JP3355113B2 - Method for simulating human body movement and method for generating animation using the method - Google Patents

Method for simulating human body movement and method for generating animation using the method

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JP3355113B2
JP3355113B2 JP27491397A JP27491397A JP3355113B2 JP 3355113 B2 JP3355113 B2 JP 3355113B2 JP 27491397 A JP27491397 A JP 27491397A JP 27491397 A JP27491397 A JP 27491397A JP 3355113 B2 JP3355113 B2 JP 3355113B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は人体の動きのシミ
ュレーション方法と人体の動きのアニメーション生成方
法に関する。この発明はとくに、動力学を基礎として人
体の動きを推定するシミュレーション方法と、その方法
に関連するアニメーション生成方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of simulating the movement of a human body and a method of generating an animation of the movement of a human body. In particular, the present invention relates to a simulation method for estimating a motion of a human body based on dynamics, and an animation generation method related to the simulation method.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、ロボット工学、コンピュータグラ
フィクス(CG)、およびバーチャルリアリティ(V
R)の各分野の研究者たちの間で、人体の動きに対する
関心が一層高まっている。ロボット工学分野の研究者た
ちは、滑らかで迅速な動きを実現する人間の腕および脚
の動きに注目している。また、安定的で効率のよい人間
の足取りも彼らの関心を集めている。これまで、人間と
同じように動く歩行装置等の製作に多大な努力が払われ
てきた。CGやVR等の分野では、研究者たちは人体の
動作データ作成方法を探し続けている。人体の動作デー
タは、ビデオゲーム、映画、およびサイバースペースで
の仮想人物たちの制御に利用される。人体の動きデータ
に対する需要はますます高まっている。
2. Description of the Related Art In recent years, robotics, computer graphics (CG), and virtual reality (V)
Interest in the movement of the human body is increasing among researchers in each field of R). Researchers in the field of robotics are focusing on the movements of human arms and legs that provide smooth and rapid movement. Their stable and efficient human gait has also attracted their attention. To date, great efforts have been made to produce walking devices and the like that move like humans. In fields such as CG and VR, researchers continue to search for methods for creating motion data of the human body. Human body motion data is used to control virtual people in video games, movies, and cyberspace. The demand for human body motion data is increasing.

【0003】こうしたデータの生成には、モーションキ
ャプチャおよび物理的アニメーションが用いられてき
た。しかし、これらの方法では自発的な人体の動きを自
動生成できない。人体は多数の筋肉で制御される冗長な
多結合物体である。このため、体全体を制御するにはこ
れら筋肉の適切かつ協働した動きが必要になる。
[0003] Motion capture and physical animation have been used to generate such data. However, these methods cannot automatically generate spontaneous human body movements. The human body is a redundant multi-joined object controlled by many muscles. This requires proper and cooperative movement of these muscles to control the entire body.

【0004】人間のアニメーションの作成技術は、次の
3つのグループ、すなわちモーションキャブチャ、運動
学ベースの方法、および動力学ベースの方法に分けられ
る。
The art of creating human animations can be divided into three groups: motion capture, kinematics-based methods, and dynamics-based methods.

【0005】モーションキャプチャには特別な高価な装
置が必要なため、通常はすでにデータベースとして用意
されている運動学的軌道を使用する。データベース中に
欲しいデータが見つからない場合、アニメーション作成
者は自分たちの要望に合うように運動学データを修正す
る。しかしこの場合、動力学を考慮に入れずに運動学パ
ラメータを変更することになるため、ほとんどの場合、
できあがった動きは物理的法則に合致せず、非常に不自
然になる。これに対し、動力学的シミュレーションで得
られる動きはより自然である。
[0005] Since motion capture requires special expensive equipment, kinematic trajectories already prepared as a database are usually used. If the desired data is not found in the database, the animators modify the kinematics data to suit their needs. However, in this case you will change the kinematic parameters without taking the dynamics into account, so in most cases
The resulting movement does not conform to physical laws and becomes very unnatural. On the other hand, the motion obtained by the dynamic simulation is more natural.

【0006】動力学ベースの人体アニメーションは、こ
れまで多くの研究者たちによって作成されている。しか
し、物理法則が支配する通常の環境下で人体モデルを制
御する際、アニメーション作成者たちは、運動学的軌道
の代わりに、モデルにかけられるトルクおよび力の変化
を指定しなければならない。ひとつひとつの動力学パラ
メータの変化による効果は明らかではなく、これは非常
に困難な作業である。
[0006] Dynamics-based human body animations have been created by many researchers so far. However, when controlling a human body model in a normal environment governed by the laws of physics, animators must specify the changes in torque and force applied to the model instead of kinematic trajectories. The effect of changing each and every kinetic parameter is not clear, and this is a very difficult task.

【0007】人体モデルの制御の難しさは人体動力学の
冗長性に起因する。冗長性は非常に多数の関節に由来す
る。各関節は、1度、2度、または3度の自由度(DO
F)をもつ。従って、人体のDOFの合計は50近くに
なる。多くの自由度のおかげで人は障害物を回避したり
器用に動くことができるが、モデルの制御にはより複雑
なアルゴリズムが必要である。以上の理由から、各関節
でのトルクを計算して人体モデルを希望通りに動かすコ
ントローラが強く望まれている。
The difficulty in controlling a human body model results from the redundancy of human body dynamics. Redundancy comes from a large number of joints. Each joint has one, two, or three degrees of freedom (DO
F). Therefore, the total DOF of the human body is close to 50. Although many degrees of freedom allow people to avoid obstacles and move dexterously, controlling the model requires more complex algorithms. For these reasons, there is a strong demand for a controller that calculates the torque at each joint and moves the human body model as desired.

【0008】関節トルクの変化を特定する方法は現在ふ
たつ考えられる。第一の方法は、制御理論においてプロ
ポーショナルデリバティブ(PD)制御として知られる
制御方法を使用する。しかしこの方法の場合、多数の姿
勢キーフレームと各キーフレームごとに関節トルクを決
定するパラメータ群が必要になる。パラメータは動きに
完全に依存するため、異なる種類の動きについて新しい
キーフレーム姿勢およびパラメータが要る。また、人体
モデルのサイズまたは質量が変化すると、同じ動きを得
るためにはアニメーション作成者はパラメータを入念に
設定しなおさねばならない。
[0008] There are currently two methods for identifying changes in joint torque. The first method uses a control method known in the control theory as proportional derivative (PD) control. However, in this method, a large number of posture key frames and a group of parameters for determining the joint torque are required for each key frame. Since the parameters are completely dependent on the movement, new keyframe poses and parameters are needed for different types of movement. Also, when the size or mass of the human body model changes, the animation creator must carefully set the parameters to obtain the same motion.

【0009】第二の方法は最適制御理論を用いる。この
手法は人体の動きはなんらかの目的関数の値を極小にす
るという仮定のもとで制御を行う。各フレームでの関節
トルクの計算は、従来の傾斜法、動的計画法、またはレ
イリー−リッツ法(Raleigh−Ritz met
hod、D.Schmitt and el ”Opt
imal motion programming o
f robot manipulators”,Tra
nsaction on ASME,Jornal o
f Mechanism,Transmissions
and Automation in Desig
n,107,pp.239−244(1985))によ
って行う。パンディ(Pandy)らは、最適制御を利
用して最大高さのジャンプ動作をシミュレートした
(M.G.Pandy and el”An opti
mal control model for max
imum−height human jumpin
g,Jornal of Biomechanics,
23(12),pp.1185−1198(199
0))。パンディらの目的関数はジャンプの高さであっ
たが、一般的な人体動作にこの関数は使えない。ヤマグ
チらは、動的計画法を利用して歩行動作をシミュレート
した(G.T.Yamaguchi andel ”R
estoring unassisted natur
al gait to paraplegicsvia
functional neuromusclar
stimulation: a computer s
imulation study”,IEEE Tra
nsactions on biomedical e
ngineering,37,pp.886−902
(1990))。彼らの目的関数は、人間の足取りの計
算中の軌道と捕捉された実際の軌道との差の二乗の積分
と、筋力を平均筋肉断面積(PCSA)で除算したもの
の三乗の積分和との合計であった。しかし、彼らの目的
は筋力の計算であり、彼らの方法でアニメーションの作
成はできない。
The second method uses optimal control theory. This method controls under the assumption that the movement of the human body minimizes the value of some objective function. The calculation of the joint torque at each frame can be performed by the conventional gradient method, dynamic programming, or Rayleigh-Ritz method.
hod, D.E. Schmitt and el "Opt
imal motion programming o
f robot manipulators ", Tra
nsaction on ASME, Journal o
f Mechanisms, Transmissions
and Automation in Desig
n, 107, pp. 239-244 (1985)). Pandy et al. Simulated a maximum height jump using optimal control (MG Pandy and el "An opti).
mal control model for max
imum-height human jumpin
g, Journal of Biomechanics,
23 (12) pp. 1185-1198 (199
0)). The objective function of Pandy et al. Was the height of the jump, but this function cannot be used for general human body movements. Yamaguchi et al. Used a dynamic programming method to simulate a walking motion (GT Yamaguchi and "R").
estoring unassisted natur
al gate to paraplegicsvia
functional neuromuscular
Stimulation: a computer s
"imulation study", IEEE Tra
nsactions on biomedical e
ngineering, 37, pp. 886-902
(1990)). Their objective function is the integral of the square of the difference between the calculated trajectory of the human gait and the actual trajectory captured, and the integral sum of the cube of muscular strength divided by mean muscle cross-sectional area (PCSA). Was the sum. However, their purpose is to calculate strength, and they cannot create animations in their own way.

【0010】レイリー−リッツ法は、B−スプライン、
フーリエ関数、またはウェーブレット等のいくつかの基
底関数の和によって運動学パラメータの近似値を求め、
逆動力学を用いて関節トルクを計算するアルゴリズムで
ある。ローズ(Rose)らはこの方法を用いて人体ア
ニメーションを作成したが、体の筋肉は考慮に入れなか
った(C.Rose and el ”Efficie
nt generation of motion t
ransitions using spacetim
e constraints”,Computer G
raphics,30,pp.147−152(199
6))。このため、筋肉の強さの異なる人の動きを処理
できず、実際の人体の動作のシミュレーションはできな
かった。
The Rayleigh-Ritz method is based on B-spline,
Approximate kinematic parameters by Fourier function or the sum of several basis functions such as wavelets,
This is an algorithm for calculating joint torque using inverse dynamics. Rose and colleagues used this method to create human body animations, but did not take into account body muscles (C. Rose and el "Efficie").
nt generation of motion t
ransions using spaceim
e constraints ", Computer G
rapics, 30, pp. 147-152 (199
6)). For this reason, the movement of a person having different muscle strength cannot be processed, and the simulation of the actual movement of the human body cannot be performed.

【0011】いまのところ、人間が随意運動を行うアル
ゴリズムは解明されていない。しかし、開ループフィー
ドフォワード制御系と閉ループフィードバック制御系の
2種類のコントローラが関与していることは判明してい
る。閉ループ制御系は、変動を補償する入力として制御
変数を絶えずフィードバックする。外乱に対する人体の
反応を分析することによって、これまで多くの研究者た
ちが人体のフィードバック制御の特性を調査している。
At present, no algorithm has been elucidated for humans to perform voluntary movements. However, it has been found that two types of controllers, an open loop feedforward control system and a closed loop feedback control system, are involved. Closed loop control systems constantly feed back control variables as inputs to compensate for fluctuations. By analyzing the response of the human body to disturbances, many researchers have investigated the characteristics of human feedback control.

【0012】一方、開ループフィードフォワード制御は
随意運動において重要な役割をはたす。手のように迅速
かつ柔軟な動きを作成するには、開ループ制御系によっ
て人体の軌道を事前にプログラムしておかなければなら
ない。手の軌道の導出のためにいくつかの最適制御モデ
ルが提案されている。有名なモデルに、ウノらが提案し
た最小トルク変化モデルがある(Y.Uno and
el ”Formation and control
of optimal trajectory in
human multi−joint arm mo
vement”,Biological Cybern
etics,61,pp.89−101(198
9))。その目的関数は次の式で表される。
On the other hand, open loop feed forward control plays an important role in voluntary movement. To create fast and flexible hand-like movements, the trajectory of the human body must be pre-programmed with an open-loop control system. Several optimal control models have been proposed for hand trajectory derivation. A famous model is the minimum torque change model proposed by Uno et al. (Y. Uno and
el "Formation and control
of optimal trajectory in
human multi-joint arm mo
element ", Biological Cybern
etics, 61 pp. 89-101 (198
9)). The objective function is represented by the following equation.

【0013】[0013]

【数1】 (Equation 1)

【0014】ここで、Jは目的関数の値、τはi番目
の関節で作られたトルク、tおよびtはそれぞれ動
きの始まりと終わりの時刻を表す。
Here, J is the value of the objective function, τ 0 is the torque produced by the i-th joint, and t 0 and t f represent the start and end times of the movement, respectively.

【0015】一方、歩行など主として下肢全体で形成さ
れる動作のモデルはほとんど提案されていない。下肢の
制御は姿勢の制御を伴うため、はるかに複雑である。チ
ャウ(Chow)らは人体の足取り動作を作成し、筋肉
の行う作業量を目的関数に設定した(C.K.Chow
and el ”Studies of human
locomotion via optimal p
rogramming”,Mathematical
Biosciences,10,pp.239−306
(1971))。一方、ローズらは、次の式で表す目的
関数を設定した。
[0015] On the other hand, almost no model of a motion such as walking formed mainly by the entire lower limb has been proposed. Control of the lower limbs is much more complicated because it involves controlling the posture. Chow et al. Created a gait movement of the human body and set the amount of work performed by the muscles as an objective function (CK Chow).
and el "Studies of human
locomotion via optimal p
programming, Mathematical
Biosciences, 10, pp. 239-306
(1971)). Meanwhile, Rose et al. Set an objective function represented by the following equation.

【0016】[0016]

【数2】 (Equation 2)

【0017】ここで、τはi番目の関節で作られたト
ルクを表す。しかし、チャウらおよびローズらはいずれ
も姿勢の安定性を考慮しなかった。これに対してコー
(Ko)らは、状態が不安定な場合、姿勢が安定するま
で骨盤を平行移動させ、かつ原点関節(origin
joint)を回転させて人体の姿勢を固定した(H.
Ko and el ”Animating huma
n locomotion with inverse
dynamics”,IEEE Computer
Graphics and Application
s,March,pp.50−59(1996))。コ
ーらの研究は逆動力学に基づくもので、歩行中の各フレ
ームごとに安定化が行われたが、軌道の計画は行われな
かった。
Here, τ i represents the torque generated at the i-th joint. However, Chow et al. And Roses did not consider postural stability. On the other hand, Ko et al., When the condition is unstable, translate the pelvis until the posture is stabilized, and make the origin joint (origin).
(H. joint) is rotated to fix the posture of the human body (H.
Ko and el "Animating huma
n locomotion with inverse
dynamics ", IEEE Computer
Graphics and Application
s, March, pp. 50-59 (1996)). Coal's work was based on inverse dynamics, which stabilized each frame while walking, but did not plan the trajectory.

【0018】[0018]

【発明が解決しようとする課題】以上が人体の動きのシ
ミュレーションまたはアニメーションの生成に関する状
況である。
The above is the situation relating to the simulation of the motion of the human body or the generation of animation.

【0019】本発明は以上の種々の課題に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、高価な装置を用いずに人体
のシミュレーションまたはアニメーション化の可能な技
術を提供することにある。本発明の別の目的は人体の随
意運動をより自然に表現することにある。本発明のさら
に別の目的は、筋肉を考慮した人体の自然な動きを比較
的簡単かつ汎用性の高いパラメータ設定で表現可能な技
術の提供にある。本発明のさらに別の目的は、姿勢制御
の困難な下肢の動きを表現する技術の提供にある。
The present invention has been made in view of the above various problems, and an object of the present invention is to provide a technique capable of simulating or animating a human body without using an expensive device. Another object of the present invention is to express the voluntary movement of the human body more naturally. Still another object of the present invention is to provide a technique capable of expressing a natural movement of a human body in consideration of muscles with relatively simple and versatile parameter settings. Still another object of the present invention is to provide a technique for expressing movement of a lower limb in which posture control is difficult.

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】本発明のシミュレーショ
ン方法は動力学を基礎とする。本発明は最小筋肉動作関
数を目的関数に採用する最適制御理論に基づいて人体の
動きを推定する。最小筋肉動作関数の例として、筋肉と
腱の作用を考慮して定められるもの、筋肉の活性レベル
を考慮して定められるものなどある。
The simulation method of the present invention is based on dynamics. The present invention estimates the motion of a human body based on an optimal control theory that employs a minimum muscle motion function as an objective function. Examples of the minimum muscle motion function include those determined in consideration of the action of muscles and tendons, and those determined in consideration of muscle activity levels.

【0021】本発明に係るシミュレーション方法のある
態様は、3つのステップを含む。まず最小筋肉動作関数
を目的関数とする最適制御理論に基づいてフィードフォ
ワード制御を行い、人体の動きを計算するステップであ
る。つぎに、計算された動きにおいて人体の姿勢を検証
するステップ、および姿勢に問題があれば人体の動きを
修正するステップを含む。姿勢とは体の安定性と考えて
もよい。すなわち、体が不安定な場合は動きまたは軌道
を修正する。
One embodiment of the simulation method according to the present invention includes three steps. First, a step of performing feedforward control based on an optimal control theory using a minimum muscle motion function as an objective function to calculate a motion of a human body. Next, the method includes a step of verifying the posture of the human body in the calculated movement, and a step of correcting the movement of the human body if there is a problem in the posture. Posture may be considered as body stability. That is, if the body is unstable, correct the movement or trajectory.

【0022】本発明に係るアニメーション生成方法は、
動力学を基礎に筋肉ベースの人体モデルを立て、最適制
御理論に基づいて人体の動きを推定し、その動きをアニ
メーションとして生成する。その際、最適制御理論の目
的関数として最小筋肉動作関数を採用してもよい。
The animation generation method according to the present invention comprises:
Based on the dynamics, a muscle-based human body model is established, the motion of the human body is estimated based on the optimal control theory, and the motion is generated as an animation. At that time, the minimum muscle motion function may be adopted as the objective function of the optimal control theory.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】人体の動きを特徴づけるのは、人
体の物理的構造と神経コントローラである。関節のトル
クは骨同士をつなぐ筋肉によって作られる。人体のコン
フィギュレーション空間と最大出力とは、筋肉ひとつひ
とつの付着位置と物理的構造によってほぼ決まる。人体
モデルのアクチュエータとして筋肉モデルを使用した人
体アニメーションに関する研究はほとんど行われていな
い。本実施の形態では、筋肉を付加した人体モデルを作
製する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS It is the physical structure of the human body and the neural controller that characterize the movement of the human body. Joint torque is created by the muscles that connect the bones. The configuration space and the maximum output of the human body are largely determined by the attachment position and physical structure of each muscle. Very little research has been done on human body animation using muscle models as actuators for human body models. In the present embodiment, a human body model to which a muscle is added is created.

【0024】人体が中央神経系統(CNS)によって制
御される仕組みは、まだ解明されていない。とくに脚
は、バランスを維持する必要があるため、その軌道生成
の過程は体の他の部分に関するものより複雑である。従
来の脚のコントローラは、ある特定の動作にのみ適用可
能なものがほとんどであった。本実施の形態では、キー
となる姿勢を特定するだけでそれらキー間を合理的に補
間することができ、かつバランスを保つことのできる筋
肉付加型人体モデルの合成コントローラが実現する。
The mechanism by which the human body is controlled by the central nervous system (CNS) has not yet been elucidated. The process of trajectory generation is more complex than for other parts of the body, especially since the legs need to be balanced. Most of the conventional leg controllers can be applied only to a specific operation. In the present embodiment, a synthesis controller for a muscle-added human body model that can rationally interpolate between keys only by specifying key postures and maintain a balance is realized.

【0025】本実施の形態は、人間の動力学およびフィ
ードフォワード制御系を正確にシミュレーションする。
下肢全体の筋肉群を含む人体全体の動力系が対象とな
る。この方法は、筋力や体の大きさといった物理的個人
差を簡単に吸収できる。このモデルは実際の人体の動き
の分析およびシミュレーションに使用可能である。
The present embodiment accurately simulates human dynamics and a feedforward control system.
The power system of the entire human body including the muscle groups of the entire lower limb is targeted. This method can easily absorb physical individual differences such as muscle strength and body size. This model can be used for analysis and simulation of actual human body movement.

【0026】本実施の形態は最適制御理論に基づく。す
なわち、フィードフォワードコントローラは体のバラン
スを安定に維持しながら、ある目的関数の値を最小に抑
えることができると仮定する。この目的関数を用いて恣
意的な姿勢の補間を行う。本実施の形態では、筋肉−腱
の動力学および筋肉の活性レベルを考慮した最小筋肉動
作関数を目的関数とする。この方法で軌道が計算されれ
ば、つづいて人体の動きの動的安定性を計算する。不安
定な場合は安定化を行う。筋肉が作り出す力は逆動力学
およびクラウニンシールド(Crowninshiel
d)らの提案した予測アルゴリズムを用いて計算する
(R.D.Crowninshieldand el
”A phisiologically based
criterion of muscle forc
e prediction inlocomotio
n”,Journal of Biomechanic
s,14,pp.793−800(1981))。
This embodiment is based on the optimal control theory. That is, it is assumed that the feedforward controller can minimize the value of a certain objective function while maintaining a stable body balance. An arbitrary posture is interpolated using this objective function. In the present embodiment, the minimum muscle motion function taking into account the muscle-tendon dynamics and the muscle activity level is used as the objective function. Once the trajectory is calculated in this way, the dynamic stability of the movement of the human body is then calculated. Stabilize if unstable. Muscles produce reverse kinetics and Crowninshield.
d) Calculation using the prediction algorithm proposed by R. D. (R.C.
"A phisiologically based
criterion of muscle forc
e prediction inlocomatio
n ", Journal of Biomechanic
s, 14, pp. 793-800 (1981)).

【0027】最後に本実施の形態の効果を実験によって
確認する。モーションキャプチャで取得された人体の動
作データと本実施の形態で求められた軌道を比較した結
果、本実施の形態により、数個のキー姿勢を指定するだ
けで動力学的に正確な人体のアニメーションが作成可能
とわかった。本実施の形態は、モーションキャプチャシ
ステムによって得られた人体動作データの分析にも適用
できる。また、筋肉動作の履歴も同時に入手できるた
め、これらを直接動力学システムへの入力として使用可
能である。さらに、本実施の形態のシステムは各筋肉の
筋力を考慮することができる。以下、本実施の形態を適
宜図面を用いて説明する。
Finally, the effect of the present embodiment will be confirmed by experiments. As a result of comparing the motion data of the human body obtained by the motion capture with the trajectory obtained in the present embodiment, the present embodiment shows that the dynamic animation of the human body can be obtained by specifying only a few key postures. Turned out to be possible. This embodiment can also be applied to analysis of human body motion data obtained by a motion capture system. Also, since the history of muscle movement can be obtained at the same time, these can be used directly as input to the dynamics system. Further, the system according to the present embodiment can consider the muscle strength of each muscle. Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the drawings as appropriate.

【0028】図1は本実施の形態の処理手順の概略を示
すフローチャートである。同図のごとく、まず最小筋肉
動作関数を目的関数に採用する最適制御理論に基づいて
フィードフォワード制御を行い、人体の動きを計算する
(S1)。つぎに、計算された軌道における人体の姿勢
を検証する(S2)。ここで姿勢に問題があれば人体の
動きを修正する(S3)。実施の形態では、姿勢の検証
と修正をふたつのレベルで行う。すなわち、まず境界姿
勢(動きの最初と最後の姿勢)、つぎに途中の姿勢につ
いて検証および修正を行う。こうして所望の動きデータ
が完成すればこれをアニメーション化し、ディスプレイ
への表示、記憶装置への格納を行う(S4)。アニメー
ション化はユーザの指定したキー姿勢間を補間して行わ
れる。
FIG. 1 is a flowchart showing an outline of the processing procedure of the present embodiment. As shown in the figure, first, feedforward control is performed based on the optimal control theory that employs the minimum muscle motion function as the objective function, and the motion of the human body is calculated (S1). Next, the posture of the human body on the calculated trajectory is verified (S2). If there is a problem with the posture, the movement of the human body is corrected (S3). In the embodiment, verification and correction of the posture are performed at two levels. That is, verification and correction are performed first on the boundary posture (the first and last postures of the movement) and then on the middle posture. When desired motion data is completed in this way, it is animated, displayed on a display, and stored in a storage device (S4). Animation is performed by interpolating between key postures specified by the user.

【0029】1.筋肉ベースの人体モデル S1の処理を行うために必要な人体モデルは以下の考察
をもとに構築する。
[0029] 1. A human body model necessary for processing the muscle-based human body model S1 is constructed based on the following considerations.

【0030】1.1.バイオメカニクスにおける筋肉パ
ラメータ バイオメカニクスの分野では、多くの研究者たちは人体
の動きの計算に筋肉を付加したモデルを使用してきた。
これに対してコンピュータグラフィックスの研究者に
は、筋肉によって制御された人体システムを実現したも
のはほとんどいない。本実施の形態ではバイオメカニク
スの研究成果を応用する。
1.1. Muscle parameters in biomechanics In the field of biomechanics, many researchers have used muscle-added models to calculate body movements.
In contrast, few computer graphics researchers have realized a human body system controlled by muscles. In the present embodiment, a research result of biomechanics is applied.

【0031】筋肉モデルを作成するには、筋肉の付着位
置および筋肉を特定するようなパラメータ群のデータが
必須である。前者は体の各座標系における原点および筋
肉の挿入位置を含む。筋肉の原点および挿入位置のデー
タについては、バイオメカニクス分野における研究のた
めのモデルの大半は、ブランド(Brand)らによっ
て与えられたデータを使用する(R.A.Brand
and el ”The sensitivity o
f muscle force prediction
s to changes in physiolog
ic cross−sectional area”,
Journal of Biomechanics,1
9,pp.589−596(1986))。またホイ
(Hoy)らのデータもよく利用される(M.G.Ho
y and el ”A musculoskelet
al model of the human low
erextremity:The effect of
muscle,tendon and moment
arm on the moment−angle
relationship of musculote
ndon actuators at the hi
p,knee and ankle”,Journal
of Biomechanics,23(2),p
p.157−169(1992))。ホイらのデータに
は、これら以外の筋肉を特定するパラメータ、例えば筋
繊維の長さ、弛緩状態の腱の長さ、腱の弾性、最大筋
力、およびペネーション角度(筋肉の繊維の方向と力が
かかる方向のなす角度)も含まれる。
In order to create a muscle model, data of a parameter group for specifying a muscle attachment position and a muscle is essential. The former includes an origin and a muscle insertion position in each body coordinate system. For muscle origin and insertion position data, most of the models for research in the field of biomechanics use data provided by Brand et al. (RA Brand).
and el "The sensitivity o
f muscle force prediction
s to changes in physiolog
ic cross-sectional area ",
Journal of Biomechanics, 1
9, pp. 589-596 (1986)). Also, the data of Hoy et al. Is frequently used (MG Ho
y and el "A musculoskelet
al model of the human low
erextremity: The effect of
muscle, tendon and moment
arm on the moment-angle
relationship of musculote
ndon actors at the hi
p, knee and ankle ”, Journal
of Biomechanics, 23 (2), p
p. 157-169 (1992)). Hui et al.'S data include other muscle-specific parameters, such as muscle fiber length, relaxed tendon length, tendon elasticity, maximum muscular strength, and penation angle (muscle fiber direction and force). The angle formed by the direction).

【0032】本実施の形態で使用する人体モデルは、図
2に示すように、15部分、30DOF、および47x
2の筋肉からなる。各部分はそれぞれひとつの剛体と考
える。各部分のサイズ、重量、および慣性モーメントは
前述のヤマグチらのデータを使用した。足はかかと部と
つま先部のふたつの剛体からなる。足と床との間の角度
が正のときは、足のつま先部でのみ床と接触していると
考えられる。
As shown in FIG. 2, the human body model used in this embodiment has 15 parts, 30 DOF, and 47 ×
Consists of two muscles. Each part is considered as one rigid body. The size, weight, and moment of inertia of each part used the data of Yamaguchi et al. The foot consists of two rigid bodies, the heel and the toe. When the angle between the foot and the floor is positive, it is considered that only the toe of the foot is in contact with the floor.

【0033】1.2.ヒルの筋肉モデル 筋肉と腱のモデルとして、図3に示す有名なヒル(Hi
ll)の3要素モデルを使用した。このモデルは3つの
要素、すなわち、収縮要素(CE、筋繊維)、直列弾性
要素(SEE、筋腱)、および並列弾性要素(PEE、
繊維および繊維束まわりの接続組織)からなる。CEが
出す力(fce)は、その要素の長さlce、収縮速度
ce、および中央神経系統(CNS)が制御する筋肉
活性(アクティベーション)レベルaの関数である。C
Eの出す力は筋肉活性レベルに比例し、 fce=f(lce,vce,a) と書ける。SEEおよびPEEの出す力(f
pe)は、それぞれの要素の長さ(l,lpe)の
みと関係し、それぞれ、 f,=f(l)、fpe=f(lpe) と書ける。図4はfceとその長さlce、およびl
peとその長さlpeの関係を表している。各要素が生
成する力同士の関係は、 f,=fce+fpe である。また筋肉−腱の長さ(lMT)は、筋繊維の長
さと腱の長さとの和で、 lMT=lce+l、 lce=lpe が成り立つ。腱の力と長さとの関係は以下の一次弾性式
によって概算できる。
1.2. Hill Muscle Model As a model of muscle and tendon, the famous Hill (Hi
11) three-element model was used. This model has three components: a contractile component (CE, muscle fiber), a series elastic component (SEE, muscle tendon), and a parallel elastic component (PEE,
Fibers and connecting structures around the fiber bundles). The force (f ce ) exerted by CE is a function of its element length l ce , contraction rate v ce , and the level of muscle activation (a) controlled by the central nervous system (CNS). C
The force produced by E is proportional to the muscle activity level, and can be written as fce = f ( lce , vce , a). SEE and PEE output forces (f T ,
f pe ) relates only to the length (l T , l pe ) of each element, and can be written as f T , = f (l T ) and f pe = f (l pe ), respectively. FIG. 4 shows f ce and its length l ce , and l ce
It shows the relationship between pe and its length lpe . The relationship between the forces generated by each element is f T , = f ce + f pe . The muscle - the length of the tendon (l MT) is the sum of the length of the tendon of the muscle fibers, l MT = l ce + l T, it is l ce = l pe established. The relationship between tendon force and length can be approximated by the following primary elasticity equation:

【0034】f=k(l−l ) この式でkは腱の弾性、l は弛緩時の長さを示
す。kの設定値はここでは37.5/f である。
一方、f は筋肉のピーク等長力を表し、平均断面積
(PCSA)を用いて次式のように計算できる。
[0034] f t = k T (l T -l T o) k T In this equation the elasticity of the tendon, the l T o indicating the length of time of relaxation. the set value of k T here is 37.5 / f M o.
On the other hand, f M o denotes the peak isometric force muscles, average cross-sectional area of the (PCSA) can be calculated by the following equation using.

【0035】f =kA この式において、AはPCSA、kは定数を示し、こ
こでは30Nm−2に設定している。筋肉の形状につい
てはブランドらのデータを使用した(R.A.Bran
d and el ”A model of lowe
r extremity muscular anat
omy”,J.Biomech,104,pp.304
−310(1982))。筋肉収縮要素の長さ、ペネー
ション角度、および平均断面積等の筋肉を特定するパラ
メータ群については、フリードリヒ(Friedric
h)らのデータを使用した(J.A.Friedric
hand el ”Muscle fiber arc
hitecture in the human lo
wer limb”,The Journalof B
iomechanics,23,pp.91−95(1
989))。腱弛緩時の長さ(l )はホイらの提案
した方法を用いて計算した。この方法は、アクチュエー
タの長さlceが自然長より伸びて曲げと反対方向に副
次的に生じるモーメント(これを受動モーメントと呼
び、以下「受動」といえば同様にこのような副次的なも
のを指すことにする)に対応する関節角度においてその
本来の長さl 近くになるようにl を選択する。
関節の弾性受動モーメントは図5(a)〜(c)に示す
ように計算した。
[0035] In f M o = kA i this equation, A i is PCSA, k represents a constant, here is set to 30 Nm -2. The data of Brand et al. Was used for the shape of the muscle (RA Bran
d and el "A model of low
r extreme muscle anat
omy ", J. Biomech, 104, pp. 304.
-310 (1982)). For a group of parameters for specifying muscles such as muscle contraction element length, pennation angle, and average cross-sectional area, see Friedrich
h) using the data of (JA Friedric)
hand el "Muscle fiber arc"
hitcture in the human lo
wer limb ”, The Journalna B
iomechanics, 23, pp. 91-95 (1
989)). Length at the tendon relaxed (l T o) was calculated using the method proposed in Hoira. This method is based on a moment (hereinafter referred to as a passive moment, hereinafter referred to as a "passive moment") in which the length lce of the actuator is longer than the natural length and is generated in a direction opposite to the bending. in the joint angle corresponding to) that point to things selects its original length l M o l T o so close.
The passive elastic moment of the joint was calculated as shown in FIGS.

【0036】1.3.一般化座標系の独立パラメータ 体の動きをある瞬間に静止画としてとらえたとき、体全
体は関節角度と体の位置を特定して表現できる。これら
は一般化座標と呼ばれ、ここではq={q
,..., q}とする。一般化座標系の中には
従属成分があるが、体の状態の決定には独立成分だけが
必要である。独立成分をq={q(1)
(2),...,q(n−k)}で表す。ここでkは
従属座標の数である。図6(a)、(b)に示すよう
に、片足立ちの状態と両足立ちの状態には、それぞれ異
なる独立パラメータの組が選択される。
1.3. Independent parameters of the generalized coordinate system When the movement of the body is captured as a still image at a certain moment, the entire body can be expressed by specifying the joint angle and the position of the body. These are called generalized coordinates, where q = qq 1 ,
q 2 ,. . . , Q n }. Although there are dependent components in the generalized coordinate system, only independent components are needed to determine the state of the body. Let the independent components be q 1 = {q (1) ,
q (2) ,. . . , Q (nk) }. Here, k is the number of dependent coordinates. As shown in FIGS. 6A and 6B, different sets of independent parameters are selected for the one-legged state and the two-legged state.

【0037】1.4.逆動力学 各関節で生成される力およびトルクは、一般化座標パラ
メータ群およびその微分を用いて計算できる。この操作
は既知の逆動力学である。ここでは従来のニュートン−
オイラー法を用いた。ニュートン−オイラーの動力学ア
ルゴリズムは、O(n)の計算量である。ここでnは系
のDOFの数を示す。計算量が線形のため、人体等の複
雑な多部分系の計算が可能となる。
1.4. Inverse Dynamics The forces and torques generated at each joint can be calculated using a generalized set of coordinate parameters and their derivatives. This operation is a known inverse kinetics. Here, conventional Newton-
The Euler method was used. The Newton-Euler dynamics algorithm is O (n) complex. Here, n indicates the number of DOFs in the system. Since the amount of calculation is linear, it is possible to calculate a complex multi-part system such as a human body.

【0038】1.5.閉ループ問題 両足立ちの状態では、両脚の生成するトルクは冗長なの
で、逆動力学を用いた計算は不可能である。このためこ
こでは、力およびトルクを両足と体の重力中心が地面に
投影される地点との間の距離の逆数に比例して両脚に分
配した。
1.5. Closed loop problem In the state of standing on both feet, the torque generated by both feet is redundant, so that calculation using inverse dynamics is impossible. For this reason, here the forces and torques are distributed to the legs in proportion to the reciprocal of the distance between the legs and the point where the center of gravity of the body is projected on the ground.

【0039】1.6.筋力の予測 ひとつの関節の制御には多数の筋肉が使用される。この
ため、その関節におけるトルクを計算しても、各筋肉に
よって生成される力はやはり決まらない。これを解決す
るひとつの手段として筋力動作の予測に数値的最適化手
順が使用される。脚の関節および筋肉の動力学は次の式
で表すことができる。
1.6. Prediction of muscle strength Many muscles are used to control one joint. Therefore, even if the torque at the joint is calculated, the force generated by each muscle is still not determined. One way to solve this is to use a numerical optimization procedure to predict muscle movements. The dynamics of the joints and muscles of the legs can be expressed by the following equations.

【0040】[0040]

【数3】 (Equation 3)

【0041】ここで、τhip,τknee,τ
ankleは、それぞれ腰、膝、およびくるぶしにおけ
る剛体間で得られるモーメントの成分を表す。
hip,rknee,およびrankleは、それぞ
れ腰、膝、およびくるぶしについての筋肉モーメントア
ームを示す。i,i,iは腰、膝、およびくるぶ
しについてのリファレンスカウント値を示す。fih
ik,およびfiaは各筋肉の生成する力を示す。x
は外積を表す。クラウニンシールドらはつぎの目的関数
を提案している。
Here, τ hip , τ knee , τ
Angle represents the component of the moment obtained between the rigid bodies in the hips, knees, and ankles , respectively.
r hip , r knee , and rank indicate muscle moment arms for hips, knees, and ankles , respectively. i h, i k, i a show hip, knee, and the reference count value for the ankle. f ih ,
f ik and f ia indicate the force generated by each muscle. x
Represents an outer product. Have proposed the following objective function:

【0042】[0042]

【数4】 (Equation 4)

【0043】ここで、Aは筋肉iの平均断面積を示
し、nは1,2,3または100であった。彼らの報告
によれば、得られた結果と筋電計のデータを比較する
と、n=3のときに良好な予測ができた。また、n=2
でも十分な予測ができた。
Here, A i represents the average sectional area of muscle i, and n was 1, 2, 3, or 100. According to their report, a good prediction was obtained when n = 3 when the obtained results were compared with electromyographic data. Also, n = 2
But I could make enough predictions.

【0044】この方法の問題は、筋力予測段階において
筋肉−腱の動力学が考慮されないことである。筋肉活性
レベルが0であったとしても、筋肉の原点と挿入点との
距離が十分長ければ筋肉−腱は弾性力を発揮し、これら
ふたつの剛体を互いに引っ張り合う。筋肉が弾性力を発
揮し始める関節角度は、最適筋繊維長(l )と腱の
弛緩時の長さ(l )によって決まる。筋肉収縮要素
は、最適筋繊維長の時にピーク等長力(f )を発揮
できる。受動力の強さは、筋肉受動要素の弾性
(kpe)および腱の堅さ(k)によって決まる。各
要素の受動力は以下の式によって概算できる。
The problem with this method is that muscle-tendon dynamics are not taken into account in the muscle strength prediction phase. Even if the muscle activity level is 0, if the distance between the origin of the muscle and the insertion point is sufficiently long, the muscle-tendon exerts elasticity and pulls these two rigid bodies together. Joint angle muscles begin to exert an elastic force is determined by the optimum muscle fiber length (l M o) and the length of time of tendon relaxed (l T o). Muscle contraction element, peak isometric force at the time of the optimal muscle fiber length (f M o) can be exhibited. The strength of the passive force is determined by the elasticity of the muscle passive element (k pe ) and the stiffness of the tendon (k T ). The passive force of each element can be estimated by the following equation.

【0045】[0045]

【数5】 (Equation 5)

【0046】ここでは筋肉活性レベルが0のときに各筋
肉の発揮する力をfpassと定義している。fとf
passは筋肉活性レベルが0のとき同じになる。筋肉
−腱の長さlMTがその本来の長さl +l より
長くなると弾性力が形成される。
Here, the force exerted by each muscle when the muscle activity level is 0 is defined as f pass . f T and f
pass is the same when the muscle activity level is zero. Muscle - length l MT tendon elastic force is formed becomes longer than its original length l M o + l T o.

【0047】各筋肉が生成する力は少なくともf
passより大きくなければならない。このため実施の
形態では、筋肉群のfpassをまず計算し、その筋肉
群の生成する関節周囲のモーメント合計τpassを関
節トルクから減じる。これは以下の式で表される。
The force generated by each muscle is at least f
must be greater than pass . Therefore, in the embodiment, f pass of the muscle group is first calculated, and the total moment τ pass around the joint generated by the muscle group is subtracted from the joint torque. This is represented by the following equation.

【0048】[0048]

【数6】 (Equation 6)

【0049】この結果、筋力予測の問題は筋肉収縮要素
の生成する力(fcon)の予測に帰着する。つぎの式
に示すように、fはfconとfpassとの和であ
る。
As a result, the problem of muscle strength prediction results in prediction of the force (f con ) generated by the muscle contraction element. As shown in the following equation, f T is the sum of the f con and f pass.

【0050】f=fcon+fpass ここではつぎの式で示す目的関数uを最小にすることに
よってfconを予測した。なお、実施の形態ではn=
2に設定した。
F T = f con + f pass Here, f con is predicted by minimizing an objective function u represented by the following equation. In the embodiment, n =
Set to 2.

【0051】[0051]

【数7】 (Equation 7)

【0052】fが計算されると、lMTおよびvMT
を用いてつぎの式で示すように筋肉活性レベルaが得ら
れる。
Once f T is calculated, l MT and v MT
Is used to obtain the muscle activity level a as shown by the following equation.

【0053】a=f(f,lMT,vMT) 1.7.人体モデルの最適制御 系の最適軌道は、既知のライリー−リッツ法を用いて計
算する。実施の形態ではナグルカ(Nagurka)ら
のアルゴリズムを利用する(M.L.Nagurk a
nd el ”Fourier−based opti
mal control of nonlinear
dynamic sysytem”,Transact
ions of the ASME,Journal
of Dynamic Systems,Measur
ement and Control,112,pp.
17−26(1990))。基底関数にはフーリエ級数
および多項式関数を用いる。これにより人体の独立パラ
メータ群は以下の式で表される。
A = f (f T , 1 MT , v MT ) 1.7. Optimal control of human body model The optimal trajectory of the system is calculated using the known Riley-Litz method. In the embodiment, an algorithm of Nagurka et al. Is used (ML Nagurka a).
nd el "Fourier-based opti
mal control of nonlinear
dynamic system ", Transact
ions of the ASME, Journal
of Dynamic Systems, Measur
element and Control, 112, pp.
17-26 (1990)). A Fourier series and a polynomial function are used as the basis functions. Thereby, the independent parameter group of the human body is represented by the following equation.

【0054】[0054]

【数8】 (Equation 8)

【0055】q(t)の軌道は、三角関数の係数c=
(aim... anm, bim... bnm)に
応じて変化する。q(t)はつぎの目的関数Jを最小に
するように決められる。
The trajectory of q i (t) is represented by the coefficient c =
(A im ... A nm , b im ... B nm ). q (t) is determined so as to minimize the following objective function J.

【0056】[0056]

【数9】 多項式の係数は境界条件、 q(t)=q(t)=q ∂qi(t)/∂t=∂q/∂t ∂q(t)/∂t=∂q/∂t を満たすように調整される。(Equation 9) The coefficients of the polynomial are boundary conditions, q i (t o ) = q o q i (t f ) = q f ∂qi (t o ) / ∂t = ∂q o / ∂t∂q i (t f ) / ∂ It is adjusted so as to satisfy t = ∂q f / ∂t.

【0057】逆動力学を用いて、動作の間に各関節で生
成されたトルクτをτ=F(q,∂q/∂t, ∂
/∂t,t)の形で計算する。トルクτは、上述した
ように筋力fに分解される。最後に筋肉活性レベルを
計算する。
Using inverse dynamics, the torque τ generated at each joint during motion is given by τ = F (q, ∂q / ∂t, ∂ 2 q
/ ∂t 2 , t). Torque τ is decomposed into muscle force f i as described above. Finally, the muscle activity level is calculated.

【0058】次の目的関数、すなわちトルクの二乗の積
分、筋肉の行った仕事の積分、トルク変化の二乗の積
分、そして最後に筋肉の動き(アクション)の二乗の積
分を検討する。第一の関数は前述のローズらの使用した
ものである。第二の関数は前述のチャウらによって足取
り動作の作成に提案されたものである。これは以下の式
のように表せる。
Consider the following objective functions: integration of the square of the torque, integration of the work done by the muscle, integration of the square of the torque change, and finally the integration of the square of the muscle movement (action). The first function is used by Rose et al., Supra. The second function was proposed by Chow et al. For creating a gait. This can be expressed as the following equation.

【0059】[0059]

【数10】 ここでvは筋肉iの収縮速度を表す。第三の関数は式
1で表される。最後の関数は次の式で表される。
(Equation 10) Here v i represents the contraction rate of the muscle i. The third function is represented by Equation 1. The last function is expressed by the following equation.

【0060】[0060]

【数11】 ここでaは筋肉iの活性レベルを表す。w(a
は、aが本来の範囲(0≦a≦1)外のときに加え
られるペナルティである。こうして定まる目的関数を最
小筋肉動作関数と呼ぶ。
[Equation 11] Here, a i represents the activity level of muscle i. w (a i )
Is a penalty added when a i is out of the original range (0 ≦ a i ≦ 1). The objective function determined in this way is called a minimum muscle motion function.

【0061】独立パラメータ群の軌道はフーリエ級数の
係数cの関数であるから、この目的関数もcの関数、つ
まりJ=f(c)となる。最小値は既知のBFGS最適
化アルゴリズムを用いて計算する。BFGSアルゴリズ
ムは、準ニュートンアルゴリズムのひとつである。
Since the trajectory of the independent parameter group is a function of the coefficient c of the Fourier series, this objective function is also a function of c, that is, J = f (c). The minimum is calculated using a known BFGS optimization algorithm. The BFGS algorithm is one of the quasi-Newton algorithms.

【0062】2.姿勢安定性 以上の考察および準備によって人体モデルが完成する。
つづいて、人体の軌道が求められたときに考察すべき姿
勢の安定性について考える。安定性に関する考察が図1
のS2およびS3の基礎を提供する。
[0062] 2. A human body model is completed by consideration and preparation beyond posture stability .
Next, consider the stability of the posture that should be considered when the trajectory of the human body is determined. Figure 1 shows the stability considerations.
Provides the basis for S2 and S3 of

【0063】人間は、起立、歩行、および走行等の動き
を行う際、無意識に安定を維持している。フランク(F
rank)らによって提案された姿勢および動きの調整
方式では、中央神経系統(CNS)が主動作とそれに伴
う姿勢調整動作を同時に計画し、適切な時間に各動きを
発生させる(J.S.Frank and el ”C
oordination of posture an
d movement”,Physical Ther
apy,70,pp.855−863(1990))。
体全体の正確なフィードフォワード制御モデルを作るた
めには、このタイプの補助的な姿勢調整動作の考慮が必
須である。
When performing a movement such as standing up, walking, and running, a human unconsciously maintains stability. Frank (F
In the posture and movement adjustment method proposed by Rank et al., the central nervous system (CNS) simultaneously plans the main operation and the accompanying posture adjustment operation, and generates each movement at an appropriate time (JS Frank). and el "C
ordination of posture an
d movement ", Physical Ther
apy, 70, pp. 855-863 (1990)).
In order to create an accurate feedforward control model of the whole body, it is necessary to consider this type of auxiliary posture adjustment operation.

【0064】2.1.安定性関数 はじめに姿勢の安定性を評価する関数を定義する。ここ
では安定性関数の定義に「0モーメント点」(ZMP)
を使用する。人間が片足または両足で立つ場合、地面か
ら体に与えられるトルクが0になる点が存在する。片足
立ちの状態では、この点は支持足の裏にある。両足立ち
の状態では、この点は2本の足に囲まれた領域中に存在
する。各足と地面との間には関節はないから、足裏と地
面との間のトルクには限界がある。もしトルクがその限
界を越えれば、体は地面に倒れる。
2.1. Stability function First, a function to evaluate the stability of the posture is defined. Here, the definition of the stability function is "0 moment point" (ZMP)
Use When a person stands on one or both feet, there is a point where the torque applied to the body from the ground becomes zero. When standing on one foot, this point is on the back of the support foot. In the state of standing on both feet, this point exists in a region surrounded by two feet. Since there is no joint between each foot and the ground, the torque between the sole and the ground is limited. If the torque exceeds that limit, the body falls to the ground.

【0065】この制約の検査のために、支持足のZMP
を計算し、それが支持領域中に含まれるかどうかを調べ
る。これも逆動力学で行う。ZMPが支持領域中にあれ
ば姿勢は安定している。領域外の場合は、支持足にトル
クを与えて足が地面から離れないようにしなければなら
ない(このトルクを追加トルクとよぶ)。ここでは追加
トルクをつぎの安定性関数sの中に用いる。
To check for this constraint, the ZMP
And check if it is included in the support area. This is also done with inverse kinetics. If the ZMP is in the support area, the posture is stable. Outside the area, the supporting feet must be torqued to keep the feet from leaving the ground (this torque is referred to as additional torque). Here, the additional torque is used in the following stability function s.

【0066】[0066]

【数12】 (Equation 12)

【0067】ここで、τ+は支持足を地面に維持するた
めに支持足に外から加えられる最小の追加トルクを表
す。
Here, τ + represents the minimum additional torque externally applied to the support foot to keep the support foot on the ground.

【0068】2.2.境界姿勢の安定化 キー姿勢、つまり動作の最初と最後の姿勢がユーザから
与えられる場合、ZMPが支持領域内にある限りは問題
はない。しかし、どちらの姿勢もこの制約を満足しない
場合、体を安定させるために独立パラメータ群の値を調
整しなければならない。目的関数として前述の安定性に
関する値sを用いる。sはZMPが支持領域内に入るま
で最小化される。図7(a)、(b)はこうして境界姿
勢が安定化した例を示している。
2.2. Stabilization of Boundary Posture If the key posture, that is, the first and last postures of the motion, is given by the user, there is no problem as long as the ZMP is within the support area. However, if neither posture satisfies this constraint, the values of the independent parameters must be adjusted to stabilize the body. The value s relating to stability described above is used as the objective function. s is minimized until the ZMP is within the support area. FIGS. 7A and 7B show an example in which the boundary posture is stabilized in this way.

【0069】2.3.体の動きの安定化 体の軌道を最適制御によって計算したら、次に動きの安
定化を行う。たとえ人体モデルの姿勢が最初と最後で安
定であっても、動作中に安定しているとはいえない。フ
ランクの姿勢制御方式では、姿勢の調整のために焦点動
作(focalmovement)に追加動作が加えら
れる。実施の形態ではここでも、体全体の動きの調整に
安定性関数sを用いる。上述のごとく、一般化した各パ
ラメータの軌道q(t)は、フーリエ関数の係数cの
関数である。全軌道の安定性は次の式で定義される。
2.3. Stabilization of body movement After calculating the trajectory of the body by optimal control, the next step is to stabilize the movement. Even if the posture of the human body model is stable at the beginning and end, it cannot be said that it is stable during operation. In Frank's attitude control method, an additional operation is added to a focus operation for adjusting the attitude. In the embodiment, again, the stability function s is used for adjusting the movement of the whole body. As described above, the trajectory q m (t) of each generalized parameter is a function of the coefficient c of the Fourier function. The stability of all orbits is defined by the following equation.

【0070】[0070]

【数13】 (Equation 13)

【0071】ここでSが正ならば動作中に何らかの不安
定な期間がある。sはq、∂q/∂t、および∂q/
∂tの関数であるから、Sもまたフーリエ関数の係数
cの関数である。ここでは動作の安定化のためにcを調
整する。これはSを最小化することによって達成でき
る。ここでも最小化にBFGSアルゴリズムを使用す
る。図8は人が後ろに反るときの動作を安定化した結果
得られた軌道を示している。
Here, if S is positive, there is some unstable period during operation. s is q, ∂q / ∂t, and ∂ 2 q /
Since it is a function of Δt 2 , S is also a function of the coefficient c of the Fourier function. Here, c is adjusted to stabilize the operation. This can be achieved by minimizing S. Again, the BFGS algorithm is used for minimization. FIG. 8 shows the trajectory obtained as a result of stabilizing the motion when the person curves backward.

【0072】3.動きの作成 以上の処理によって所望の動きが得られる。つぎに、得
られた動きをアニメーション化して表示する(S4)。
ここでは実験の結果を示す。実験では3つの体の動き、
すなわちスクワット、キックアップ、および歩行をシミ
ュレーションし、アニメーション化した。
[0072] 3. A desired motion can be obtained by the processing described above. Next, the obtained movement is animated and displayed (S4).
Here, the results of the experiment are shown. In the experiment, three body movements,
That is, squats, kick-ups, and walking were simulated and animated.

【0073】実験の手順として、まずそれぞれの動きに
関し、最初と最後の姿勢について一般化独立パラメータ
群の値を特定した。これらふたつの姿勢の時間も特定し
た。足が地面に着地する動き、または足が地面から離れ
る動きのいずれかが含まれる場合、その瞬間の時間も特
定した。いずれかの境界姿勢が動的に不安定な場合は上
述の方法で調整を行った。
As an experimental procedure, first, for each movement, the values of the generalized independent parameter group were specified for the first and last postures. The time for these two positions was also specified. If the movement involved either a foot landing on the ground or a foot lifting off the ground, the time of that moment was also identified. When any of the boundary postures was dynamically unstable, the adjustment was performed by the method described above.

【0074】3.1.スクワット動作 スクワットの境界姿勢は動的に安定だったため、修正は
必要なかった。図9(a)〜(d)および図10(a)
〜(d)はそれぞれ、従来の最小トルクを考慮した目的
関数による軌道と本発明に係る最小筋肉動作関数を目的
関数にして自動生成された軌道を示している。
3.1. Squat behavior The squat boundary attitude was dynamically stable and did not require modification. 9 (a) to 9 (d) and FIG. 10 (a)
(D) respectively show a trajectory based on a conventional objective function considering the minimum torque and a trajectory automatically generated using the minimum muscle motion function according to the present invention as an objective function.

【0075】図9(a)〜(d)と図10(a)〜
(d)の最大の違いは両足の動きである。図10(a)
〜(d)の場合、人体モデルはまずつま先で立ち、膝を
伸ばし、それから足の裏を再度地面につける。一方、図
9(a)〜(d)の場合、足の裏は常に地面に接してい
る。これらからわかるように、最小筋肉動作関数を用い
る本実施の形態のほうがより自然な動きを生成してい
る。この理由は、最小トルクによる目的関数が人体の物
理的構造を考慮していないからである。最小トルクのみ
を考慮したとき、人体はロボットのように操作され、関
節トルクと、関節角度、速度および加速との依存関係は
無視される。この結果、本実施の形態の人体モデルおよ
び目的関数の有効性が示された。
FIGS. 9 (a) to 9 (d) and FIGS.
The biggest difference in (d) is the movement of both feet. FIG. 10 (a)
In cases (d), the human body model first stands on the toes, stretches the knees, and then puts the soles on the ground again. On the other hand, in FIGS. 9A to 9D, the soles of the feet are always in contact with the ground. As can be seen, the present embodiment using the minimum muscle motion function generates a more natural motion. The reason for this is that the objective function with the minimum torque does not take into account the physical structure of the human body. When only the minimum torque is considered, the human body is operated like a robot, and the dependence of the joint torque on the joint angle, speed, and acceleration is ignored. As a result, the effectiveness of the human body model and the objective function of the present embodiment was shown.

【0076】3.2.キック動作 キック動作の最初と最後の姿勢をそれぞれ図11
(a)、(b)に示す。動作にかかる時間は0.5秒と
した。動作が始まってから0.1秒後に右足が地面を離
れるとした。最終姿勢が安定していなかったので、安定
化アルゴリズムを適用した。図12(a)は動的に安定
した姿勢、図12(b)は動作の軌道をそれぞれ示す。
3.2. Kick motion Figure 11 shows the first and last postures of the kick motion.
(A) and (b) show. The time required for the operation was 0.5 seconds. It is assumed that the right foot leaves the ground 0.1 seconds after the movement starts. Since the final posture was not stable, the stabilization algorithm was applied. FIG. 12A shows a dynamically stable posture, and FIG. 12B shows a motion trajectory.

【0077】動作の最適化は、地面から離れる際に支持
脚の付加を低減する調整を含む。地面から離れる前、体
幹は支持脚側に曲がって重心を移動させる。この調整
は、実際の人の動きにも見られる。本物の人間によるキ
ック動作の床荷重面における計測データを見ると、脚を
上げる前、上げる脚で地面をわずかに押し、体の重力中
心を支持脚に移動させ、それから脚が地面から離れ始め
ることがわかる。この例でも本実施の形態の有効性がわ
かった。
[0077] Motion optimization includes adjustments to reduce the addition of support legs as they move off the ground. Before leaving the ground, the trunk bends toward the support legs and shifts the center of gravity. This adjustment is also found in actual human movements. Looking at the measured data on the floor load surface of a real human kick motion, before raising the leg, slightly press the ground with the raising leg, move the center of gravity of the body to the support leg, and then the leg starts to separate from the ground I understand. Also in this example, the effectiveness of the present embodiment was found.

【0078】3.3.歩行動作 歩行動作の半分のサイクルを作成した。まず最初と最後
の姿勢を特定した。図13(a)はt=0.0における
歩行の最初の姿勢、図13(b)はt=0.5における
歩行の最後の姿勢をそれぞれ示す。さらに、振り脚が地
面を離れ、かつ地面に着く時間も入力した。振り脚は、
t=0.1のときに地面を離れ、t=0.4のときに着
地するとした。最初と最後の姿勢に安定化は不要であっ
た。最適動作は、既述のごとく安定化関数の積分を最小
化することによって安定した。
3.3. Walking motion A half cycle of walking motion was created. First, the first and last positions were identified. FIG. 13A shows the first posture of walking at t = 0.0, and FIG. 13B shows the last posture of walking at t = 0.5. In addition, the time for the swing leg to leave the ground and reach the ground was also entered. The swing leg is
It is assumed that the player leaves the ground when t = 0.1 and lands when t = 0.4. No stabilization was needed for the first and last positions. The optimal operation was stabilized by minimizing the integration of the stabilization function as described above.

【0079】こうして得られた動きは、本物の人間の動
きに十分一致する次の特徴をもつ。すなわち、図14
(a)に示す骨盤の正弦軌道、体幹の振れ(スイング)
および横揺れ(ロール)である。骨盤の正弦軌道は、図
15のごとく、モーションキャプチャシステムを用いて
得られる実際の動作でも観察された。体幹の振れは、振
り脚が地面を離れる際、支持脚の負荷を低減するために
働くようである。体幹の横揺れは、振り脚が地面を離れ
るのを助け、また振り脚によって生じるトルクに対抗し
て作用する。
The motion obtained in this way has the following features that are in good agreement with real human motion. That is, FIG.
(A) Sine trajectory of pelvis, trunk swing (swing)
And roll (roll). The pelvic sinusoidal trajectory was also observed in actual motion obtained using a motion capture system, as shown in FIG. Trunk swings seem to work to reduce the load on the support legs as they swing off the ground. Trunk rolls help the swing leg to leave the ground and counteract the torque created by the swing leg.

【0080】実験では幼児モデルの歩行動作も作成し
た。各剛体のサイズおよび比率を変更した。各剛体のサ
イズに応じて、筋肉を特定するパラメータ群を推定し
た。各筋肉のPCSAは元の1/10の値に設定した。
骨盤の軌道を図14(b)に示す。この幼児の骨盤軌道
は、大人の正弦状の軌道と比べてアーチ型であった。ま
た幼児の歩行では、重心の振れが大人よりも大きかっ
た。この現象は体の各剛体のサイズ比率と筋力の弱さと
に由来する。この例は本実施の形態が異なる人物に対し
ても簡単かつ正確に適用可能であることを示している。
In the experiment, a walking motion of the infant model was also created. The size and ratio of each rigid body were changed. According to the size of each rigid body, a parameter group for specifying a muscle was estimated. The PCSA of each muscle was set to 1/10 the original value.
The pelvis trajectory is shown in FIG. The infant's pelvic trajectory was arched compared to the adult sinusoidal trajectory. Also, when walking with infants, the swing of the center of gravity was larger than that of adults. This phenomenon is derived from the size ratio of each rigid body and the weakness of muscle strength. This example shows that the present embodiment can be easily and accurately applied to different persons.

【0081】4.まとめ 経験上、人間はエネルギを最小にするように起立かつ歩
行すると考えられる。だが、この考えには科学的根拠は
なく、いまのところ直感に基づくに過ぎない。本発明で
最小筋肉動作関数から作成した動きは、本物の人間の動
きに非常に近かった。この目的関数を使用した動きの中
には、先行姿勢調整として知られる動きも現れた。
[0081] 4. Summary Experience suggests that humans stand and walk to minimize energy. However, this idea has no scientific basis and is currently based on intuition. The motion created from the minimum muscle motion function in the present invention was very close to real human motion. Among the motions using this objective function, a motion known as a preceding posture adjustment also appeared.

【0082】実験の結果、最小トルク変化等に基づく目
的関数は手の軌道ではうまくいったが、脚の自然な動き
の作成はできなかった。チャウらの提案した最小筋肉仕
事に関する目的関数もうまくいかなかった。一方、本発
明の最小筋肉動作関数は下肢のフィードフォワード制御
において良好な概算を行うことができた。
As a result of the experiment, the objective function based on the minimum torque change and the like succeeded in the trajectory of the hand, but the natural movement of the leg could not be created. The objective function for minimum muscle work proposed by Chau et al. Also failed. On the other hand, the minimum muscular motion function of the present invention was able to make a good approximation in the lower limb feedforward control.

【0083】本実施の形態のシステムは、運動競技の成
績を上げるための教育およびシミュレーションにも使用
できる。その場合、競技者たちは自分たちの筋肉がより
有効に使われ動きを学習できるので効果的である。競技
者たちは、筋肉を鍛えることで結果がどのように変化す
るかもシミュレーションすることができる。
The system of the present embodiment can be used for education and simulation for improving the performance of athletic sports. In that case, the competitors are more effective because their muscles can be used more efficiently and their movements can be learned. Competitors can also simulate how the results change as they build muscle.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 実施の形態の処理手順を示すフローチャート
である。
FIG. 1 is a flowchart illustrating a processing procedure according to an embodiment.

【図2】 実施の形態で使用する人体モデルを示す図で
ある。
FIG. 2 is a diagram showing a human body model used in the embodiment.

【図3】 3要素からなるヒル型筋肉を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a hill-shaped muscle composed of three elements.

【図4】 能動的な筋肉要素の力fceとその長さl
ce、および受動的な筋肉要素の力lpcとその長さl
pcの関係を表す図である。
FIG. 4: Active muscle element force f ce and its length l
ce and the force l pc of the passive muscular element and its length l
It is a figure showing the relationship of pc .

【図5】 図5(a)、(b)、(c)はそれぞれ腰、
膝、くるぶしの受動弾性モーメントを示す図で、図5
(a)は屈曲50度の膝の受動モーメント、図5(b)
は足裏屈曲10度、腰の角度は12度の足の受動モーメ
ント、図5(c)は膝の屈曲のないくるぶしの受動モー
メントを示す図である。
5 (a), 5 (b) and 5 (c) show waist,
FIG. 5 is a diagram showing passive elastic moments of the knee and ankle, and FIG.
(A) Passive moment of the knee at 50 degrees of flexion, FIG. 5 (b)
FIG. 5C is a diagram showing the passive moment of the foot when the sole is bent 10 degrees and the waist angle is 12 degrees, and FIG. 5C is a diagram showing the passive moment of the ankle without bending the knee.

【図6】 図6(a)は片足立ちの状態、図6(b)両
足立ちの状態を示す図である。
FIG. 6A is a diagram showing a state of standing on one leg, and FIG. 6B is a diagram showing a state of standing on both legs.

【図7】 図7(a)はうしろに反るときの不安定な姿
勢、図7(b)は安定化関数sの最小化によって安定し
た姿勢をそれぞれ示す図である。
FIG. 7A is a diagram illustrating an unstable posture when warping behind, and FIG. 7B is a diagram illustrating a stable posture by minimizing a stabilizing function s.

【図8】 図7のうしろに反る動作の軌道を示す図であ
る。
FIG. 8 is a diagram illustrating a trajectory of an operation that is backward of FIG. 7;

【図9】 図9(a)〜(d)は従来の最小トルク法で
得られたスクワット動作を示す図である。
FIGS. 9A to 9D are diagrams showing squat operations obtained by a conventional minimum torque method.

【図10】 図10(a)〜(d)は実施の形態で得ら
れたスクワット動作を示す図である。
FIGS. 10A to 10D are diagrams showing a squat operation obtained in the embodiment.

【図11】 図11(a)はキック動作の最初の姿勢、
図11(b)は安定化前のキック動作の最終姿勢をそれ
ぞれ示す図である。
FIG. 11A shows an initial posture of a kick operation;
FIG. 11B is a diagram illustrating the final posture of the kick operation before stabilization.

【図12】 図12(a)は安定化後のキック動作の最
終姿勢、図12(b)はキック動作中の下肢の軌道をそ
れぞれ示す図である。
12A is a diagram illustrating a final posture of a kick operation after stabilization, and FIG. 12B is a diagram illustrating a trajectory of a lower limb during the kick operation.

【図13】 図13(a)はt=0.0における歩行の
最初の姿勢、図13(b)はt=0.5における歩行の
最後の姿勢をそれぞれ示す図である。
13A is a diagram illustrating a first posture of walking at t = 0.0, and FIG. 13B is a diagram illustrating a last posture of walking at t = 0.5.

【図14】 図14(a)は最小筋肉動作による歩行軌
道の比較、図14(b)は幼児モデルによる軌道をそれ
ぞれ示す図である。
FIG. 14A is a diagram showing a walking trajectory based on a minimum muscle movement, and FIG. 14B is a diagram showing a trajectory based on an infant model.

【図15】 歩行中の骨盤の軌道を示す図である。FIG. 15 is a diagram illustrating a trajectory of a pelvis during walking.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−329272(JP,A) 特開 平4−270470(JP,A) 特開 平8−221599(JP,A) 特開 平6−342459(JP,A) 特開 平8−55233(JP,A) 特開 平4−195476(JP,A) 特表 平11−508491(JP,A) 特表2000−506637(JP,A) 伊藤正美,自動制御概論[下],日 本,株式会社 昭晃堂,1996年10月10 日,初版7刷,P.254−255 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G05B 13/02 G05B 13/04 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (56) References JP-A-8-329272 (JP, A) JP-A-4-270470 (JP, A) JP-A 8-221599 (JP, A) JP-A-6-221599 342459 (JP, A) JP-A-8-55233 (JP, A) JP-A-4-195476 (JP, A) JP 11-508491 (JP, A) JP 2000-506637 (JP, A) ITO Masami, Introduction to Automatic Control [below], Japan, Shokodo Co., Ltd., October 10, 1996, First Edition, 7th edition, P.E. 254-255 (58) Fields surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G05B 13/02 G05B 13/04

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 動力学を基礎に人体の動きをシミュレー
ションする方法において、最小筋肉動作関数を目的関数
とする最適制御理論に基づいて人体の動きを推定するこ
とを特徴とするシミュレーション方法。
1. A method for simulating the motion of a human body based on dynamics, wherein the motion of the human body is estimated based on an optimal control theory using a minimum muscle motion function as an objective function.
【請求項2】 請求項1に記載の方法において、前記最
小筋肉動作関数は筋肉と腱の作用を考慮して定められる
方法。
2. The method according to claim 1, wherein the minimum muscular motion function is determined in consideration of muscle and tendon effects.
【請求項3】 請求項1に記載の方法において、前記最
小筋肉動作関数は筋肉の活性レベルを考慮して定められ
る方法。
3. The method according to claim 1, wherein the minimum muscle movement function is determined in consideration of a muscle activity level.
【請求項4】 請求項1〜3のいずれかに記載の方法に
おいて、さらに人体のバランスを考慮に入れ、下肢を含
む人体の動きを推定する方法。
4. The method according to claim 1, further comprising taking into account the balance of the human body and estimating the motion of the human body including the lower limbs.
【請求項5】 請求項1〜4のいずれかに記載の方法に
おいて、推定された人体の動きをもとに人体のアニメー
ションを生成する方法。
5. The method according to claim 1, wherein an animation of the human body is generated based on the estimated motion of the human body.
【請求項6】 動力学を基礎に人体の動きをシミュレー
ションする方法において、 最小筋肉動作関数を目的関数とする最適制御理論に基づ
いてフィードフォワード制御を行い、人体の動き計算す
るステップと、 計算された動きにおいて人体の姿勢を検証するステップ
と、 姿勢に問題があれば人体の動きを修正するステップと、 を含むことを特徴とするシミュレーション方法。
6. A method for simulating the motion of a human body based on dynamics, comprising the steps of: performing feedforward control based on an optimal control theory having a minimum muscle motion function as an objective function; and calculating the motion of the human body. Verifying the posture of the human body in the motion, and correcting the motion of the human body if there is a problem with the posture.
【請求項7】 請求項6に記載の方法において、最終的
に得られた人体の動きをもとに人体のアニメーションを
生成する方法。
7. The method according to claim 6, wherein an animation of the human body is generated based on the finally obtained motion of the human body.
【請求項8】 人体の動きをアニメーション化する方法
において、動力学を基礎として人体の筋肉モデルを構築
し、最適制御理論に基づいて人体の動きを推定し、その
動きをアニメーションとして生成することを特徴とする
アニメーション生成方法。
8. A method of animating the motion of a human body, comprising constructing a muscle model of the human body based on dynamics, estimating the motion of the human body based on optimal control theory, and generating the motion as an animation. Characteristic animation generation method.
【請求項9】 請求項8に記載の方法において、前記最
適制御理論の目的関数として最小筋肉動作関数を採用す
る方法。
9. The method according to claim 8, wherein a minimum muscle motion function is adopted as an objective function of the optimal control theory.
【請求項10】 請求項9に記載の方法において、前記
最小筋肉動作関数は筋肉と腱の作用を考慮して定められ
る方法。
10. The method according to claim 9, wherein the minimum muscular motion function is determined taking into account the action of muscles and tendons.
【請求項11】 請求項9に記載の方法において、前記
最小筋肉動作関数は筋肉の活性レベルを考慮して定めら
れる方法。
11. The method according to claim 9, wherein the minimum muscle movement function is determined by considering a muscle activity level.
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