvektoren q zu mehreren Zeiten t nach der Anfangshaltung bei t₀ aus, wobei die Mehrzahl von Zeiten t von der Anzahl der Haltungsframes abhängig ist, die in der Haltung erwünscht sind, und den zu erfüllenden Aufgaben.
Wie oben enthält jeder Vektor q einen numerischen Wert für jeden Freiheitsgrad in dem Gelenkmodell des virtuellen Subjekts. Die Haltung zur Zeit t kann als Vektor q = [q₁, ..., q_n]^T ausgedrückt werden. Hier bedeutet n die Gesamtzahl der Freiheitsgrade. Einzeln repräsentiert jeder Vektor für eine einzelne Zeit t eine Haltung des virtuellen Subjekts. Gemeinsam repräsentieren die Vektoren q zusammen mit den Parametern die Haltung des virtuellen Subjekts. Wenn zum Beispiel die Aufgabe ist, die Handbremse zu ziehen, würde die Haltung die Orientierungen (und somit Positionen) der Gelenke des virtuellen Subjekts während der gesamten Bewegung zum Ziehen der Handbremse seit dem Beginn bis zum Ende repräsentieren.
Hinsichtlich der Aufgaben, so können diese auch als eine Aufgabe erfüllt werden. Demzufolge ist hier i(i = 1 ... k) der Index, der jeder Aufgabe zugeordnet ist. Man betrachte ein Szenario, um k Betriebsaufgaben auszuführen, deren Zeithistorie der Position und/oder Orientierung spezifiziert ist. Für jede Aufgabe repräsentiert der Vektor p die Zeithistorie von Positionen und/oder Orientierungen jeder Aufgabe, während das virtuelle Subjekt nur mittels Winkeln für jeden Freiheitsgrad repräsentiert wird, im Gegensatz zum Vektor p für eine Aufgabe, die sowohl Positionen-(d. h. Kartesische)-Komponenten sowie auch Dreh-(d. h. Winkel)-Komponenten enthalten kann.
Die Haltungsbestimmung ist ein kinematisches Nachführsteuerproblem, darin, dass das Haltungsbestimmungssystem 104 versucht, die Haltungsbahn für die Aufgaben zu haben. Für Aufgaben wird ein räumlicher Geschwindigkeitsvektor, der einer spezifischen Aufgabe zugeordnet ist, gegeben durch v ._i = [w_i p ._i]^T, (9) wobei w_i die Winkelgeschwindigkeit des Aufgabenrahmens (Task Frames) ist, und v_i = p ._i die Kartesische Geschwindigkeit der Aufgabe i ist. Hier ist der Referenzrahmen der Aufgabe p auf ein globales Koordinatensystem bezogen, das anfänglich mit dem Becken des virtuellen Subjekts ausgerichtet ist. Der Aufgabenrahmen ist der Referenzrahmen des Körpersegments, das einer Aufgabe p zugeordnet ist. Die Bewegung der Aufgabe p kann relativ zu einem globalen Referenzrahmen beschrieben werden, der sich außerhalb des Körpers befindet. Alternativ kann die Bewegung der Aufgabe p relativ zum globalen Koordinatensystem beschrieben werden, oder relativ zur Bewegung vom Becken des virtuellen Subjekts. Nicht alle Aufgaben werden sowohl Positions- als auch Orientierungskomponenten aufweisen. Einige Aufgaben werden nur Positionskomponenten haben und einige Aufgaben werden nur Orientierungskomponenten haben.
Zur Bestimmung der Haltung des Gelenkmodells zu einem beliebigen Zeitpunkt nach der Anfangshaltung bei t₀ wird ein differenzielles kinematisches Modell verwendet. Das differenzielle kinematische Modell kartiert die Bewegung, die zum Lösen jeder spezifischen Aufgabe erforderlich ist (z. B. durch einen Weg oder mittels Anfangs- und Endpunkten) auf eine entsprechende Bewegung durch das virtuelle Objekt. Dies erfolgt durch Ändern der Werte der Freiheitsgrade des virtuellen Subjekts (z. B. der Gelenke) über die Zeit. Dies erzeugt eine Kartierung (Mapping) zwischen Geschwindigkeiten der Gelenke (oder Gelenk-Raum-Geschwindigkeiten) der Geschwindigkeit der Aufgabe(n) oder Aufgaben-Raum-Geschwindigkeiten. In einer Ausführung kann das differenzielle kinematische Modell zur Durchführung dieser Kartierung ausgedrückt werden als: v = Jq ., (10) wobei J der erweiterten Jacobi-Matrix entspricht. J = [J T / 1 ... J T / i ... J T / k]^T. (11)
Die Jacobi-Matrix ist eine partielle Ableitung jeder Aufgabe p (für k Aufgaben) in Bezug auf q. Anders ausgedrückt, sie ist die Bewegung der Aufgabe in Bezug auf die Bewegung der Gelenke des menschlichen Probanden. Die Jacobi-Matrix kann in ihre Rotations- und Translationskomponenten zerlegt werden, jeweils bezeichnet mit J₀ und J_p.
Bestimmung der Haltung mit dem Kehrwert des differenziellen kinematischen Modells
Unter Verwendung des in Gleichung 10 beschriebenen differenziellen kinematischen Modells wird die Haltung q zu jedem beliebigen Zeitpunkt t_l bestimmt durch q . = q_l – q_l-q. Zu Beginn der Aufgabe kann die Anfangshaltung verwendet werden. In einer Ausführung wird die Haltung q zu einem gegebenen Zeitpunkt t_l bestimmt, indem der Kartesianische Fehler zwischen der vorhergesagten Aufgabenposition und/oder der Orientierung p_l zur Zeit t_l und dem Vektor q_l minimiert wird. Eine geschlossenschleifige Kinematik erster Ordnung (CLIK) Formulierung, die die Gleichung 10 umgekehrt, kann dazu benutzt werden, um den Kartesianischen Fehler zu minimieren und die Haltung q zu bestimmen. Es wird ein Rückkopplungskorrekturterm hinzugefügt, um die Nachführleistung zu verbessern. Die CLIK-Formulierung ist: q . = J⁺(v ._d + K_pe) (13) wobei v_d ein gewünschter Raum-Geschwindigkeits-Vektor ist und wobei e der Nachführfehler zwischen dem gewünschten Aufgabenvektor und dem vorhergesagten Aufgabenvektor ist. Die vorhergesagte Haltung erhält man durch numerische Integration von Gleichung 13. Sobald q erhalten ist, kann der vorhergesagte Aufgabenvektor berechnet werden, indem die kinematischen Vorwärts-Gleichungen aufgelöst werden, die eine Funktion von q sind. Der gewünschte Aufgabenvektor p_l, einschließlich der Positionen und Orientierung (P_d, ⊝_d) ist auf der Aufgabe selbst her bekannt (z. B. aus einem vorgesehenen Bewegungsweg oder Endpunkt). K_p ist eine diagonale Rückkopplungsverstärkungs-Matrix, die die Konvergenzrate des Fehlers steuert, und J⁺ ist der rechte Pseudo-Kehrwert von J, gewichtet um die positive definierte Matrix W J⁺ = W^–1J^T(JW^–1J^T)^–1, (14)
In der Praxis kann unter der Annahme, dass Einzelheiten in der Matrix J auftreten, Gleichung 14 durch mit einem Singularitäts-robusten gedämpften Pseudo-Kehrwert der kleinsten Quadrate ersetzt werden.
Der Nachführfehler e für eine einzelne Aufgabe i kann sowohl Positionsfehler-(e_pi)- als auch Orientierungsfehler-(e_oi)-Komponenten enthalten. Diese können gemeinsam repräsentiert werden durch
Der Positionsfehler wird einfach definiert als e_pi = p_di – p_i, wobei p_di und p_i jeweils den gewünschten und vorhergesagten Aufgabe-Positionen entsprechen. Der Orientierungsfehler kann als Winkel- und Achsfehler ausgedrückt werden wie: e_o = 1 / 2(n × n_r + s × s_r + a × a_r) (16) wobei R_di = [n_r s_r a_r] und R_i = [n s a], jeweils der gewünschten und vorhergesagten Einheitsvektor-Dreifachdarstellung der Aufgabenorientierung entsprechen.
Die Gewichtungsmatrix W verstärkt zumindest einige der Einschränkungen, die die Bewegung des virtuellen Subjekts innerhalb der Konstruktion einschränken. In einer Ausführung ist die Gewichtungsmatrix W eine Komposit-Gewichtungsmatrix, die eine Gelenk-Begrenzungs-Einschränkung, eine Selbst-Eindring-Einschränkung, eine Gelenk-Unbequemlichkeit-Einschränkung sowie eine Energie-Aufwand-Einschränkung (auch als dynamische Konsistenz-Einschränkung bezeichnet) verstärkt. In einer Ausführung ist die Komposit-Gewichtungsmatrix W eine diagonale Matrix, deren Elemente aus dem Satz von Einschränkungen hergeleitet werden: W = aW_h + (1 – a)W_f + W_d (17) wobei W_h eine Gewichtungsmatrix ist, deren Elemente aus der Gelenk-Begrenzungs-Einschränkung und der Gelenk-Unbequemlichkeit-Einschränkung hergeleitet werden, und W_f eine Gewichtungsmatrix ist, deren Elemente von der Kollisionseinschränkung hergeleitet werden, und W_d eine Gewichtungsmatrix ist, deren Elemente von der Energie-Aufwand-Einschränkung hergeleitet werden. Der Parameter a ist ein skalarer Index, der zum Modulieren des Beitrags der ersten zwei Gewichtungsmatrizes verwendet werden kann. Jede dieser Einschränkungen wird nachfolgend weiter beschrieben.
Einbau der Kontakt-Einschränkungen in die Haltungsbestimmung
Bei der Evaluierung von Konstruktionen ist ein Einschränkungs-Typ eine Kontakt-Einschränkung zwischen dem virtuellen Subjekt und den Komponenten der Konstruktion. Kontakt-Einschränkungen bezeichnen Oberflächen, mit denen das virtuelle Subjekt vermutlich während der gesamten Ausführung der Aufgaben einhalten wird. Beispiele von Kontakt-Einschränkungen sind der konstante Kontakt zwischen den Beinen des virtuellen Subjekts und dem Rücken gegen den Sitz, Kopf gegen die Kopflehne und Füße gegen ein oder mehrere Pedale.
In einer Ausführung sind Kontakt-Einschränkungen in dem inversen kinematischen Modell, das in der obigen Gleichung 13 beschrieben wird, enthalten. Bei dieser Ausführung werden die zu erfüllenden Aufgaben und die zu befolgenden Kontakt-Einschränkungen als separate Teilaufgaben betrachtet, jede mit ihrer eigenen Priorität für die Erfüllung. Die Kontakt-Einschränkungen sind prioritätshöhere Teilaufgaben. Die aktuellen (oder betriebsmäßigen) Aufgaben, die zu erfüllen sind, sind die prioritätsniedrigeren Teilaufgaben. In einer Ausführung operieren die zu erfüllenden Betriebsaufgaben in dem Null-Raum der Kontakteinschränkenden Teilaufgabe. Eine Unfähigkeit, gleichzeitig Kontakt-Einschränkungen auszuüben, während Betriebsaufgaben erfüllt werden, sieht vor, dass die Konstruktion für das fragliche virtuelle Subjekt nicht ausführbar ist. Die Anzahl der Kontakt-Einschränkungen, die ausgeübt werden können, ist vom Redundanzgrad des Systems abhängig. Der Redundanzgrad kann basierend darauf bestimmt werden, dass die Anzahl der Freiheitsgrade des virtuellen Subjekts kleiner als die Anzahl von Freiheitsgraden ist, die zum Erfüllen der Aufgabe(n) erforderlich sind und den Satz von Einschränkungen befolgen. Die Kontakt-Einschränkungen können vorab oder während der Simulation priorisiert werden, um einer Einschränkung eine höhere Priorität gegenüber der anderen zu geben.
Unter Verwendung des differenziellen kinematischen Modells aus der obigen Gleichung 10 können Kontakt-Einschränkungen ausgedrückt werden als: v_c = J_cq . (19) wobei v_c der Geschwindigkeitsvektor der Einschränkung ist und J_c die zugeordnete Jacobi. In vielen Fällen enthalten die Kontakt-Einschränkungen Kontaktpunkte zwischen dem virtuellen Subjekt und einer Komponente der Konstruktion, wobei die Kontaktpunkte relativ zum globalen Rahmen fest sind. In diesen Fällen ist daher v_c = 0.
Das inverse kinematische Modell, welches das kinematische Modell zum Erfüllen von Aufgaben (Gleichung X) und das kinematische Modell zum Festhalten an einer Kontakt-Einschränkung (Gleichung 10) enthält, kann ausgedrückt werden durch: q . = J + / cv_c + J ^ + / t(v * / r – J_tJ + / cv_c) (20) wobei J ^ = J(I – J + / cJ_c) (21) und wobei I die Identitätsmatrix ist, und v* = (vd + Kpe), und wobei wie oben, J⁺ = W¹ – J^T(JW^–1J^T)^–1 (Gleichung 14, zur Klarheit wiederholt), und wobei J_c ⁺ = W^–1J T / c(J_cW^–1J T / c)^–1 (22)
Der erste Begriff in Gleichung 22, J + / cv_c, beschreibt die prioritätshöhere Aufgabe zum Aufzwingen von Kontakt-Einschränkungen. Der zweite Begriff, J ^ + / t(v * / t – J_tJ + / cv_c), liegt in dem Null-Raum der primären Teilaufgabe und ist enthalten, um die Betriebsaufgaben auszuführen. Wie zuvor beschrieben, werden die verallgemeinerten Querwerte in Gleichung 20, J + / c und J ^⁺, um W gewichtet, um in dem Einschränkungssatz andere Einschränkungen als die Kontakt-Einschränkungen zu erfüllen.
Wie oben eingeführt, ist die Haltung Q zu einem beliebigen Zeitpunkt t_l bestimmt durch q . = q_l – q_l-1.
Unbequemlichkeit- und Gelenkgrenz-Einschränkung
Die Unbequemlichkeit-Einschränkung ist konfiguriert, um virtuelle Subjekthaltungen zu belohnen, wo die Gelenke des Subjekts in der Nähe einer Neutralstellung sind, und bestraft zunehmend virtuelle Subjekthaltungen, wenn die Gelenke des Subjekts sich den Gelenkgrenzen annähern. Somit evaluiert die Unbequemlichkeit-Einschränkung den Unbequemlichkeit-Pegel des virtuellen Subjekts basierend auf dem gegenwärtigen Gelenkwinkel des Subjekts (q_i für das Gelenk i) relativ zu der oberen (g_i,max) und unteren (q_i,min) Winkelgrenze des Gelenks. Dementsprechend kann die Unbequemlichkeit-Einschränkung h₁(q) ausgedrückt werden als:
wobei a₁ ein Gelenk-abhängiger Skalierungsfaktor ist, q_i die verallgemeinerten Koordinaten des i_-ten Freiheitsgrads repräsentiert, und q_i;N die Neutralstellung des Gelenks ist.
Der Gradient von h₁, bezeichnet als Vh₁, repräsentiert eine Gelenk-Grenzgradienten-Funktion, einen n × 1 Vektor, deren Eintrittspunkt in Richtung der schnellsten Zunahmerate von h₁(q) ist.
Das dem Gelenk i zugeordnete Element wird gegeben durch
Die Funktion |Vh_1i| ist gleich Null, wenn sich das Gelenk in seiner Neutralstellung befindet, und nimmt zu den Grenzen hin linear zu.
Während die Unbequemlichkeits-Einschränkung die Gelenkbewegungen bestraft, die von der Gelenkneutralstellung entfernt sind, führt sie Gelenkgrenz-Einschränkungen nicht aus. Die Gelenkgrenz-Einschränkung kann ausgedrückt werden als
Die Gelenkgrenz-Funktion h₂ hat höhere Werte, wenn sich die Gelenke in der Nähe ihrer Grenzen befinden, und tendieren an den Gelenkgrenzen zur Unendlichkeit. Der Gradient der Gelenkgrenz-Funktion wird gegeben durch:
Die Funktion Vh_i ist gleich Null, wenn sich das Gelenk in der Mitte seines Bereichs befindet, und geht an jeder Grenze nach unendlich.
Die Überlagerung der Gelenkgrenz- und Unbequemlichkeits-Einschränkungen kombiniert deren individuelle Effekte, wobei verhindert wird, dass die Gelenke ihre Grenzen verletzen, und bestraft Gelenkbewegungen, die von ihren Neutralstellungen weggehen. Die Kombination der zwei Einschränkungen kann ausgedrückt werden als: h(q) = h₁(q) + h₂(q) (26)
Der Gradient der Kombinationsfunktion h(q) wird dazu benutzt, um die bei der Haltungsbestimmung verwendete Gewichtungsmatrix W_h für eine oder mehrere Gelenkgrenz- und Umbequemlichkeits-Einschränkungen zu konstruieren. W_h ist eine diagonale n×n-Matrix mit diagonalen Elementen W_hi. Die diagonalen Elemente werden berechnet durch:
Der Begriff h_i ist die kombinierte Gelenk- und Unbequemlichkeits-Einschränkung für das Gelenk i, Vh_i ist der Gradient, und der Begriff Δ|Vh_i| repräsentiert die Änderung der Höhe des Gradienten. Ein positiver Wert gibt an, dass sich das Gelenk zu seiner Grenze bewegt, während ein negativer Wert angibt, dass sich das Gelenk von seiner Grenze wegbewegt. Wenn sich ein Gelenk zu seiner Grenze hin bewegt, wird der zugeordnete Gewichtungsfaktor W_hi sehr groß, wodurch die Bewegung des Gelenks der resultierenden Haltungsbestimmung verlangsamt wird (z. B. bei der Bestimmung von q am nächsten Zeitpunkt). Wenn das Gelenk nahezu seine Grenze erreicht, nähert sich der Gewichtungsfaktor W_hi an unendlich an, und das entsprechende Gelenk stoppt virtuelle bei der resultierenden Haltungsbestimmung. Wenn sich das Gelenk von der Grenze wegbewegt, wird die Bewegung des Gelenks nicht beschränkt.
Kollisionsvermeidungs-Einschränkungen
Die Kollisionsvermeidungs-Einschränkung verhindert eine Kollision zwischen unterschiedlichen Segmenten des Gelenkmodells des virtuellen Subjekts (z. B. von Arm und Brust) oder zwischen einem Segment des Gelenkmodells und einer Komponente der Konstruktion (z. B. dem Arm und der Tür). Wenn die zwei Segmente an einem Gelenk verbunden sind, kann eine Kollision zwischen den zwei Segmenten verhindert werden, indem der Gelenkbereich mittels der Gelenkgrenz-Einschränkung begrenzt wird. Die Kollisionsvermeidungs-Einschränkung ist konfiguriert, um Kollisionen zwischen Segmenten zu verhindern, die sich nicht das gleiche Gelenk teilen, und zwischen einem Segment und einer Komponente in der Konstruktion. Die Kollisionsvermeidungs-Einschränkung minimiert einen minimalen Euklidischen Abstand d (d ≥ 0) zwischen zwei kollidierenden Dingen (entweder zwei Segmenten oder einem Segment und einer Komponente). In einer Ausführung hat die Kollisions-Einschränkung f(q, d) einen Maximalwert bei d = 0 und fällt exponentiell zu Null hin ab, wenn d zunimmt, zum Beispiel: f = ρe^–αdd^–β (28)
Die Abfallrate wird gesteuert, indem die Parameter α und β eingestellt werden. Durch Vergrößern von α kann die exponentielle Abfallrate so gesteuert werden, dass sich die Funktion Null rascher annähert. Der Parameter p steuert die Amplitude. Der Gradient der Kollisions-Einschränkung f, als Vf bezeichnet, ist ein n × 1-Vektor, dessen Eintrittspunkt in Richtung der schnellsten Zunahmerate von f liegt.
Der Gradient der Kollision kann berechnet werden mittels ∂f / ∂q = ∂f / ∂d∂d / ∂q (30)
Die partielle Ableitung f in Bezug auf d ist ∂f(q) / ∂d = –ρe^–αdd^–β(βd^–1 + α) (31)
Die partielle Ableitung von d in Bezug auf q ist ∂d / ∂q = 1 / d[J T / a(x_a – x_b) + J T / b(x_b – x_a)]^T (32) wobei x_a und x_b Positionsvektoren repräsentieren, die Kartesische Orte der zwei Dinge angeben, wo Kollision mit der Einschränkung vermieden werden sollte (z. B. Segmente a und b, oder Segment a und die Komponente b, oder umgekehrt). J_a und J_b sind die zugeordneten Jacobi-Matrizes für a und b. Die Koordinaten x_a und x_b sind mittels Kollisionserfassungssoftware erhältlich.
Die Elemente des Vektors in der Kollisionseinschränkungs-Gradientenfunktion von Gleichung 29 repräsentieren den Grad, um den jeder Freiheitsgrad des virtuellen Subjekts den Kollisionsabstand beeinflusst. In einer Ausführung werden Kollisionseinschränkungs-Gradientenfunktionen dazu benutzt, die Gewichtungsmatrix W_f zur Verwendung bei der Bestimmung der Haltung im Lichte von einer oder mehreren Kollisionseinschränkungen zu konstruieren. W_f ist die diagonale n×n-Matrix mit diagonalen Elementen W. Die diagonalen Elemente werden berechnet durch:
Der Begriff Vf_i repräsentiert die Gradienten-Einschränkungs-Gradientenfunktion in Bezug auf das Gelenk i, der Begriff Δ|Vf_i| repräsentiert die Änderung in der Höhe der Kollisionsgradientenfunktion. Ein positiver Wert von Δ|Vf_i| gibt an, dass die Gelenkbewegung die Bewegung des virtuellen Subjekts zur Kollision hin verursacht, während ein negativer Wert angibt, dass die Gelenkbewegung eine Bewegung des virtuellen Modells von der Kollision weg verursacht.
Wenn eine Gelenkbewegung eine Bewegung des virtuellen Subjekts zur Kollision hin bewirkt, wird der zugeordnete Gewichtungsfaktor W_fi sehr groß, was eine Verlangsamung des Gelenks verursacht. Wenn zwei Gliedmaßen den Kontakt annähern, ist der Gewichtungsfaktor nahezu unendlich, und die Gelenke, die zur Bewegung zur Kollision hin beitragen, stoppen virtuell. Wenn eine Gelenkbewegung eine Bewegung der Gliedmaßen von der Kollision weg verursacht, wird die Gelenkbewegung nicht eingeschränkt. Es kann auch eine andersartige Kollisionseinschränkung in dem Satz von Einschränkungen für jede Kollision vorhanden sein, die verhindert werden soll.
Dynamische Konsistenz-Einschränkung
Der Einblick von der Bewegungssteuerung eines Menschen ergibt, dass Menschen ihren Energieverbrauch optimieren können, wenn sie redundante Aufgaben durchführen. Das heißt, wenn die Kartesischer-Raum-Eingaben einen redundanten Gelenkkonfigurationsraum mit unendlichen Lösungen beschreiben, kann die Lösung, welche die kinematische Energie minimiert, eine geeignete Wahl bei der Vorhersage einer natürlichen menschlichen Haltung sein. Hier ist die dynamische Konsistenz-Einschränkung konfiguriert, um die Lösung für den DOF-Vektor q zu präferieren, der die kinetische Energie minimiert (oder zumindest reduziert), die zum Erfüllen der Aufgabe(n) erforderlich ist. Die dynamische Konsistenz-Einschränkung kann auch als die Lösung interpretiert werden, die sicherstellt, dass das virtuelle Subjekt dynamisch ausbalanciert ist, wenn die Aufgabe(n) erfüllt wird.
Die Dynamik des menschlichen Körpers im Gelenkraum kann beschrieben werden als (n×n)-Gelenkraum-Trägheitsmatrix (JSIM) H(q) als:
wobei q, q ., q .. und τ jeweils verallgemeinerte (n × 1)-Vektoren von Gelenkpositionen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und Kräften bezeichnen. C ist eine (n×n)-Matrix, so dass C q . der (n × 1)-Vektor von Coriolis und Zentrifugaltermen ist. T_g ist der (n × 1)-Vektor von Schwerkrafttermen. J ist eine Jacobi-Matrix, und f_e ist die auf das System wirkende externe Raumkraft.
Das Auflösen des inversen differenziellen kinematischen Modells der Gleichungen 13 und 20 nähert eine Bestimmung der minimalen momentanen gewichteten kinetischen Energie des virtuellen Subjekts an, da die Summe der Quadrate von Gelenkgeschwindigkeiten minimiert wird. Um bei dieser Bestimmung die minimale momentane kinetische Energie zu verbessern, enthält der Satz von Einschränkungen ein dynamische Konsistenz-Gewichtungsmatrix W_d, welche diagonale Koeffizienten enthält, die diagonalen Elementen der Gelenkraum-Trägheitsmatrix H(q) entsprechen. W_d kann ausgedrückt werden als: W_d = diag(H(q)) – I. (35) wobei I die Identitätsmatrix ist. In der Praxis ist der Einfluss der dynamischen Konsistenz-Gewichtungsmatrix W_d eine Bestrafung der Gelenkbildung, die ein Segment mit größerer Masse und/oder Trägheit verlagert, z. B. der Torso.
Die zum Erzeugen von Bewegungen benutzten Kräfte können nützliche Information zum Evaluieren von Konstruktionen liefern. In einer Ausführung kann H(q) aufgelöst werden, um die durchschnittliche absolute Energie zu bestimmen, die zum Aktivieren aller Gelenke während einer Bewegungsdauer erforderlich ist (z. B. für die Dauer einer Aufgabe), um die energetischen Kosten dieser Bewegung zu bestimmen.
Verfahrensbeispiel
2 ist ein Flussdiagramm zur Bestimmung der Erhaltung eines virtuellen Objekts über die Zeit, wenn sie eine Aufgabe in einer Fahrzeuginsassen-Unterbringungs-Konstruktion ausführt, gemäß einer Ausführung. Ein Computersystem erhält 210 zumindest eine Aufgabe, ein virtuelles Subjektmodell, einschließlich Parametern, eine Fahrzeuginsassen-Unterbringungs-Konstruktion und einen Satz von Einschränkungen. Das Computersystem 100 bestimmt 220 eine Anfangshaltung, bevor das virtuelle Subjekt die Aufgabe ausführt. Unter Verwendung der Anfangshaltung als Ausgangspunkt bestimmt 230 das Computersystem 100 die Haltung des virtuellen Subjekts während der gesamten Ausführung der Aufgabe durch das virtuelle Subjekt. Die Bestimmung der Haltung beinhaltet die Bestimmung einer Haltung für jede einer Anzahl von Zeiteinheiten während der Durchführung der Aufgabe durch das virtuelle Subjekt. Somit kann diese Bestimmung 230 beinhalten, eine Haltungsbestimmung für jede Zeiteinheit während der Ausführung der Aufgabe zu wiederholen. Das Computersystem 100 analysiert 240 die Haltung, um zu bestimmen, ob die Konstruktion für das virtuelle Subjekt brauchbar ist.
4 ist ein Flussdiagramm zur Bestimmung einer individuellen Haltung während der Ausführung einer Aufgabe gemäß einer Ausführung. 4 zeigt eine Iteration der Bestimmung 230 von 2. Wie oben erfasst 402 das Haltungsbestimmungssystem 104 eine Haltung q_t-1 ab der vorherigen Zeiteinheit t – 1. Das Haltungsbestimmungssystem 104 erfasst 404 auch eine zu erfüllende Aufgabe p. Das Haltungsbestimmungssystem 104 erfasst 406 auch einen Satz von Einschränkungen, die während der Ausführung der Aufgabe p zu befolgen sind.
Das Haltungsbestimmungssystem 104 verwendet diese Eingaben zur Bestimmung 408 der Haltung q_t 410 für die nächste Zeiteinheit t. Die Haltung q_t 410 für die Zeit t kann entlang mit anderen bestimmten Haltung zur Ausgabe an das Analysesystem 106 gesammelt werden. Zusätzlich wird die Haltung q_t 410 für die Zeit t in das Haltungsbestimmungssystem 401 rückgekoppelt, um die Haltung q_t+1 (nicht gezeigt) für den nächsten Zeitpunkt zu bestimmen. Dieser Prozess wird wiederholt, bis die Aufgabe erfüllt, oder bis der Satz von Einschränkungen nicht länger befolgt werden muss. Wenn die Einschränkungen verletzt werden, kann anstelle zu einer kompletten Haltung zurückzukehren, das Haltungsbestimmungssystem 104 den Fehler angeben und anzeigen, dass die Aufgabe vom virtuellen Subjekt nicht erfüllt werden kann.
Zusätzliche Einschränkungen
Ein Bezug in der Beschreibung auf „eine Ausführung” oder auf „Ausführung” bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine Struktur oder Charakteristik, die in Verbindung mit den Ausführungen beschrieben ist, in zumindest einer Ausführung enthalten ist. Das Auftreten der Phrase „in einer Ausführung” oder „Ausführung” an verschiedenen Stellen in der Beschreibung bezieht sich nicht notwendigerweise alle auf die gleiche Ausführung.
Einige Abschnitte der detaillierten Beschreibung werden ausgedrückt als Algorithmen und symbolische Darstellungen von Operationen an Daten-Bits innerhalb eines Computerspeichers angegeben. Diese algorithmischen Beschreibungen und Darstellungen sind die Mittel, die vom Fachkundigen in der Datenverarbeitung benutzt werden, um die Substanz ihrer Arbeit anderen Fachkundigen am effizientesten zu übermitteln. Ein Algorithmus wird hier und allgemein als eine selbst-konsistente Schrittsequenz (Instruktionen) betrachtet, die zu einem gewünschten Ergebnis führt. Die Schritte sind jene, die physikalische Manipulationen von physikalischen Größen erfordern. Gewöhnlich, obwohl nicht notwendigerweise, nehmen diese Größen die Form von elektrischen, magnetischen oder optischen Signalen ein, die speicherbar, übertragbar, kombinierbar, vergleichbar oder anderweitig manipulierbar sind. Es ist immer praktisch, prinzipiell aus Gründen des allgemeinen Gebrauchs, diese Signale auf Bits, Werte, Elemente, Symbole, Zeichen, Begriffe, Zahlen oder dergleichen zu beziehen. Ferner ist es immer praktisch, auf bestimmte Schrittanordnungen Bezug zu nehmen, die physikalische Manipulationen oder Transformationen von physikalischen Größen oder Darstellungen von physikalischen Größen als Module oder Code-Vorrichtungen benötigen, ohne Verlust an Verallgemeinerung.
Jedoch sind alle diese und ähnliche Begriffe den geeigneten physikalischen Größen zugeordnet und sind lediglich angemessene Kennungen, die diesen Größen zugeordnet sind. Solange nicht anderweitig spezifisch ausgedrückt, wie aus der folgenden Diskussion ersichtlich, versteht es sich, dass in der gesamten Beschreibung die Diskussionen mittels Begriffen wie etwa „Verarbeiten” oder „Berechnen” oder „Errechnen” oder „Bestimmen” oder „Anzeigen” oder „Bestimmen” oder dergleichen sich auf die Wirkung und Prozesse eines Computersystems beziehen, oder eine ähnliche elektronische Rechenvorrichtung (wie etwa eine spezifische Rechenmaschine), die Daten manipuliert und transformiert, die als physikalische (elektronische) Größen repräsentiert werden, innerhalb der Computersystem-Speicher oder -Register oder anderen solchen Informationsspeicher-Übertragungs- oder Anzeigevorrichtungen.
Bestimmte Aspekte der Ausführungen enthalten Prozessschritte und Anweisungen, die hierin in der Form eines Algorithmus beschrieben sind. Es sollte angemerkt werden, dass die Prozessschritte und Anweisungen der Ausführungen in Software, Firmware oder Hardware verkörpert sein können, und, wenn sie in Software verkörpert sind, sie heruntergeladen werden könnten, so dass sie auf unterschiedlichen Plattformen abgelegt sind und von dort betrieben werden können, welche eine Vielzahl von Betriebssystemen verwenden. Die Ausführungen können auch in einem Computerprogramm-Produkt enthalten sein, das an einem Computersystem ausgeführt werden kann.
Die Ausführungen beziehen sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung der hierin angegebenen Operationen. Diese Vorrichtung kann spezifisch für die Zwecke konstruiert sein, zum Beispiel ein spezifischer Computer, oder sie kann einen Mehrzweck-Computer aufweisen, der durch ein im Computer gespeichertes Computerprogramm selektiv aktiviert oder umkonfiguriert wird. Ein solches Computerprogramm kann in einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert sein, wie etwa, aber nicht beschränkt auf, ein beliebiger Plattentyp, einschließlich Floppydisk, Optikplatten, CD-ROMs, magnet-optische Platten, Festwertspeicher (ROMs), Direktzugriffsspeicher (RAMs), EPROMs, EEPROMs, magnetische oder optische Karten, Anwendungs-spezifische Schaltungen (ASICs) oder ein beliebiger Medientyp, der zum Speichern von elektronischen Anweisungen geeignet ist, und jeweils mit einem Computersystem-Bus gekoppelt ist. Der Speicher kann eine der obigen und/oder andere Vorrichtungen enthalten, die Information/Daten/Programme speichern können, und die flüchtiges oder nicht-flüchtiges Medium sein können, wobei ein nicht-flüchtiges oder nicht-transientes Medium einen Speicher enthalten kann, der Information für mehr als eine minimale Dauer speichert. Ferner können die Computer, auf die in der Beschreibung Bezug genommen wird, einen einzelnen Prozessor enthalten oder können Architekturen sein, die Mehrfach-Prozessor-Konstruktionen verwenden, für verbesserte Rechenleistung.
Die Algorithmen und Anzeigen, die hierin angegeben werden, beziehen sich nicht inhärent auf einen bestimmten Computer oder eine andere Vorrichtung. Es können auch verschiedene Mehrzweck-Systeme benutzt werden mit Programmen gemäß den hierin angegebenen Lehren, oder sie können sich als praktisch erweisen, um eine spezialisiertere Vorrichtung zu konstruieren, um die Verfahrensschritte durchzuführen. Die Struktur für eine Vielzahl dieser Systeme wird in der hierin angegebenen Beschreibung ersichtlich. Darüber hinaus sind die Ausführungen nicht in Bezug auf eine bestimmte Programmiersprache beschrieben. Es versteht sich, dass eine Vielzahl von Programmiersprachen dazu benutzt werden kann, um die Lehren der hierin beschriebenen Ausführungen zu implementieren, und hierin angegebene Bezugnahmen auf bestimmte Sprachen dienen zur Offenbarung der Möglichkeiten und des besten Modus.
Darüber hinaus ist die in der Beschreibung verwendete Sprache hauptsächlich zu Zwecken der Lesbarkeit und Instruktion ausgewählt worden und soll nicht ausgewählt worden sein, um den erfindungsgemäßen Gegenstand einzuschränken oder zu umschreiben. Dementsprechend soll die Offenbarung dieser Ausführungen den Umfang der Ausführungen veranschaulichen, aber nicht einschränken, welche in den Ansprüchen fortgeführt ist.
Während hierin bestimmte Ausführungen und Anwendungen dargestellt und beschrieben worden sind, versteht es sich, dass die Ausführungen nicht auf die genaue Konstruktion und die Komponenten beschränkt sind, die hierin offenbart sind, und dass verschiedene Modifikationen, Änderungen und Varianten in der Anordnung in Betrieb und Details der Verfahren und der Vorrichtungen der Ausführungen durchgeführt werden können, ohne vom Geist und Umfang der Ausführungen abzuweichen, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert.

Claims

Computerimplementiertes Verfahren, welches aufweist: Zugreifen auf eine Anfangshaltung eines Gelenksystems zu einer Anfangszeit, wobei die Anfangshaltung Winkel für eine Mehrzahl von Freiheitsgraden des Gelenksystems aufweist; Zugreifen auf eine Fahrzeuginsassen-Unterbringungs-Konstruktion und eine von dem Gelenksystem innerhalb der Konstruktion zu erfüllende Aufgabe; Zugreifen auf einen Satz von Einschränkungen, die einschränken, wie die Freiheitsgrade des Gelenksystems manipuliert werden, um die Aufgabe zu erfüllen, wobei Einschränkungen eine Kontakt-Einschränkungsverhinderungsbewegung durch das Gelenksystem von einer in der Konstruktion vorhandenen Komponente weg aufweisen; und Bestimmen einer Mehrzahl von Haltungen für das Gelenksystem im Anschluss an die Anfangszeit während der Erfüllung der Aufgabe, wobei die Bestimmung der Haltungen aufweist, eine zeitliche Manipulation der Freiheitsgrade des Gelenksystems zu bestimmen, die die Aufgabe erfüllt, während auch der Satz von Einschränkungen befolgt wird.
Das Verfahren von Anspruch 1, wobei die Bestimmung der Haltungen aufweist, die Kontaktaufgaben über die Erfüllung der Aufgabe hinweg zu priorisieren.
Das Verfahren von Anspruch 1, wobei der Satz von Einschränkungen ein Umbequemlichkeits-Ziel aufweist, und wobei die Bestimmung der Haltungen aufweist, die Manipulation der Freiheitsgrade basierend auf dem Unbequemlichkeits-Ziel zu gewichten.
Das Verfahren von Anspruch 1, wobei der Satz von Einschränkungen ein Gelenkbeschränkungs-Ziel aufweist, und und wobei die Bestimmung der Haltungen aufweist, die Manipulation der Freiheitsgrade basierend auf dem Gelenkbegrenzungs-Ziel zu gewichten.
Das Verfahren von Anspruch 1, wobei der Satz von Einschränkungen ein Kollisionsvermeidungs-Ziel aufweist, und wobei die Bestimmung der Haltungen aufweist, die Manipulation der Freiheitsgrade basierend auf dem Kollisionsvermeidungs-Ziel zu gewichten.
Das Verfahren von Anspruch 1, wobei der Satz von Einschränkungen ein Selbsteindringvermeidungs-Ziel aufweist, und wobei die Bestimmung der Haltung für eine der anschließenden Zeiten aufweist, die Bestimmung der aktualisierten Winkel der Freiheitsgrade basierend auf dem Selbsteindringvermeidungs-Ziel zu gewichten.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bestimmung der Haltungen aufweist, eine geschlossen-schleifige inverse kinematische Berechnung an der Haltung ab einer vorherigen Zeit und basierend auf dem Satz von Einschränkungen durchzuführen.
Das Verfahren von Anspruch 1, das ferner aufweist: Analysieren der Haltungen zur Bestimmung, ob die Betriebsaufgabe von dem virtuellen Objekt lösbar ist.
Das Verfahren von Anspruch 1, das ferner aufweist: Analysieren der Haltungen zur Bestimmung der Brauchbarkeit der Aufgabe, wobei die Brauchbarkeit auf zumindest einem der Gruppe beruht, bestehend aus: einem Drehmoment, das ein Gelenksystem zum Erfüllen der Aufgabe benötigt, einer Kraft, die das Gelenksystem zum Erfüllen der Aufgabe benötigt, einem Umbequemlichkeitsgrad, der bei der Erfüllung der Aufgabe durch das Gelenksystem auftritt, einer Energiemenge, die zum Erfüllen der Aufgabe erforderlich ist, und einem physiologischen Aufwand, der bei der Erfüllung der Aufgabe zum Halten von zumindest der Haltung erforderlich ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gelenkmodell ein virtuelles Subjekt ist, das ein Modell eines menschlichen Probanden bildet.
Nicht-flüchtiges computerlesbares Speichermedium, das einen ausführbaren Computerprogramm-Code enthält, wobei der Code Anweisungen aufweist, welche konfiguriert sind zum: Zugreifen auf eine Anfangshaltung eines Gelenksystems zu einer Anfangszeit, wobei die Anfangshaltung Winkel für eine Mehrzahl von Freiheitsgraden des Gelenksystems aufweist; Zugreifen auf eine Fahrzeuginsassen-Unterbringungs-Konstruktion und eine von dem Gelenksystem innerhalb der Konstruktion zu erfüllende Aufgabe; Zugreifen auf einen Satz von Einschränkungen, die einschränken, wie die Freiheitsgrade des Gelenksystems manipuliert werden, um die Aufgabe zu erfüllen, wobei Einschränkungen eine Kontakt-Einschränkungsverhinderungsbewegung durch das Gelenksystem von einer in der Konstruktion vorhandenen Komponente weg aufweisen; und Bestimmen einer Mehrzahl von Haltungen für das Gelenksystem im Anschluss an die Anfangszeit während der Erfüllung der Aufgabe, wobei die Bestimmung der Haltungen aufweist, eine zeitliche Manipulation der Freiheitsgrade des Gelenksystems zu bestimmen, die die Aufgabe erfüllt, während auch der Satz von Einschränkungen befolgt wird.
Das nicht-flüchtige computerlesbare Speichermedium von Anspruch 11, wobei die Bestimmung der Haltungen aufweist, die Kontaktaufgaben über die Erfüllung der Aufgabe hinweg zu priorisieren.
Das nicht-flüchtige computerlesbare Speichermedium von Anspruch 11, wobei der Satz von Einschränkungen ein Umbequemlichkeits-Ziel aufweist, und wobei die Bestimmung der Haltungen aufweist, die Manipulation der Freiheitsgrade basierend auf dem Unbequemlichkeits-Ziel zu gewichten.
Das nicht-flüchtige computerlesbare Speichermedium von Anspruch 11, wobei der Satz von Einschränkungen ein Gelenkbeschränkungs-Ziel aufweist, und und wobei die Bestimmung der Haltungen aufweist, die Manipulation der Freiheitsgrade basierend auf dem Gelenkbegrenzungs-Ziel zu gewichten.
Das nicht-flüchtige computerlesbare Speichermedium von Anspruch 11, wobei der Satz von Einschränkungen ein Kollisionsvermeidungs-Ziel aufweist, und wobei die Bestimmung der Haltungen aufweist, die Manipulation der Freiheitsgrade basierend auf dem Kollisionsvermeidungs-Ziel zu gewichten.
Das nicht-flüchtige computerlesbare Speichermedium von Anspruch 11, wobei der Satz von Einschränkungen ein Selbsteindringvermeidungs-Ziel aufweist, und wobei die Bestimmung der Haltung für eine der anschließenden Zeiten aufweist, die Bestimmung der aktualisierten Winkel der Freiheitsgrade basierend auf dem Selbsteindringvermeidungs-Ziel zu gewichten.
Das nicht-flüchtige computerlesbare Speichermedium von Anspruch 11, wobei die Bestimmung der Haltungen aufweist, eine geschlossen-schleifige inverse kinematische Berechnung an der Haltung ab einer vorherigen Zeit und basierend auf dem Satz von Einschränkungen durchzuführen.
System zum Steuern/Regeln eines Gelenksystems, wobei das System aufweist: einen Prozessor zum Ausführen eines ausführbaren Computerprogramm-Codes; ein computerlesbares Speichermedium, das den ausführbaren Computerprogramm-Code enthält, konfiguriert zum: Zugreifen auf eine Anfangshaltung eines Gelenksystems zu einer Anfangszeit, wobei die Anfangshaltung Winkel für eine Mehrzahl von Freiheitsgraden des Gelenksystems aufweist; Zugreifen auf eine Fahrzeuginsassen-Unterbringungs-Konstruktion und eine von dem Gelenksystem innerhalb der Konstruktion zu erfüllende Aufgabe; Zugreifen auf einen Satz von Einschränkungen, die einschränken, wie die Freiheitsgrade des Gelenksystems manipuliert werden, um die Aufgabe zu erfüllen, wobei Einschränkungen eine Kontakt-Einschränkungsverhinderungsbewegung durch das Gelenksystem von einer in der Konstruktion vorhandenen Komponente weg aufweisen; und Bestimmen einer Mehrzahl von Haltungen für das Gelenksystem im Anschluss an die Anfangszeit während der Erfüllung der Aufgabe, wobei die Bestimmung der Haltungen aufweist, eine zeitliche Manipulation der Freiheitsgrade des Gelenksystems zu bestimmen, die die Aufgabe erfüllt, während auch der Satz von Einschränkungen befolgt wird.
Das System von Anspruch 18, wobei die Bestimmung der Haltungen aufweist, die Kontaktaufgaben über die Erfüllung der Aufgabe hinweg zu priorisieren.
Das System von Anspruch 18, wobei der Satz von Einschränkungen ein Umbequemlichkeits-Ziel aufweist, und wobei die Bestimmung der Haltungen aufweist, die Manipulation der Freiheitsgrade basierend auf dem Unbequemlichkeits-Ziel zu gewichten.
Das System von Anspruch 18, wobei der Satz von Einschränkungen ein Gelenkbeschränkungs-Ziel aufweist, und und wobei die Bestimmung der Haltungen aufweist, die Manipulation der Freiheitsgrade basierend auf dem Gelenkbegrenzungs-Ziel zu gewichten.
Das System von Anspruch 18, wobei der Satz von Einschränkungen ein Kollisionsvermeidungs-Ziel aufweist, und wobei die Bestimmung der Haltungen aufweist, die Manipulation der Freiheitsgrade basierend auf dem Kollisionsvermeidungs-Ziel zu gewichten.
Das System von Anspruch 18, wobei der Satz von Einschränkungen ein Selbsteindringvermeidungs-Ziel aufweist, und wobei die Bestimmung der Haltung für eine der anschließenden Zeiten aufweist, die Bestimmung der aktualisierten Winkel der Freiheitsgrade basierend auf dem Selbsteindringvermeidungs-Ziel zu gewichten.
Das System von Anspruch 18, wobei die Bestimmung der Haltungen aufweist, eine geschlossen-schleifige inverse kinematische Berechnung an der Haltung ab einer vorherigen Zeit und basierend auf dem Satz von Einschränkungen durchzuführen.