JP3193507B2 - 歩行動作生成処理方法 - Google Patents

歩行動作生成処理方法

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JP3193507B2 JP03958593A JP3958593A JP3193507B2 JP 3193507 B2 JP3193507 B2 JP 3193507B2 JP 03958593 A JP03958593 A JP 03958593A JP 3958593 A JP3958593 A JP 3958593A JP 3193507 B2 JP3193507 B2 JP 3193507B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は,人物の下半身を剛体
棒で近似し,運動方程式を適用して現実感のある階段上
昇・下降動作を自動的に生成する歩行動作生成処理方法
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】人物に階段を上昇・下降させる従来のコ
ンピュータ・グラフィックス(CG)の手法において
は,アニメータが1フレームずつ描画するもの,キーフ
レームを描画しキーフレーム間を補間するものなどがあ
り,自動的に動作を生成するものは見られない。
【0003】一方,平地歩行については,例えば「Armi
n Bruderlin, Thomas W.Calvert,"Goal-Directed, Dyna
mic Animation of Human Walking", Computer Graphic
s, Vol.23, Number 3, July 1989 」の文献や,「Mark
H.Raibert, Jessica K.Hidgins,"Animation of Dynamic
Legged Locomotion", Computer Graphics Vol.25, Num
ber 4, July 1991 」の文献などに見られるように,一
部に動力学を取り入れた動作生成手法が発表されてい
る。しかし,これらの方法は,階段における人間の歩行
動作には適用できない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来技術において有効
な階段上昇・下降の動作を自動生成する方法が見られな
いのは,平地歩行動作においても有効な生成方法が未だ
確定していない発展分野であり,また階段歩行を考察す
る際の下半身のモデル化が複雑なためである。
【0005】コンピュータ・グラフィックスを用いて人
物の歩行動作を生成する際に,階段上昇・下降の動作を
自動生成するには,階段上の人間の下半身をどのように
モデル化するか,またそのモデルが運動方程式を適用す
る際に適切か,適用した方程式を計算機で計算する際に
計算時間を軽減するか,の諸条件を満足する適切なモデ
ル化が必要である。本発明はこの課題の解決を図り,現
実感のある階段上昇動作または下降動作を自動生成する
手段を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】人物の歩行動作をコンピ
ュータ・グラフィックス(CG)を用いて生成する際
に,与えられた環境に対して歩行パターンを生成する過
程において,剛体棒で近似された上半身・下半身に対し
て,階段上での足裏接地の瞬間における下半身の形状の
モデルと次の足裏接地瞬間に至るまでの上体・支持脚及
び遊脚の運動モデルを用いて,自動的に生成する。
【0007】
【作用】この発明は,与えられた環境に対して歩行パタ
ーンを生成するときに,上半身・下半身を剛体棒で近似
すること,階段上での足裏接地の瞬間における下半身の
形状をモデル化すること,次の足裏接地瞬間に至るまで
の上体・支持脚及び遊脚の運動モデルを用いることを特
徴とし,これらのモデルに運動方程式を適用して歩行パ
ターンを生成する。階段上での足裏接地の瞬間における
下半身の形状をモデル化し,次の足裏接地瞬間に至るま
での上体・支持脚及び遊脚の運動モデルを用いることに
より,実用的な計算時間で現実感のある自然な歩行動作
を実現することができる。
【0008】
【実施例】以下,この発明を実施例に従って詳細に説明
する。この発明では,階段上における人間の下半身モデ
ルを以下に述べるように設定する。支持脚・遊脚の分
離,上体の取り扱い,適用する運動方程式などに関して
は平地における歩行動作生成手法を拡張する。
【0009】まず,図2に示すように,階段における足
裏接地の瞬間を長さの異なるコンパスのように表す。こ
こで階段の高さをh,階段幅をdとする。歩幅は階段幅
と同じであるとする。この階段では,長い方の脚の長さ
をl1 で表す。コンパスの支点にあたる脚の付け根位置
Hは,底辺の長さd,他の2辺の長さがl1 の二等辺三
角形の頂点とし,Hから二等辺三角形の底辺に下ろした
垂線の長さをtとする。このときの短い方の脚の長さを
2 とすると, l2 =(d/2)2 +(t−h)2 t=(l1 2 +(d/2)2 1/2 である。ただし,脚の長さは階段からではなく足首から
計ったものである。
【0010】〔階段上昇のモデル〕まず階段上昇に関し
て述べる。図2の状態から1歩上昇し,次の足裏接地の
瞬間の状態を同じように長さの異なるコンパスで表現す
る。すなわち,図3に示すように表現する。この間の動
きに動力学を適用する。1歩について動作生成が完了す
れば,あとは速度が変わらない限り同じ動作の繰り返し
と考えられる。なお,股関節角度をθ1 ,θ2 で表す
と, θ1 = sin-1(d/2l1 ) θ2 = sin-1(d/2l2 ) である。
【0011】次に支持脚のモデル化について説明する。
支持脚は長さl2 からl1 まで変化し,また股関節角度
がθ2 からθ1 まで変化する。長さの変化は,図4に示
すように膝関節の屈伸,または爪先立ちによる足首の上
昇と考える。ここでl3 を腿の長さ,l4 をスネの長さ
とする。したがって,運動方程式を適用する際には,支
持脚の軸方向に働く脚の長さを長くするような力を考慮
し,また股関節角度をθ2 からθ1 へ変化させるような
トルクを考慮する。
【0012】次に遊脚のモデル化について説明する。遊
脚に関しては,股関節及び膝関節,足首の関節の3つの
角度を考慮する必要がある。これは足が階段にぶつから
ないように次の段の接地位置まで移動させなければなら
ないからである。質量比を考慮すると,足先は腿及びス
ネに比べて軽いので,運動方程式への影響は無視でき
る。したがって,足首角度は階段に足先がぶつからない
ための拘束条件にのみ用いる。このとき,股関節角度,
膝関節角度は,図5に示すように初期条件θ3ini t ,θ
4init から終条件θ3fin,θ4finまで変化するが,その
軌道は爪先が階段にぶつからないように選ばれる。
【0013】最後に上体についてであるが,これは1本
の剛体棒と見なし,上体角度のみをもって方程式を適用
する。ただし,スムーズな階段上昇を生成するために,
片足で立っている際の重力に対するバランスを考慮し,
図6に示すように,全重心が腰の位置から前後ある一定
の閾値a内の距離にある,という拘束条件を付加する。
【0014】以上を統合し,後述する平地歩行生成手法
に沿って運動方程式を適用し,運動学的装飾を加えるも
のとする。運動学的装飾とは,動力学を導入した部分の
動きに応じて,動力学を導入していない部分の動きを位
置変数のみで表現することである(例えば腕の前後運
動,体の左右への揺れなど)。動力学・運動学について
は,例えば「福井一夫,“コンピュータ・アニメーショ
ン”,テレビジョン学会誌 Vol.46, No.9, 1992 」の文
献に詳しい説明がある。
【0015】〔階段下降のモデル〕次に階段下降に関し
て述べる。基本的な概念は階段上昇と同じであるが,次
の2点において上昇動作と異なる。
【0016】まず,重力に対するバランスであるが,片
足で立っている際の全重心範囲の閾値を上昇時より小さ
めに取る。次に,下降における遊脚軌道は上昇のそれと
は若干異なり,図7に示すように重力に逆らうものでは
なく重力に従ったものとなる。
【0017】〔平地歩行動作生成手法〕この実施例で採
用している平地における歩行動作生成手法は,以下のよ
うなものである。
【0018】要求される速度などから歩幅や単位時間あ
たりの歩数を求める。支持脚と上体を1つの物理系と
し,運動方程式を適用する。パラメータは上体角度,支
持脚の股関節角度,支持脚の長さの3つである。その
際,重力によるバランス等は考慮されていない。力やト
ルクはあらかじめ与えられた関数形をもとに反復計算を
行うことによりそのスケール・ファクターを求める。次
に遊脚に運動方程式を適用するが,遊脚は上体や支持脚
から分離されて独立した物理系として扱われる。パラメ
ータは股関節角度,膝角度であるが,足首の軌道は4次
曲線を描くように選ばれているため実質的な運動方程式
のパラメータは股関節角度1つである。
【0019】運動方程式を解いて動きを数値的に生成し
た後に,運動学的な装飾を加えて足先や骨盤などの細部
を表現していく。 〔生成処理フロー〕図1は,本発明の実施例による階段
歩行動作生成処理フローを示す。
【0020】(a) ボディ・データおよび階段形状(階段
の高さh,階段幅d)などの環境情報を得て,図2に示
す足裏接地瞬間のモデルおよび図3に示す階段上昇モデ
ルの各値を計算する。
【0021】(b) 速度を入力し,ステップi=0とし
て,i番目のステップに対し以下の処理を行う。 (c) 支持脚・遊脚の持続時間を計算する。この計算につ
いては図8に従って後述する。
【0022】(d) 支持脚・上体の運動方程式を計算す
る。 (e) 支持脚への運動学的装飾を施す。すなわち,動力学
を導入した部分の動きに応じて,動力学を導入していな
い部分の動きを位置変数のみで表現する。
【0023】(f) 図5に示す遊脚の運動モデルの各値θ
3init,θ4init,θ3fin, θ4finを計算する。 (g) 遊脚の運動方程式を解く。
【0024】(h) 遊脚に運動学的装飾を施す。 (i) 全重心バランスを考慮し,上体に運動学的装飾を施
す。 (j) 歩行は終了かどうかを判定し,終了ならば処理を終
える。
【0025】(k) 歩行がまだ続く場合には,速度が変化
するかどうかを判定する。変化しない場合,処理(c) か
らの次のステップに進む。 (l) 速度が変化する場合,指定された新しい速度を代入
し,処理(c) からの次のステップに進む。
【0026】上記処理(c) における支持脚・遊脚の持続
時間の計算は,例えば次のように行う。図8(A)に示
すように,前進速度をv,階段幅をdとすると,2×階
段幅=歩幅であるので,一歩(2d)に要する時間は, t0 =2d/v となる。この一歩には,両足支持,片足支持を含んでい
る。図8(A)ではt0が「平衡状態」から「次の平衡
状態」の印象を与えるが,これを図8(B)の「地面に
片足(遊脚)が着いた瞬間=接地」から「次の接地」と
見ても同じことである。図8(B)に示す左足接地時刻
1 から右足接地時刻t3 までが,上記の式で表される
一歩に要する時間t0 である。
【0027】両足支持(t1 →t2 )の時間td は,平
地歩行の観察からの経験データ(V.T.Inman,H.J.Ralsto
n,F.Todd,"Human Walking ", Williams & Wilkins, Bal
timore,1981)(Armin Bruderlin,Thomas W.Calvert,"Goa
l-Directed, Dynamic Animation of Human Walking",Co
mputer Graphics,Vol.23,No.3,1989) による式 td =(−0.08・v/d+29.08)×(1/50) ×t0 をそのまま用いる。これにより, t(支持脚)=t0 +td t(遊脚) =t0 −td で,支持脚および遊脚の持続時間が求められる。
【0028】図1に示す処理(d) ,処理(g) における運
動方程式は,基本的にはラグランジュの運動方程式を用
いる。方程式の導出自体は,例えば前述した A.Bruderl
in,T.W.Calvert の文献などにより知られている手法で
ある。
【0029】図9(A)に示すように,支持脚・上体と
遊脚とを分離する。この図で,ωは支持脚の長さ,l3
は遊脚上部の長さ(一定),l4 は遊脚下部の長さ(一
定)を表す。支持脚に対してθ1 ,θ2 ,ω,遊脚に対
してθ3 ,θ4 をパラメータとする。
【0030】ラグランジュの運動方程式は,図9に示す
式(B)であり,この方程式に前記パラメータを適用す
る。すなわち,式(B)のq,qの速度,力Fに,それ
ぞれ支持脚のθ1 ,θ1 の角速度,θ1 のトルクを適用
し,運動方程式を作る。同様にθ2 ,ωについても運動
方程式を作る。遊脚については,θ3 ,θ4 についてそ
れぞれ運動方程式を作る。これにより,図9(C)に示
すように,5個の運動方程式(C1)〜(C5)ができる。
【0031】これらの運動方程式は,θ1 の加速度=f
1 ,θ2 の加速度=f2 ,…の形にして数値的に反復さ
せ,通常の数値計算による積分の解法を用いて解くこと
ができる。その例を図10に示す。
【0032】 t=0に初期化する。 tをΔtだけ進める。 パラメータθの2階微分の計算を行う。
【0033】 パラメータθの1階微分の計算を行
う。 パラメータθの計算を行う。 tが終了値になるまで,処理〜を繰り返す。
【0034】
【発明の効果】以上説明したように,この発明によって
階段上昇・下降歩行動作の自動生成が実現でき,例え
ば,コンピュータ・グラフィックスにより生成された家
屋内部での歩行シミュレーションなどを実施することが
可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例による階段歩行動作生成処理フ
ローを示す図である。
【図2】足裏接地瞬間のモデルを示す図である。
【図3】階段上昇モデルを示す図である。
【図4】長さの変化への対応を示す図である。
【図5】階段上昇における遊脚の運動モデルを示す図で
ある。
【図6】重心位置を示す図である。
【図7】階段下降モデルを示す図である。
【図8】支持脚・遊脚の持続時間の計算を説明するため
の図である。
【図9】本発明の実施例で用いる運動方程式説明図であ
る。
【図10】運動方程式の数値解法の説明図である。
【符号の説明】
1 ,l2 脚の長さ h 階段の高さ d 階段幅 θ1 ,θ2 股関節角度

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 人物の歩行動作をコンピュータ・グラフ
    ィックスを用いて生成する歩行動作生成処理方法におい
    て,与えられた環境に対して歩行パターンを生成する過
    程で,剛体棒で近似された上半身・下半身に対して,階
    段上での足裏接地の瞬間における下半身の形状のモデル
    と次の足裏接地瞬間に至るまでの上体・支持脚及び遊脚
    の運動モデルを用い,これらのモデルに対してそれぞれ
    運動方程式を適用することにより,人物の歩行動作を自
    動的に生成することを特徴とする歩行動作生成処理方
    法。
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