JPH09138863A - Three-dimensional motion generator - Google Patents

Three-dimensional motion generator

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JPH09138863A
JPH09138863A JP31970395A JP31970395A JPH09138863A JP H09138863 A JPH09138863 A JP H09138863A JP 31970395 A JP31970395 A JP 31970395A JP 31970395 A JP31970395 A JP 31970395A JP H09138863 A JPH09138863 A JP H09138863A
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posture
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Toshiya Naka
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To automatically decide the balance of a posture by efficiency modeling the three-dimensional movement of a complicated structure like the human so as to consider effect of gravity. SOLUTION: A skelton structure defining part 2 concretely defines the complicated skelton structure such as the human, etc., by inputting a hierarchical relation, the degree of freedom of joints and a parameter for dynamical analyzing. When the locus of the tip part of a foot is given, a skelton position specifying part 1 and a posture control part 3 decides the posture of the position of a foot part. When angular information of each joint of the foot is given, a dynamical analytic part 4 analyzes the dynamics of the foot part through the use of the analytic parameter of the linkage of the foot to generate a force and torque information on each joint of the foot. Then a balance arithmetic part 5 calculates the balance of a structure through the use of Newtonian formula. Thus a three-dimensional motion generator automatically decides the posture of an upper half of the human body when the posture of the lower half of the body is set.

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】本発明は、コンピュータグラ
フィックス(CG)を用いたCFや映画などの映像制作
分野において、人間等のように複雑な骨格構造を持つ構
造体に対して、自然な動きや姿勢変化を生成又は解析す
る3次元の動き生成装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a natural motion of a structure having a complicated skeletal structure such as a human being in the field of image production such as CF and movies using computer graphics (CG). The present invention relates to a three-dimensional motion generation device that generates or analyzes a posture change.

【0002】[0002]

【従来の技術】CGの利用分野として、TVのCMやゲ
ーム機用ソフトが注目されている。従来のCGでは計算
又は制作時間による制約から、高画質の静止画を時間を
かけて作成することに努力が注がれてきた。ところがこ
こ数年のハードウェアやソフトウェア技術の向上に伴
い、特にゲーム市場を中心にCGアニメーションが重要
視されている。
2. Description of the Related Art TV commercials and game console software have been attracting attention as fields of use of CG. In the conventional CG, efforts have been made to create a high-quality still image over time due to restrictions due to calculation or production time. However, as hardware and software technologies have improved over the last few years, CG animation has been emphasized especially in the game market.

【0003】これらの分野では、登場する人物や動物な
どに対して素早い動き又は自然な動きが要求される。T
Vや映画のアニメーション生成の分野では、従来キーフ
レーム法と呼ばれる補間方法が主流を占めており、上述
のCGアニメーション制作においても基本はこの方法を
用いている。
In these fields, quick movement or natural movement is required for appearing persons or animals. T
In the field of V and movie animation generation, an interpolation method called a key frame method has conventionally dominated, and this method is basically used also in the above-mentioned CG animation production.

【0004】ここでキーフレーム法について簡単に説明
する。時間軸方向に対して変化する画像に対して、先ず
注目する時間t0のキーフレームで登場する人間や動
物,ロボット等のキャラクタの動きをモデリングする。
同様にキーフレームからある時刻経過した時間t1(>
t0)での同じキャラクタの動きを作成して保存する。
このようにして必要な画像を、時間軸方向に必要なキー
フレームの数だけ設定する。実際にアニメーションを再
生する場合に、前述の複数のキーフレーム、即ち時間t
0,t1・・・での各キャラクタの動作の補間を、例え
ば関節位置などを線形やスプライン関数を用いて補間す
ることで、キーフレーム間の抜けたフレームでの動きを
補う。こうして連続したアニメーションを製作してい
る。
The key frame method will be briefly described below. First, the movement of a character such as a human, an animal, or a robot that appears in a key frame at a time t0 of interest is modeled for an image that changes in the time axis direction.
Similarly, a time t1 (>) when a certain time has elapsed from the key frame
Create and save the same character movement at t0).
In this way, the required images are set in the number of key frames required in the time axis direction. When actually reproducing the animation, the above-mentioned plurality of key frames, that is, the time t
By interpolating the motion of each character at 0, t1, ... By using, for example, a joint position or the like using a linear or spline function, the motion in a missing frame between key frames is compensated. In this way, a continuous animation is produced.

【0005】一般にCGキャラクタの動きには、3次元
空間におけるキャラクタの再配置や移動の軌跡を表すグ
ローバルな動きと、配置には関係ない例えば歩行動作や
運動などのローカルな動きとがある。この内、前者は先
に述べたキーフレーム法で3次元空間内でのキーとなる
時間でのそれぞれのキャラクタの基準位置を設定し、後
はその間を補間することで容易に動きの指定ができる。
ところが、例えばゴルフスイングにおける腕の振りや、
歩行動作における足の動きなどの骨格構造におけるロー
カルな動きは、キーフレーム法だけでは簡単にしかも自
然に設定するのは難しい。
Generally, the movement of a CG character includes a global movement that represents a locus of rearrangement and movement of the character in a three-dimensional space, and a local movement that is not related to the arrangement, such as a walking movement or a movement. Among these, the former can set the reference position of each character at a key time in the three-dimensional space by the above-mentioned key frame method, and then interpolate between them to easily specify the movement. .
However, for example, when swinging an arm in a golf swing,
It is difficult to set local movements in the skeletal structure such as foot movements during walking movements easily and naturally by only the key frame method.

【0006】これに対して近年、人間などの複雑な骨格
構造を持つキャラクタのローカルな運動をモデリングす
る場合に、モーションキャプチャと呼ばれる方法が用い
られつつある。これは、モデルとなる人間の体の主要部
分(関節や頭など数十点の箇所)にマーカーを付け、モ
デルに必要な運動をさせることで運動を定義する。さら
に、カメラやセンサなどの検知器を用いて、ある時間間
隔での人間の主要部分の運動を3次元座標を用いて計測
し、そのデータを用いてローカルな運動をモデリングす
るという方法である。
On the other hand, in recent years, when modeling a local motion of a character having a complicated skeletal structure such as a human, a method called motion capture is being used. This defines movement by attaching markers to the main parts of the human body (tens of points such as joints and heads) as a model, and making the model perform the necessary movement. Furthermore, it is a method of using a detector such as a camera or a sensor to measure the movement of a human main part at a certain time interval using three-dimensional coordinates, and using that data to model a local movement.

【0007】センサの種類の違いから、光学式や磁気式
のものがそれぞれ開発されている。モーションキャプチ
ャで取り込んだ人間の主要部分の運動は、骨格構造に基
づく順キネマティックス法を用いてコンピュータ上の動
きとして再現される。キネマティックス法はロボット工
学を中心に開発された技術で、リンクとジョイントで構
成した直鎖リンク構造を持つ骨格モデルにおいて、ジョ
イント部分の角度(最大3自由度)と位置(最大3自由
度)を設定することで、骨格モデルの姿勢を決定するも
のである。このキネマティックス法を、CGで作成した
骨格構造のキャラクタに適用することで、人間などの複
雑な骨格構造を自然な動きで再現することが可能になり
つつある。
Optical and magnetic sensors have been developed depending on the types of sensors. The motion of the main part of the human captured by the motion capture is reproduced as the motion on the computer by using the forward kinematics method based on the skeletal structure. The kinematics method is a technology developed mainly in robotics. In a skeleton model with a linear link structure composed of links and joints, the joint angle (maximum 3 degrees of freedom) and position (maximum 3 degrees of freedom) By setting, the posture of the skeleton model is determined. By applying this kinematics method to a character having a skeletal structure created by CG, it is becoming possible to reproduce a complicated skeletal structure of a human or the like by natural movement.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
キネマティックス法を用いた人間の運動制御では、骨格
構造を持つ人間の重心位置や基準点での方向ベクトル等
は考慮されていなかった。また、二本の足で直立歩行す
る場合などのように、両足の移動に伴うときの上半身の
バランスなどが無視されていた。このため、地面に直立
した人間の片方の足を、逆キネマティックス法を用いて
持ち上げても、体の上半身の姿勢は何も変化せず、実際
の人間の動きと比較すると不自然な姿勢となっていた。
さらに、上半身の姿勢をキネマティックス法を用いて決
定する際にも、操作するオペレータの熟練度に大きく依
存するといった問題を有していた。
However, in the conventional human motion control using the kinematics method, the position of the center of gravity of a human having a skeletal structure, the direction vector at the reference point, and the like have not been taken into consideration. In addition, the balance of the upper half of the body when moving both legs, such as when walking upright with two legs, was ignored. Therefore, even if one leg of a human standing upright on the ground is lifted using the inverse kinematics method, the posture of the upper half of the body does not change, and the posture is unnatural compared to the actual movement of a human. It was.
Further, there is a problem in that when the posture of the upper half of the body is determined by using the kinematics method, the posture greatly depends on the skill of the operating operator.

【0009】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであって、人間のような複雑な構造体に
おける3次元での運動を効率良くモデリングし、重力に
よる影響を考慮して、姿勢のバランスを自動的に決める
ようにした3次元の動き生成装置を実現することを目的
とする。
The present invention has been made in view of such conventional problems, and efficiently models a three-dimensional motion in a complicated structure such as a human and considers the influence of gravity. Thus, it is an object of the present invention to realize a three-dimensional motion generation device that automatically determines the balance of postures.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の3次元の動き生成装置では、骨格構造定義部
は人間などの複雑な構造を定義するためにスケルトンと
呼ぶ骨格構造を定義し、与えられたキャラクタにその骨
格構造を割り当てる。また、その骨格構造の各部位を包
含する体積を割り付けて、動力学(ダイナミックス)を
計算する。3次元空間内での骨格構造の一部の軌跡を与
えた場合、姿勢制御部はキネマティックスを用いて骨格
構造の姿勢を決定する。さらにバランス演算部は、骨格
構造の基準位置に働く重力を定義し、構造を支える複数
の足の姿勢又は運動が与えられた場合に、基準位置での
バランスを計算する。
In order to solve this problem, in the three-dimensional motion generating apparatus of the present invention, the skeleton structure defining unit defines a skeleton structure called a skeleton to define a complicated structure such as a human. Then, the skeletal structure is assigned to the given character. Moreover, the dynamics (dynamics) is calculated by assigning a volume including each part of the skeletal structure. When the trajectory of a part of the skeleton structure in the three-dimensional space is given, the posture control unit determines the posture of the skeleton structure using kinematics. Further, the balance calculation unit defines the gravity acting on the reference position of the skeletal structure, and calculates the balance at the reference position when a plurality of postures or movements of the feet supporting the structure are given.

【0011】これにより、複雑な構造を持ったキャラク
タの腕や足などの姿勢や動きをモデリングする際に、基
準となる位置(骨格構造のルート)に働く重力を考慮す
ることで、バランスの概念を採り入れることができる。
さらに、例えば歩行動作などをモデリングする場合に、
重力を支える複数の足の姿勢が与えられた場合に、その
足の姿勢や運動に基づき基準となる位置を中心とする力
のモーメントを計算することで、簡単かつ自然に体全体
の姿勢を決定できる。
Thus, when modeling the postures and movements of the arms and legs of a character having a complicated structure, the concept of balance is considered by considering the gravity acting on the reference position (root of the skeletal structure). Can be adopted.
Furthermore, for example, when modeling walking movements,
When multiple postures that support gravity are given, the posture of the whole body can be determined easily and naturally by calculating the moment of force centered on the reference position based on the postures and movements of the legs. it can.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】請求項1記載の発明は、関節とリ
ンクの長さ、及びそれらの三次元位置と接続関係により
骨格構造を定義する骨格構造定義部と、前記骨格構造定
義部で定義される骨格構造の各関節に対し、回転の自由
度及び任意の時刻における自由度に応じた関節の回転角
度あるいは関節の3次元座標位置を時系列で与える骨格
位置指定部と、前記骨格構造定義部で与えられる骨格構
造、及び前記骨格位置指定部で与えられる任意の関節の
角度情報から、任意の時刻における関節の位置を逆運動
学に基づいて求める姿勢制御部と、前記骨格構造定義部
で定義される任意の時刻における関節の各リンクに対し
て、質量中心と容積を設定してリンク毎の動力学特性を
計算し、更に骨格構造の動力学特性計算から求めた各関
節のトルク特性を、骨格構造のエネルギ最小化あるいは
仕事量最小化の評価関数に基づいて変更し、変更された
後の各関節のトルク特性を基に、順動力学演算を用いて
関節角度に変換する動力学解析部と、を具備することを
特徴とするものである。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The invention according to claim 1 defines a skeleton structure defining section for defining a skeleton structure by the lengths of joints and links, and their three-dimensional positions and connection relationships, and the skeleton structure defining section. For each joint of the skeletal structure described above, a skeletal position designating unit that gives a rotational angle of the joint or a three-dimensional coordinate position of the joint in time series according to the degree of freedom of rotation and the degree of freedom at any time, and the skeletal structure definition From the skeleton structure given by the section and the angle information of the arbitrary joint given by the skeleton position specifying section, the posture control section for obtaining the position of the joint at any time based on inverse kinematics, and the skeletal structure defining section For each link of the joint at any defined time, set the center of mass and volume, calculate the dynamic characteristics of each link, and then calculate the torque characteristics of each joint obtained from the dynamic characteristics calculation of the skeletal structure. A dynamic analysis unit that changes based on the evaluation function of energy minimization or work minimization of the skeletal structure, and based on the changed torque characteristics of each joint, converts it into a joint angle using forward dynamics calculation. And are provided.

【0013】このような構成により、動力学解析部は骨
格構造定義部で定義される任意の時刻における関節の各
リンクに対して、質量中心と容積を設定してリンク毎の
動力学特性を計算する。更に骨格構造の動力学特性計算
から求めた各関節のトルク特性を、骨格構造のエネルギ
最小化あるいは仕事量最小化の評価関数に基づいて変更
し、変更された後の各関節のトルク特性を基に、順動力
学演算を用いて関節角度に変換する。
With such a structure, the dynamic analysis unit sets the center of mass and volume for each link of the joint at any time defined by the skeleton structure definition unit, and calculates the dynamic characteristics of each link. To do. Furthermore, the torque characteristics of each joint obtained from the calculation of the dynamic characteristics of the skeletal structure are changed based on the evaluation function of energy minimization or work minimization of the skeletal structure, and the torque characteristics of each joint after the change are changed. Then, the joint angle is converted using forward dynamics calculation.

【0014】請求項2記載の発明は、関節とリンクの長
さ、及びそれらの三次元位置と接続関係によりキャラク
タの骨格構造を定義する骨格構造定義部と、前記骨格構
造定義部で定義される骨格構造の各関節に対し、回転の
自由度及び任意の時刻における自由度に応じた関節の回
転角度あるいは関節の3次元座標位置を時系列で与える
骨格位置指定部と、前記骨格構造定義部で与えられる骨
格構造、及び前記骨格位置指定部で与えられる任意の関
節の角度情報から、任意の時刻における関節の位置を逆
運動学に基づいて求める姿勢制御部と、前記骨格構造定
義部で定義される関節の各リンクに対して、骨格構造の
体重を支える複数の足に含まれる任意の関節の軌跡が与
えられた場合に、前記姿勢制御部で逆運動学に基づいて
足の姿勢を計算し、更にその結果を用いた動力学計算に
基づいて骨格構造の複数の足の付け根に働くトルクを計
算する動力学解析部と、骨格構造の基準となるルート位
置と複数の足の付け根を含む直線又は平面に対して、力
とモーメントとの平衡式を夫々求め、その関係式を解く
ことで骨格構造の上半身の姿勢を決定するバランス演算
部と、を具備することを特徴とするものである。
According to a second aspect of the present invention, a skeleton structure defining section for defining a skeleton structure of a character by the lengths of joints and links, and their three-dimensional positions and connection relationships, and the skeleton structure defining section are defined. For each joint of the skeletal structure, a skeletal position specifying unit that gives a rotational angle of the joint or a three-dimensional coordinate position of the joint in time series according to the degree of freedom of rotation and the degree of freedom at any time, and the skeletal structure defining unit. Defined by the skeletal structure definition unit and a posture control unit that determines the position of the joint at an arbitrary time based on the inverse kinematics from the given skeletal structure and the angle information of the arbitrary joint given by the skeleton position designation unit. When the trajectory of an arbitrary joint included in a plurality of legs supporting the weight of the skeletal structure is given to each link of the joint, the posture control unit calculates the posture of the foot based on inverse kinematics. Furthermore, based on the dynamics calculation using the results, a dynamics analysis unit that calculates the torque acting on the bases of the legs of the skeletal structure, a straight line including the root position and the bases of the legs that is the reference of the skeletal structure, or It is characterized by further comprising: a balance calculation unit that determines balance equations of force and moment with respect to a plane and solves the relational equations to determine the posture of the upper half of the skeleton structure.

【0015】このような構成により、動力学解析部は骨
格構造定義部で定義される関節の各リンクに対して、骨
格構造の体重を支える複数の足に含まれる任意の関節の
軌跡が与えられた場合に、姿勢制御部で逆運動学に基づ
いて足の姿勢を計算する。更にその結果を用いた動力学
計算に基づいて、骨格構造の複数の足の付け根に働くト
ルクを計算する。バランス演算部は骨格構造の基準とな
るルート位置と複数の足の付け根を含む直線又は平面に
対して、力とモーメントとの平衡式を夫々求め、その関
係式を解くことで骨格構造の上半身の姿勢を決定する。
With such a configuration, the dynamic analysis unit gives a trajectory of an arbitrary joint included in a plurality of legs supporting the weight of the skeletal structure to each link of the joint defined by the skeletal structure defining unit. In this case, the posture control unit calculates the posture of the foot based on the inverse kinematics. Further, based on the dynamics calculation using the results, the torques acting on the bases of the legs of the skeletal structure are calculated. The balance calculation unit finds balance equations of force and moment with respect to a straight line or a plane including the root position of the skeleton structure and the roots of a plurality of feet, and solves the relational expression to determine the upper body of the skeleton structure. Determine your posture.

【0016】請求項3記載の発明は、関節とリンクの長
さ、及びそれらの三次元位置と接続関係によりキャラク
タの骨格構造を定義する骨格構造定義部と、前記骨格構
造定義部で定義される骨格構造の各関節に対し、回転の
自由度及び任意の時刻における自由度に応じた関節の回
転角度あるいは関節の3次元座標位置を時系列で与える
骨格位置指定部と、前記骨格構造定義部で与えられる骨
格構造、及び前記骨格位置指定部で与えられる任意の関
節の角度情報から、任意の時刻における関節の位置を逆
運動学に基づいて求める姿勢制御部と、前記骨格構造定
義部で定義される関節の各リンクに対して、骨格構造の
体重を支える複数の足及び手、首に含まれる関節の軌跡
が与えられた場合に、前記姿勢制御部での逆運動学に基
づいて足及び手、首の姿勢を計算し、更にその結果を用
いた動力学計算に基づいて、骨格構造の複数の足の付け
根および手、首の付け根に働く力やトルクを計算する動
力学解析部と、体の基準となるルート位置と前記複数の
足の付け根及び手、首の付け根を含む平面に対して、力
とモーメントの平衡式を夫々求め、その関係式を解くこ
とで骨格構造全体の上半身の姿勢を決定するバランス演
算部と、を具備することを特徴とするものである。
According to a third aspect of the present invention, a skeleton structure defining section that defines a skeleton structure of a character by the lengths of joints and links, and their three-dimensional positions and connection relationships, and the skeleton structure defining section are defined. For each joint of the skeletal structure, a skeletal position specifying unit that gives a rotational angle of the joint or a three-dimensional coordinate position of the joint in time series according to the degree of freedom of rotation and the degree of freedom at any time, and the skeletal structure defining unit. Defined by the skeletal structure definition unit and a posture control unit that determines the position of the joint at an arbitrary time based on the inverse kinematics from the given skeletal structure and the angle information of the arbitrary joint given by the skeleton position designation unit. When a plurality of legs and hands that support the weight of the skeletal structure and joint loci included in the neck are given to each link of the joints, the legs and hands are calculated based on the inverse kinematics in the posture control unit. , The posture of the body is calculated, and based on the calculated dynamics, the dynamics analysis unit that calculates the forces and torques that act on the bases of the legs, hands, and neck of the skeletal structure, and the body reference The position of the upper body of the entire skeletal structure is determined by finding the equilibrium equations of force and moment for the plane including the root position and the bases of the feet and the hands and neck, and solving the relational expressions. And a balance calculation unit for performing the same.

【0017】このような構成により、動力学解析部は骨
格構造定義部で定義される関節の各リンクに対して、骨
格構造の体重を支える複数の足及び手、首に含まれる関
節の軌跡が与えられた場合に、姿勢制御部での逆運動学
に基づいて足及び手、首の姿勢を計算する。更にその結
果を用いた動力学計算に基づいて、骨格構造の複数の足
の付け根および手、首の付け根に働く力やトルクを計算
する。バランス演算部は体の基準となるルート位置と複
数の足の付け根及び手、首の付け根を含む平面に対し
て、力とモーメントの平衡式を夫々求め、その関係式を
解くことで骨格構造全体の上半身の姿勢を決定する。
With such a configuration, the dynamic analysis unit determines, for each link of the joint defined by the skeletal structure defining unit, the trajectory of the joints included in a plurality of feet, hands and necks that support the weight of the skeletal structure. When given, the postures of the foot, hand, and neck are calculated based on the inverse kinematics in the posture control unit. Furthermore, based on the dynamics calculation using the results, the forces and torques acting on the bases of the feet, hands and neck of the skeletal structure are calculated. The balance calculation unit finds the equilibrium equations of force and moment on the plane including the root position of the body and the roots of the feet, hands and neck, and solves the relational expressions to solve the entire skeletal structure. Determine the upper body posture.

【0018】本発明の一実施形態の3次元の動き生成装
置について、図面を参照しながら説明する。図1は本実
施形態における3次元の動き生成装置の基本構成を示す
ブロック図である。また図2は人間のスケルトン構造を
示す説明図、図3は動力学解析用のリンク構造を示す
図、図4は基本的な人間の下半身の骨格構造を示す図、
図5は人間の下半身の力とモーメントのつり合いを示す
図、図6は人間の全身の力とモーメントのつり合いの説
明図である。図1において3次元の動き生成装置は、骨
格位置指定部1、骨格構造定義部2、姿勢制御部3、動
力学解析部4、バランス演算部5を含んで構成される。
A three-dimensional motion generation apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the basic configuration of a three-dimensional motion generation device according to this embodiment. 2 is an explanatory view showing a human skeleton structure, FIG. 3 is a view showing a link structure for dynamic analysis, and FIG. 4 is a view showing a basic human lower body skeleton structure.
FIG. 5 is a diagram showing the balance of forces and moments of the lower body of a human, and FIG. 6 is an explanatory diagram of the balance of forces and moments of the whole human body. In FIG. 1, the three-dimensional motion generation device includes a skeleton position designation unit 1, a skeleton structure definition unit 2, a posture control unit 3, a dynamics analysis unit 4, and a balance calculation unit 5.

【0019】このように構成された3次元の動き生成装
置の動作について、図1〜図6を用いて説明する。まず
骨格位置指定部1では、図2に示すように人間等の複雑
な構造体をスケルトンと呼ぶ関節構造で定義し、その関
節(ジョイントとも呼ぶ)の3次元座標位置又は関節の
角度情報(方向)の時間変化量を時系列のデータとして
与える。データにはリンクの名前(Segment)や
フレームの数、フレームのレート(例では毎秒30フレ
ーム)、及びその関節の位置(Xtran,Ytra
n,Ztran)、角度(Xrot,Yrot,Zro
t)やスケール(Xscale,Yscale,Zsc
ale)がある。これらのデータをフレーム数だけ時系
列として与える。一般にはモーションキャプチャシステ
ムなどを用いて、モデルとなる人間の主要な関節位置、
例えば肘や手首などに磁気式や光学式のマーカーを取り
付けて運動させ、マーカーの位置の3次元空間内での軌
跡情報から前述したデータを求めることもできる。
The operation of the three-dimensional motion generating apparatus thus constructed will be described with reference to FIGS. First, in the skeleton position designation unit 1, as shown in FIG. 2, a complex structure such as a human is defined by a joint structure called a skeleton, and three-dimensional coordinate positions of the joint (also called a joint) or angle information (direction) of the joint. ) Is given as time series data. The data includes the name of the link (Segment), the number of frames, the frame rate (30 frames per second in the example), and the position of the joint (Xtran, Ytra).
n, Ztran), angle (Xrot, Yrot, Zro
t) and scale (Xscale, Yscale, Zsc
ale). These data are given as a time series by the number of frames. In general, using a motion capture system, etc., the main joint positions of the model human,
For example, it is also possible to attach a magnetic or optical marker to an elbow, a wrist, or the like and move the marker to obtain the above-mentioned data from locus information in the three-dimensional space of the marker position.

【0020】次に、骨格構造定義部2では人間などのキ
ャラクタのスケルトン構造を定義する。図2(b)は標
準的な人間のスケルトン構造のモデル図である。図2
(a)、(b)の黒丸で示した部分が関節(ジョイン
ト)に当たる部分で、その間を結ぶ直線をリンクと呼
ぶ。図2のスケルトン構造で必要となるのは、ルートを
基準位置とし、各リンクの親子関係、各ジョイントの位
置関係、最大3自由度の回転の自由度、回転角度の制限
などである。骨格構造定義部2ではこれから解析するス
ケルトンの構造を図2のような階層関係と初期値(リン
クの長さ)などで表現し、内部メモリに保持する。姿勢
制御部3では、骨格構造定義部2で定義された解析用の
データ構造を用いて、スケルトンの姿勢の解析をキネマ
ティックスを用いて行なう。
Next, the skeleton structure defining unit 2 defines a skeleton structure of a character such as a human. FIG. 2B is a model diagram of a standard human skeleton structure. FIG.
The portions indicated by black circles in (a) and (b) are portions corresponding to joints, and straight lines connecting the joints are called links. The skeleton structure of FIG. 2 requires the root as a reference position, the parent-child relationship of each link, the positional relationship of each joint, the degree of freedom of rotation with a maximum of three degrees of freedom, and the limitation of the rotation angle. The skeleton structure definition unit 2 expresses the structure of the skeleton to be analyzed from now on by the hierarchical relationship and the initial value (link length) as shown in FIG. 2, and holds it in the internal memory. The posture control unit 3 uses the data structure for analysis defined by the skeleton structure definition unit 2 to analyze the posture of the skeleton using kinematics.

【0021】次に基本的な姿勢解析方法について説明す
る。姿勢解析は従来からロボットアームなどの姿勢制御
に用いられている方法を応用する。図2(a)のような
ジョイントとリンクで表された開ループの直鎖リンク構
造において、解析の基準となるジョイントをルートと呼
び、解析用の座標系の原点をルートに一致させる。なお
座標系は以後右手系とする。また、解析の端点をエフェ
クタと呼び、一般にはアームの先端とする。
Next, a basic posture analysis method will be described. Posture analysis applies the method that has been used for posture control of robot arms. In the open-loop linear link structure represented by joints and links as shown in FIG. 2A, the joint that is the reference of analysis is called a root, and the origin of the coordinate system for analysis is made to coincide with the root. The coordinate system will be referred to as the right-handed system hereinafter. The end point of analysis is called an effector, and is generally the tip of the arm.

【0022】姿勢制御に必要な情報はリンクの親子関係
とスケルトン構造の初期位置、各ジョイントの回転の最
大3の自由度と各ジョイントの回転角の制限である。あ
るスケルトン構造について、エフェクタ部分の軌跡の時
間変化として、例えば平行移動3要素と回転3要素との
計6要素が与えられた場合に、各ジョイントの角度情報
を求める方法を逆キネマティックスと呼ぶ。逆に各ジョ
イントの角度の微小時間変化が与えられた場合に、エフ
ェクタの位置を求める方法を順キネマティックスと呼
ぶ。キネマティックスの詳細については、参考文献とし
て1)広瀬著の「ロボット工学」(裳華房)、2)有本
著の「ロボットの力学と制御」(朝倉書店)にその内容
がそれぞれ報告されている。
The information necessary for attitude control is the parent-child relationship of links, the initial position of the skeleton structure, the maximum three degrees of freedom of rotation of each joint, and the limitation of the rotation angle of each joint. For a certain skeleton structure, a method of obtaining angle information of each joint is called inverse kinematics when a total of 6 elements, that is, 3 elements for translation and 3 elements for rotation, are given as the temporal change of the trajectory of the effector part. . On the contrary, the method of obtaining the position of the effector when a slight time change of the angle of each joint is given is called forward kinematics. For details of kinematics, refer to 1) "Robot Engineering" by Hirose (Sokabo), 2) "Mechanics and Control of Robots" by Arimoto (Asakura Shoten) as references. ing.

【0023】一般に図2で表されるスケルトン構造の各
ジョイントの角度情報θi(t)、正確には微小時間変
化量と、エフェクタの姿勢の最大6変数の微小変化量と
は線形の関係があり、その比例係数行列はヤコビ行列と
呼ばれ、逆の関係は逆ヤコビ行列と呼ばれる。順キネマ
ティックスでは、図1の姿勢制御部3において図2に示
したスケルトン構造からリンクの長さと各ジョイントの
回転行列を逐次的に求めることでヤコビ行列が決まる。
さらに、骨格位置指定部1から各関節の角度変化の時系
列データを与えることで、ある時刻におけるエフェクタ
の位置を、ヤコビ行列を用いて一意に決定することがで
きる。
Generally, there is a linear relationship between the angle information θi (t) of each joint of the skeleton structure shown in FIG. 2, more precisely, the minute time change amount and the minute change amount of the maximum 6 variables of the effector posture. , Its proportional coefficient matrix is called the Jacobian matrix, and the inverse relationship is called the inverse Jacobian matrix. In the forward kinematics, the Jacobian matrix is determined by sequentially obtaining the link length and the rotation matrix of each joint from the skeleton structure shown in FIG. 2 in the posture control unit 3 of FIG.
Furthermore, by providing the time-series data of the angle change of each joint from the skeleton position designation unit 1, the position of the effector at a certain time can be uniquely determined using the Jacobian matrix.

【0024】一方、逆キネマティックスでは、逆ヤコビ
行列を数学的、例えば「はきだし法」などで求めて、そ
れに骨格位置指定部1で与えられるエフェクタの3次元
座標を作用させることで、各時刻における任意のジョイ
ントの位置を求めることができる。
On the other hand, in inverse kinematics, the inverse Jacobian matrix is calculated mathematically, for example, by the "bare-out method", and the three-dimensional coordinates of the effector given by the skeleton position designating unit 1 are applied to it, so that each time The position of any joint in can be determined.

【0025】図1の動力学解析部4では、図2に示すス
ケルトン構造の各リンクとして図3に示すような解析用
の楕円筒を考える。但し計算の容易さのために円筒とし
てもよい。動力学解析には、円筒の形状の慣性テンソ
ル、重心位置、質量などが必要である。このため解析用
のリンクを用いて、まずリンクの慣性テンソルを計算す
る。計算の原点としてリンクに対してルートに近いジョ
イントの位置に座標系をおく。さらに各リンク構造の運
動エネルギとポテンシャルエネルギの和をラグランジア
ンとして計算し、このラグランジアンを時間で微分する
ことで、図2に示したスケルトン構造の各ジョイントに
働くトルクを計算する。これ以外に、図3に示すスケル
トン構造の直交座標系に対して力のつり合いとモーメン
トの関係式を立て、各関節に働く力を計算するというN
ewton−Euler法でも求めることができる。詳
しくは広瀬著の「ロボット工学」(裳華房)に記されて
いる。
In the dynamic analysis unit 4 of FIG. 1, an elliptic cylinder for analysis as shown in FIG. 3 is considered as each link of the skeleton structure shown in FIG. However, a cylinder may be used for ease of calculation. For the dynamic analysis, the inertia tensor of the cylindrical shape, the position of the center of gravity, the mass, etc. are required. Therefore, using the link for analysis, first calculate the inertia tensor of the link. As the origin of the calculation, the coordinate system is set at the position of the joint near the root with respect to the link. Further, the sum of the kinetic energy and potential energy of each link structure is calculated as a Lagrangian, and this Lagrangian is differentiated with respect to time to calculate the torque acting on each joint of the skeleton structure shown in FIG. In addition to this, the force acting on each joint is calculated by establishing a relational expression of force balance and moment with respect to the orthogonal coordinate system of the skeleton structure shown in FIG.
It can also be obtained by the Ewton-Euler method. For details, see Hirose's "Robot Engineering" (Sokabo).

【0026】以上のように動力学解析部4では、骨格位
置指定部1で与えられる骨格の3次元空間内での軌跡か
ら、その運動に伴う各ジョイント部の力及びトルクを計
算する。例えば、モーションキャプチャなどで得られる
人間のゴルフスイングなどの時間データに、上述のダイ
ナミックス計算を施すことで、あるスイングにおける任
意のジョイントに働くトルク特性を計算できる。さら
に、計算された各ジョイントのトルク特性を、エネルギ
ーの最小化又は仕事量の最小化の評価関数に基づいて変
更し、順ダイナミックスで関節の角度に変換することも
可能である。ここでの仕事量は、計算の対象となる骨格
構造の各関節のトルク値と、関節の角度の微小変化量の
積で、それを全ての関節に関して足し合わせたものであ
る。また、エネルギ最小化では、各関節の角度の微小変
化量の2乗和を評価関数にする。
As described above, the dynamics analysis unit 4 calculates the force and torque of each joint portion associated with the movement from the trajectory of the skeleton in the three-dimensional space given by the skeleton position designation unit 1. For example, by applying the above-described dynamics calculation to time data such as a golf swing of a human obtained by motion capture or the like, the torque characteristic acting on an arbitrary joint in a certain swing can be calculated. Further, it is also possible to change the calculated torque characteristic of each joint based on the evaluation function of energy minimization or work minimization, and convert it into a joint angle with forward dynamics. The work here is the product of the torque value of each joint of the skeletal structure to be calculated and the minute change amount of the joint angle, and is the sum of all joints. In the energy minimization, the sum of squares of the minute changes in the angles of the joints is used as the evaluation function.

【0027】このように(1)ある関節構造の姿勢を逆
キネマティックスを用いて決定する。(2)その運動か
ら逆ダイナミックスを用いてトルク特性を計算する。
(3)上述の評価関数に基づいてトルク特性を変更す
る。(4)そのトルク特性から順ダイナミックス法で各
ジョイントの角度データに変換するシーケンスを、姿勢
制御部3と動力学解析部4とで計算する。つまり図1の
点線で囲まれた部分で、与えられた軌跡に対する動力学
を考慮した運動の補正が可能となる。
As described above, (1) the posture of a joint structure is determined by using inverse kinematics. (2) The torque characteristic is calculated from the motion using inverse dynamics.
(3) The torque characteristic is changed based on the above evaluation function. (4) The posture control unit 3 and the dynamics analysis unit 4 calculate a sequence for converting the torque characteristics into angle data of each joint by the forward dynamics method. That is, in the portion surrounded by the dotted line in FIG. 1, it becomes possible to correct the motion considering the dynamics with respect to the given trajectory.

【0028】次に、以上のようにして求めたスケルトン
構造の運動あるいは姿勢に対し、重力の影響を考慮した
体全体の姿勢(バランス)の決め方について説明する。
図1のバランス演算部5でこの姿勢を決定する。一般に
上述した従来のキネマティックス法では、ルートとなる
ジョイントを基準とし、そこからの相対位置で手足など
の姿勢を決定する。
Next, with respect to the motion or posture of the skeleton structure obtained as described above, how to determine the posture (balance) of the whole body in consideration of the influence of gravity will be described.
The balance calculation unit 5 in FIG. 1 determines this posture. Generally, in the conventional kinematics method described above, a joint serving as a root is used as a reference, and a posture such as a limb is determined by a relative position from the joint.

【0029】先ず図4を例に従来の逆キネマティックス
を説明する。図4(a)は人間のスケルトン構造の下半
身部分における初期状態を示したものである。ジョイン
トの姿勢をある時刻でのジョイントの角度とすると、逆
キネマティックス法では図4(b)に示すように左足先
の3次元空間内での軌跡を与えた場合、左足首、左膝、
左足付け根の各ジョイントの姿勢を求めることは可能で
ある。この場合、左足又は右足のキネマティックス計算
の基準位置、即ちルートとなる所は図中の◎印で示す足
の付け根である。従って図4(b)に示すように左足の
先端部分の軌跡を決めても、基準位置の姿勢は変化しな
い。
First, the conventional inverse kinematics will be described with reference to FIG. 4 as an example. FIG. 4A shows the initial state in the lower half of the human skeleton structure. Assuming that the posture of the joint is the angle of the joint at a certain time, in the inverse kinematics method, when the trajectory of the left toe in the three-dimensional space is given as shown in FIG. 4B, the left ankle, the left knee,
It is possible to determine the posture of each joint of the left foot joint. In this case, the reference position for the kinematics calculation of the left foot or the right foot, that is, the root position is the base of the foot indicated by a double circle in the figure. Therefore, even if the locus of the tip portion of the left foot is determined as shown in FIG. 4B, the posture of the reference position does not change.

【0030】このことは、定性的には従来のキネマティ
ックスだけでは人間の骨格モデルで片方の足を持ち上げ
てその位置を決めても、上半身や手などの姿勢には全く
影響しないことを意味する。このような結果を一次的に
回避するには、キネマティックスの計算範囲をルートを
跨って指定する方法が考えられる。しかし、この方法で
も人間の一方の足から両手の先端や頭の先端など、全て
に渡って計算の範囲を定義し、人間の体全体の自然な姿
勢を決定するには非常に熟練を必要とする。
Qualitatively, this means that conventional kinematics alone has no effect on the posture of the upper body or hands even if one leg is lifted and its position is determined in the human skeleton model. To do. In order to avoid such a result temporarily, it is possible to specify the calculation range of kinematics across routes. However, even with this method, it requires a great deal of skill to define the calculation range from one foot of the human to the tips of both hands and the tip of the head, and to determine the natural posture of the entire human body. To do.

【0031】これらの欠点を簡単に回避するため、骨格
の各部に働く重力やトルクとそれらのつり合いとを考慮
した姿勢の決定法について次に説明する。ここでは人間
のように2足で歩行する構造体を例に説明するが、それ
以上の数の足で移動するものについても全く同様であ
る。図5は人間の両足に働く力とそのバランスを示す説
明図である。この図は、図4の人間の左足の軌跡を与え
た場合、上半身は一般に右の方向に傾き、その平衡状態
を示したものである。さらにこのバランス関係を定量的
に示した関係式が(1)〜(3)式である。
In order to easily avoid these drawbacks, a method of determining a posture in consideration of gravity and torque acting on each part of the skeleton and their balance will be described below. Here, a structure that walks on two legs like a human will be described as an example, but the same applies to a structure that moves with more legs. FIG. 5: is explanatory drawing which shows the force which acts on both legs of a human, and its balance. This figure shows an equilibrium state in which the upper half of the body generally tilts to the right when the locus of the human left foot of FIG. 4 is given. Further, relational expressions quantitatively showing this balance relation are equations (1) to (3).

【数1】 (Equation 1)

【0032】(1)〜(3)式では、簡単のためにXY
平面等の2次元平面での運動のみを考慮しているが、Z
軸方向の運動が入っても全く同様に式を拡張できる。こ
れらの式の内、(1)及び(2)式はNewtonの式
と呼ばれるもので、それぞれX方向とY方向の力のつり
合い関係を示す運動方程式である。ここでmは骨格全体
の質量、f1、f2はそれぞれの足に働く力、τは両足
の付け根のトルク(回転モーメント)、l1は左足の長
さ、l2は右足の長さ、dは重心位置(◎印)から両足
までの距離をそれぞれ表す。またθ1は左足の基準線と
なす角度、θ2は右足の基準線となす角度である。また
φは寛骨の水平方向に対する傾きである。
In equations (1) to (3), XY is used for simplicity.
Considering only the movement in a two-dimensional plane such as a plane, Z
The formula can be extended in exactly the same way even when an axial movement is entered. Among these equations, the equations (1) and (2) are called Newton's equations, and are equations of motion showing the balance relationship between the forces in the X direction and the Y direction, respectively. Where m is the mass of the entire skeleton, f1 and f2 are the forces acting on each foot, τ is the torque (rotational moment) at the base of both feet, l1 is the length of the left foot, l2 is the length of the right foot, and d is the position of the center of gravity. Shows the distance from (double circle) to both feet. Further, θ1 is an angle formed with the reference line of the left foot, and θ2 is an angle formed with the reference line of the right foot. Further, φ is the inclination of the hipbone with respect to the horizontal direction.

【0033】さらに、(3)式はEulerの式と呼ば
れ、骨格の関節部分での回転によって生じるモーメント
の釣り合いを表す式である。ここでIは体の部分の重心
回り、例えば図5の重心位置の慣性テンソルを表す。ま
た文字右上のダッシュ記号は時間での微分演算である。
Further, the expression (3) is called the Euler's expression, and is an expression showing the balance of moments generated by the rotation at the joint part of the skeleton. Here, I represents the center of gravity of the body part, for example, the inertia tensor at the center of gravity in FIG. Also, the dash symbol on the upper right of the character is a differential operation in time.

【0034】図4(a)に示した人間の骨格モデルに対
して、例えば右足の軌跡が与えられたとき、右足の付け
根に働くトルクτと力fは、図1の動力学解析部4で求
める。これらの値からある時刻におけるつり合いの式を
計算することで、θとφを求めることが可能となる。つ
まり人間の骨格構造の姿勢方向Pが一意に決定できる。
With respect to the human skeleton model shown in FIG. 4A, when the locus of the right foot is given, for example, the torque τ and the force f acting on the base of the right foot are calculated by the dynamic analysis unit 4 of FIG. Ask. By calculating the balance equation at a certain time from these values, θ and φ can be obtained. That is, the posture direction P of the human skeletal structure can be uniquely determined.

【0035】上の例では説明を簡略化するため人間の下
半身についてのみ示したが、図6に示すように両手と首
を含んだバランスについても、一点鎖線で囲まれた平面
内で(1)〜(3)と同様の関係式を立てて、手や足の
姿勢が与えられた場合の体全体の方向を決定することが
できる。その場合、Z軸方向の成分も考慮した3次元空
間内でのバランス問題も、(1)〜(3)を同様に拡張
することで求めることができる。
In the above example, only the lower half of the human body is shown for the sake of simplification of the description, but as shown in FIG. 6, the balance including both hands and the neck is within the plane surrounded by the one-dot chain line (1). It is possible to determine the direction of the whole body when the postures of the hands and feet are given by establishing a relational expression similar to (3). In that case, the balance problem in the three-dimensional space that also considers the component in the Z-axis direction can be obtained by similarly expanding (1) to (3).

【0036】以上のように本実施形態の3次元の動き生
成装置では、図7に示すように、ステップS1で骨格構
造定義部2が人間等の複雑な骨格構造を図2のように定
義する。このとき階層関係、関節の自由度、動解析用の
パラータを入力する。次のステップS2では、骨格位置
指定部1と姿勢制御部3は、足の先端部の軌跡が与えら
れると、足の部分の姿勢を決定する。この結果、足の各
関節の角度情報が出力される。ステップS3では、動力
学解析部4は足の各関節の角度情報が与えられると、足
のリンクの解析パラメータを用いて足の部分の動力学を
解析する。そして足の各関節の力及びトルク情報を生成
する。ステップS4では、バランス演算部5がNewt
on・Eulerの式を用いてバランス計算をする。こ
うして下半身の姿勢を設定すると、人間の上半身の姿勢
が自動的に決定される。尚本実施形態では、複雑な骨格
構造を有する人間について説明したが、人間以外のキャ
ラクタでもよい。
As described above, in the three-dimensional motion generation apparatus of this embodiment, as shown in FIG. 7, the skeleton structure defining unit 2 defines a complicated skeleton structure such as a human being in step S1 as shown in FIG. . At this time, the hierarchical relation, the degree of freedom of the joint, and the parameters for the dynamic analysis are input. In the next step S2, the skeleton position specifying unit 1 and the posture control unit 3 determine the posture of the foot portion when the trajectory of the tip of the foot is given. As a result, the angle information of each joint of the foot is output. In step S3, when the angle information of each joint of the foot is given, the dynamic analysis unit 4 analyzes the dynamics of the foot using the analysis parameters of the link of the foot. Then, the force and torque information of each joint of the foot is generated. In step S4, the balance calculation unit 5 causes the Newt
Balance calculation is performed using the on-Euler formula. By setting the posture of the lower body in this way, the posture of the upper body of a human being is automatically determined. In this embodiment, a human having a complicated skeletal structure has been described, but a character other than a human may be used.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上のように本発明は、人間等のキャラ
クタの腕や足などの複雑な構造の3次元での動きデータ
を作成する場合に、その骨格構造を定義し、その構造の
一部、例えば手や足などの軌跡が与えられた時に、手足
に働くトルクや力などを動力学解析によって計算し、さ
らにその結果を基に体重を支える基準一での力とモーメ
ントのつり合い関係を計算することで、あたかもキャラ
クタが直立しながら足を上げた時の姿勢や階段などを登
る時の姿勢などを簡単かつ自然に決定できる。
As described above, according to the present invention, when three-dimensional motion data of a complicated structure such as an arm or a foot of a character such as a human being is created, its skeletal structure is defined and one of the structures is defined. When a trajectory of a part, such as a hand or a foot, is given, the torque or force acting on the limb is calculated by dynamic analysis, and based on the result, the equilibrium relationship between the force and the moment at the standard for supporting the weight is calculated. By the calculation, it is possible to easily and naturally determine the posture when the character stands upright and the legs are raised, or the posture when climbing stairs.

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

【図1】本発明の一実施形態における3次元の動き生成
装置の基本構成を示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of a three-dimensional motion generation device according to an embodiment of the present invention.

【図2】人間のスケルトン構造の一例を示す説明図であ
る。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of a human skeleton structure.

【図3】動力学解析用のリンク構造を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a link structure for dynamic analysis.

【図4】基本的な人間の下半身の骨格構造を示す説明図
である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the basic skeletal structure of the lower half of the human body.

【図5】基本的な人間の下半身の力とモーメントのつり
合いを示す説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a basic balance between a lower body force and a moment.

【図6】基本的な人間の全身の力とモーメントのつり合
いを示す説明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a basic equilibrium between forces and moments of a whole human body.

【図7】本実施形態の3次元の動き生成装置の信号処理
を示す説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing signal processing of the three-dimensional motion generation device of this embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 骨格位置指定部 2 骨格構造定義部 3 姿勢制御部 4 動力学解析部 5 バランス演算部 1 Skeleton position designation unit 2 Skeleton structure definition unit 3 Posture control unit 4 Dynamics analysis unit 5 Balance calculation unit

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 関節とリンクの長さ、及びそれらの三次
元位置と接続関係により骨格構造を定義する骨格構造定
義部と、 前記骨格構造定義部で定義される骨格構造の各関節に対
し、回転の自由度及び任意の時刻における自由度に応じ
た関節の回転角度あるいは関節の3次元座標位置を時系
列で与える骨格位置指定部と、 前記骨格構造定義部で与えられる骨格構造、及び前記骨
格位置指定部で与えられる任意の関節の角度情報から、
任意の時刻における関節の位置を逆運動学に基づいて求
める姿勢制御部と、 前記骨格構造定義部で定義される任意の時刻における関
節の各リンクに対して、質量中心と容積を設定してリン
ク毎の動力学特性を計算し、更に骨格構造の動力学特性
計算から求めた各関節のトルク特性を、骨格構造のエネ
ルギ最小化あるいは仕事量最小化の評価関数に基づいて
変更し、変更された後の各関節のトルク特性を基に、順
動力学演算を用いて関節角度に変換する動力学解析部
と、を具備することを特徴とする3次元の動き生成装
置。
1. A skeletal structure defining unit that defines a skeletal structure by the lengths of joints and links, and their three-dimensional positions and connection relationships, and for each joint of the skeletal structure defined by the skeletal structure defining unit, A skeleton position specifying unit that gives a rotation angle of the joint or a three-dimensional coordinate position of the joint in time series according to the degree of freedom of rotation and the degree of freedom at an arbitrary time, a skeleton structure given by the skeleton structure defining unit, and the skeleton From the angle information of the arbitrary joint given by the position designation part,
A posture control unit that determines the position of a joint at an arbitrary time based on inverse kinematics, and links for each link of the joint at an arbitrary time defined by the skeletal structure defining unit by setting the center of mass and volume The dynamic characteristics of each joint were calculated, and the torque characteristics of each joint obtained from the calculation of the dynamic characteristics of the skeletal structure were changed based on the evaluation function of energy minimization or work minimization of the skeletal structure. A three-dimensional motion generation apparatus comprising: a dynamics analysis unit that converts a joint angle based on a torque characteristic of each joint afterwards using forward dynamics calculation.
【請求項2】 関節とリンクの長さ、及びそれらの三次
元位置と接続関係によりキャラクタの骨格構造を定義す
る骨格構造定義部と、 前記骨格構造定義部で定義される骨格構造の各関節に対
し、回転の自由度及び任意の時刻における自由度に応じ
た関節の回転角度あるいは関節の3次元座標位置を時系
列で与える骨格位置指定部と、 前記骨格構造定義部で与えられる骨格構造、及び前記骨
格位置指定部で与えられる任意の関節の角度情報から、
任意の時刻における関節の位置を逆運動学に基づいて求
める姿勢制御部と、 前記骨格構造定義部で定義される関節の各リンクに対し
て、骨格構造の体重を支える複数の足に含まれる任意の
関節の軌跡が与えられた場合に、前記姿勢制御部で逆運
動学に基づいて足の姿勢を計算し、更にその結果を用い
た動力学計算に基づいて骨格構造の複数の足の付け根に
働くトルクを計算する動力学解析部と、 骨格構造の基準となるルート位置と複数の足の付け根を
含む直線又は平面に対して、力とモーメントとの平衡式
を夫々求め、その関係式を解くことで骨格構造の上半身
の姿勢を決定するバランス演算部と、を具備することを
特徴とする3次元の動き生成装置。
2. A skeletal structure defining section that defines a skeleton structure of a character by the lengths of joints and links, and their three-dimensional positions and connection relationships, and each joint of the skeletal structure defined by the skeleton structure defining section. On the other hand, a skeleton position designation unit that gives a rotation angle of the joint or a three-dimensional coordinate position of the joint in time series according to the degree of freedom of rotation and the degree of freedom at any time, and a skeleton structure given by the skeleton structure definition unit, and From the angle information of any joint given by the skeleton position designation unit,
A posture control unit that determines the position of a joint at an arbitrary time based on inverse kinematics, and, for each link of the joint defined by the skeletal structure definition unit, included in a plurality of legs that support the weight of the skeletal structure When the trajectory of the joint is given, the posture control unit calculates the posture of the foot based on the inverse kinematics, and further, based on the dynamics calculation using the result, at the bases of the plurality of legs of the skeletal structure. The dynamics analysis unit that calculates the working torque, and the equilibrium equations of force and moment are calculated for the straight line or plane that includes the root position that is the reference of the skeletal structure and the roots of multiple legs, and the relational equation is solved. A three-dimensional motion generation device comprising: a balance calculation unit that determines the posture of the upper half of the skeleton structure.
【請求項3】 関節とリンクの長さ、及びそれらの三次
元位置と接続関係によりキャラクタの骨格構造を定義す
る骨格構造定義部と、 前記骨格構造定義部で定義される骨格構造の各関節に対
し、回転の自由度及び任意の時刻における自由度に応じ
た関節の回転角度あるいは関節の3次元座標位置を時系
列で与える骨格位置指定部と、 前記骨格構造定義部で与えられる骨格構造、及び前記骨
格位置指定部で与えられる任意の関節の角度情報から、
任意の時刻における関節の位置を逆運動学に基づいて求
める姿勢制御部と、 前記骨格構造定義部で定義される関節の各リンクに対し
て、骨格構造の体重を支える複数の足及び手、首に含ま
れる関節の軌跡が与えられた場合に、前記姿勢制御部で
の逆運動学に基づいて足及び手、首の姿勢を計算し、更
にその結果を用いた動力学計算に基づいて、骨格構造の
複数の足の付け根および手、首の付け根に働く力やトル
クを計算する動力学解析部と、 体の基準となるルート位置と前記複数の足の付け根及び
手、首の付け根を含む平面に対して、力とモーメントの
平衡式を夫々求め、その関係式を解くことで骨格構造全
体の上半身の姿勢を決定するバランス演算部と、を具備
することを特徴とする3次元の動き生成装置。
3. A skeletal structure defining unit that defines a skeleton structure of a character by the lengths of joints and links, and their three-dimensional positions and connection relationships, and each joint of the skeletal structure defined by the skeleton structure defining unit. On the other hand, a skeleton position designation unit that gives a rotation angle of the joint or a three-dimensional coordinate position of the joint in time series according to the degree of freedom of rotation and the degree of freedom at any time, and a skeleton structure given by the skeleton structure definition unit, and From the angle information of any joint given by the skeleton position designation unit,
A posture control unit that determines the position of a joint at an arbitrary time based on inverse kinematics, and a plurality of feet, hands, and necks that support the weight of the skeletal structure for each link of the joint defined by the skeletal structure defining unit. When the trajectory of the joint included in is given, the postures of the feet, hands, and neck are calculated based on the inverse kinematics in the posture control unit, and the skeleton is calculated based on the dynamics calculation using the result. A dynamics analysis unit that calculates the force and torque acting on the bases of the feet and hands and the base of the neck of the structure, the reference root position of the body, and the plane including the bases of the feet and the hands and the base of the neck. A three-dimensional motion generating device, which comprises: a balance calculation unit that determines a balance equation of force and moment and solves the relational expression to determine the posture of the upper half of the entire skeleton structure. .
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