在執(zhí)行操作任務(wù)時(shí)的實(shí)時(shí)姿態(tài)和移動(dòng)預(yù)測(cè)的制作方法
【專利摘要】描述一種用于確定虛擬主體的鉸接式模型在車輛占用者包裝設(shè)計(jì)內(nèi)執(zhí)行任務(wù)時(shí)的姿勢(shì)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用鉸接式模型在虛擬主體執(zhí)行任務(wù)之前的初始姿態(tài)作為起點(diǎn)。該系統(tǒng)在虛擬主體執(zhí)行任務(wù)的整個(gè)過程中確定姿勢(shì)。基于虛擬主體的參數(shù)、設(shè)計(jì)、待完成的任務(wù)和對(duì)虛擬主體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行限制的約束集合確定姿勢(shì)?？梢苑治鲎藙?shì)以確定用于人類主體的設(shè)計(jì)的可行性而無需活主體測(cè)試。該方法被解析地推導(dǎo)并且實(shí)時(shí)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)學(xué)地和動(dòng)態(tài)地一致的姿態(tài)而無需迭代優(yōu)化。
【專利說明】在執(zhí)行操作任務(wù)時(shí)的實(shí)時(shí)姿態(tài)和移動(dòng)預(yù)測(cè)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開內(nèi)容主要地涉及用于在車輛中用于確定車輛占用者包裝設(shè)計(jì)的可用性的 鉸接式模型的姿勢(shì)預(yù)測(cè)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 車輛占用者包裝是指車輛的內(nèi)部空間的被車輛的駕駛員和乘客占用的部分。車輛 占用者包裝可以包括多個(gè)不同特征，例如包括，座位設(shè)計(jì)、手閘定位和操作、方向盤定位和 定向、中心控制臺(tái)設(shè)計(jì)以及門把手設(shè)計(jì)和操作。車輛占用者包裝涉及是指如下一般領(lǐng)域，該 一般領(lǐng)域涉及設(shè)計(jì)車輛占用者包裝，從而給定的車輛的內(nèi)部既實(shí)用又令人舒適。由于車輛 設(shè)計(jì)廣泛地變化并且隨著每新一代車輛而被迭代地改進(jìn)，也需要在持續(xù)基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)和 改進(jìn)車輛占用者包裝。
[0003] 通常，通過生成給定的設(shè)計(jì)的全比例模型，并且然后利用多個(gè)不同人類主體測(cè)試 該設(shè)計(jì)來測(cè)試新車輛占用者包裝。將理想地跨越例如包括身高、體重、性別、肢體長度（例 如腿和臂長度）、強(qiáng)度和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍的廣泛物理特性展開在測(cè)試中使用的人類主體。這幫 助保證測(cè)試和批準(zhǔn)的車輛占用者包裝將可被人類群體的絕大多數(shù)操作。
[0004] 若干不同軟件仿真包是可用的，這些軟件仿真包允許對(duì)車輛占用者包裝設(shè)計(jì)的仿 真以及允許對(duì)虛擬主體的測(cè)試的仿真。這些虛擬主體是人類主體的計(jì)算機(jī)模型，其中虛擬 主體具有在現(xiàn)實(shí)生活的車輛包裝設(shè)計(jì)測(cè)試中使用的物理特性（例如身高、體重、肢體長度） 的相同變化。這些軟件包的示例例如包括SIEMENS供應(yīng)的JACK和DASSAULTSYSTEMS供應(yīng) 的DELMIA。
[0005] 這些軟件包通過允許設(shè)計(jì)迭代來改進(jìn)車輛占用者包裝設(shè)計(jì)過程而無需用于每個(gè) 設(shè)計(jì)迭代的物理原型。例如，軟件設(shè)計(jì)包允許設(shè)計(jì)者測(cè)試人類主體是否將在給定的設(shè)計(jì)中 相配（例如，它們是否將在物理上能夠在它的整個(gè)全運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)達(dá)到手閘）。另外，這些軟 件包允許計(jì)算在操作車輛的某個(gè)方面（例如，在抓握手閘時(shí)在時(shí)間上固定的姿態(tài)）時(shí)的單 個(gè)靜態(tài)人類姿態(tài)。一般而言，這些軟件包使用統(tǒng)計(jì)回歸來計(jì)算單個(gè)靜態(tài)姿態(tài)，這些統(tǒng)計(jì)回歸 需要長時(shí)間來計(jì)算、因此不能被實(shí)時(shí)確定。
[0006] 現(xiàn)有設(shè)計(jì)軟件包的缺點(diǎn)是它們目前不能提供在用全比例測(cè)試模型進(jìn)行活人類主 體測(cè)試時(shí)收集的全范圍的信息。因而，對(duì)定稿（或者半定稿）的設(shè)計(jì)進(jìn)行活測(cè)試以便彌補(bǔ) 現(xiàn)有軟件設(shè)計(jì)包的缺點(diǎn)仍然是普遍做法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的實(shí)施例提供一種用于確定在受制于約束集合的車輛占用者包裝設(shè)計(jì)中 的虛擬主體的姿勢(shì)的方法（以及對(duì)應(yīng)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品）。
[0008] 在一個(gè)實(shí)施例中，描述一種用于確定姿勢(shì)的計(jì)算機(jī)實(shí)施的方法、系統(tǒng)和包含可執(zhí) 行計(jì)算機(jī)程序代碼的非瞬態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)。確定姿勢(shì)包括訪問鉸接式系統(tǒng)在初始時(shí) 間的初始姿態(tài)，初始姿態(tài)包括用于鉸接式系統(tǒng)的多個(gè)自由度的角度。確定姿態(tài)還包括訪問 車輛占用者包裝設(shè)計(jì)和在該設(shè)計(jì)內(nèi)要由鉸接式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。確定姿勢(shì)還包括訪問對(duì)如 何操縱鉸接式系統(tǒng)的自由度以實(shí)現(xiàn)任務(wù)進(jìn)行限制的約束集合，其中約束包括防止鉸接式系 統(tǒng)進(jìn)行的遠(yuǎn)離存在于設(shè)計(jì)中的部件的運(yùn)動(dòng)的接觸約束。在實(shí)現(xiàn)任務(wù)期間在初始時(shí)間之后確 定用于鉸接式系統(tǒng)的多個(gè)姿態(tài)，其中確定姿態(tài)包括在也遵守約束集合的同時(shí)確定實(shí)現(xiàn)任務(wù) 的鉸接式系統(tǒng)的自由度隨時(shí)間的操縱。
[0009] 在說明書中描述的特征和優(yōu)點(diǎn)不是囊括性的，并且具體而言，許多附加特征和優(yōu) 點(diǎn)將鑒于附圖、說明書和權(quán)利要求而為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所清楚。另外，應(yīng)當(dāng)注意在說明 書中使用的言語已經(jīng)主要出于可讀性和指導(dǎo)目的而加以選擇并且可以未被選擇用于界定 或者限制公開的主題內(nèi)容。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1是圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于評(píng)估車輛占用者包裝設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的框 圖。
[0011] 圖2是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的在車輛占據(jù)者包裝設(shè)計(jì)中執(zhí)行任務(wù)時(shí)用于確定虛擬主 體隨時(shí)間的姿態(tài)的流程圖。
[0012] 圖3是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的虛擬主體的鉸接式模型的示例圖示。
[0013] 圖4是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于確定在設(shè)計(jì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)任務(wù)期間的個(gè)別姿態(tài)的流程圖。
[0014] 各圖僅出于示例的目的而描繪實(shí)施例的各種實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將從以下討 論中容易地認(rèn)識(shí)到可以運(yùn)用本文所示的結(jié)構(gòu)和方法的備選實(shí)施例而未脫離本文描述的實(shí) 施例的原理。

【具體實(shí)施方式】
[0015] 現(xiàn)在參照各圖描述實(shí)施例，其中相似標(biāo)號(hào)指示相同或者在功能上相似的單元。也 在各圖中，每個(gè)標(biāo)號(hào)的最左位對(duì)應(yīng)于其中第一次使用該標(biāo)號(hào)的圖。
[0016] 系統(tǒng)概述
[0017] 圖1是圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于評(píng)估車輛占用者包裝設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)100的 框圖。一般而言，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)100接收待評(píng)估的車輛占用者包裝設(shè)計(jì)（簡稱為設(shè)計(jì)）、描述 虛擬主體的鉸接式模型的參數(shù)、限制虛擬主體在設(shè)計(jì)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)的約束集合、和虛擬主體將 在設(shè)計(jì)內(nèi)執(zhí)行的一個(gè)或者多個(gè)物理任務(wù)（也稱為操作任務(wù)）。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)100被配置為確 定（或者跟蹤）虛擬主體在虛擬主體在車輛占用者包裝設(shè)計(jì)中執(zhí)行物理任務(wù)中的一個(gè)或者 多個(gè)物理任務(wù)時(shí)的姿勢(shì)。分析虛擬主體在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的姿勢(shì)以確定對(duì)于與虛擬主體的尺寸 和形狀匹配的潛在駕駛員和/或乘客而言的設(shè)計(jì)的可行性（或者可用性）。
[0018] 設(shè)計(jì)描述車輛的內(nèi)部座艙。設(shè)計(jì)包括多個(gè)部件，這些部件的示例包括具有長度和 高度的座位、頭枕、方向盤、踏板（例如汽油、剎車和離合器）、手閘、位于中心控制臺(tái)中的音 頻/視頻系統(tǒng)、儀器桿（例如用于控制燈和雨刮器）和儀表板。這一部件列舉僅為示例而無 意于窮舉。該設(shè)計(jì)也包括用于部件的尺寸（例如比例）以及在各種部件之間的相對(duì)距離、 絕對(duì)定位和定向。例如，也可以在設(shè)計(jì)中包括在方向盤與座位之間和在踏板與座位之間的 距離。設(shè)計(jì)也可以包括用于各種部件的可能定位的范圍。例如，在許多設(shè)計(jì)中，可以在作為 整體的座艙的框架內(nèi)升高或者降低、傾斜或者向前或者向后移動(dòng)座位。相似地，可以向前或 者向后移動(dòng)或者升高或者降低方向盤。能夠?qū)@些部件重新定位和重新定向大量地影響特 定車輛占用者包裝設(shè)計(jì)被人類群體的不同節(jié)段的可用性。
[0019] 虛擬主體被計(jì)算機(jī)系統(tǒng)100標(biāo)識(shí)為實(shí)際人類主體的鉸接式模型。通過按照鉸接式 模型對(duì)人類主體進(jìn)行建模，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)100允許對(duì)設(shè)計(jì)的評(píng)估而無需全比例模型和人類測(cè) 試主體。一般而言，虛擬主體的鉸接式模型是相似的，因?yàn)槿祟惾后w的多數(shù)有兩只臂、兩條 腿、軀干、頭、頸、腰等。虛擬主體的參數(shù)允許在虛擬主體之間的區(qū)分，該區(qū)分反映在作為整 體的人類群體的成員之間的區(qū)分。參數(shù)可以包括（例如前臂、上臂、大腿和小腿和軀干長度 的）肢體長度、共計(jì)虛擬主體高度、虛擬主體總重量、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍、虛擬主體視覺視野、殘 疾和其它特征。如以上那樣，這一參數(shù)列表僅為示例而無意于窮舉。
[0020] 圖3是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的虛擬主體的鉸接式模型的示例圖示。在圖3的示例中， 虛擬主體由在身體上的多個(gè)特征定義，這些特征包括頭頂、右和左肩、右和左肘、腰、右和左 手腕、右和左髖、右和左膝以及右和左踝。一般而言，特征位于可以繞著一個(gè)或者多個(gè)軸旋 轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)或者附近。關(guān)節(jié)可以圍繞其旋轉(zhuǎn)的軸稱為自由度。給定的關(guān)節(jié)可以具有多于一個(gè) 自由度。例如，人類肘可以繞著兩個(gè)軸旋轉(zhuǎn)、因此具有兩個(gè)自由度。一個(gè)自由度與屈曲/延 伸關(guān)聯(lián)，并且第二自由度與內(nèi)轉(zhuǎn)和外轉(zhuǎn)關(guān)聯(lián)?？偠灾摂M主體的自由度的角度和參數(shù)完 全地指定虛擬主體的所有肢體的靜態(tài)定位。這也稱為姿態(tài)。
[0021] 在一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中，接收的用于虛擬主體的參數(shù)代表在作為整體的人類群體內(nèi)的 一個(gè)或者多個(gè)門限。例如，接收的用于虛擬主體的參數(shù)可以代表在對(duì)于身高和/或體重和 /或肢體長度和/或關(guān)于某個(gè)其它標(biāo)準(zhǔn)為百分之50、75、90或者95的駕駛員或者乘客。評(píng) 估代表這些門限之一的虛擬主體允許計(jì)算機(jī)系統(tǒng)100確定車輛設(shè)計(jì)就群體的比例而言的 可行性。例如，用于兩個(gè)不同虛擬主體的參數(shù)可以代表按照高度為人類群體的百分之5和 95。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)100可以關(guān)于這兩個(gè)虛擬主體評(píng)估設(shè)計(jì)。如果設(shè)計(jì)對(duì)于這兩個(gè)虛擬主體是 可行的，則計(jì)算機(jī)系統(tǒng)100可以推斷設(shè)計(jì)對(duì)于人類群體的落在按照高度的百分之5和95內(nèi) 的整個(gè)部分是可行的。相對(duì)滿足各種門限的虛擬主體的測(cè)試設(shè)計(jì)通過避免測(cè)試落在已經(jīng)測(cè) 試的范圍內(nèi)的非必需虛擬主體來提高設(shè)計(jì)測(cè)試的效率。測(cè)試代表門限的虛擬主體也允許計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)100報(bào)告與工業(yè)預(yù)計(jì)測(cè)試結(jié)果相似的可行性發(fā)現(xiàn)。
[0022] 任務(wù)闡述將通過虛擬主體在設(shè)計(jì)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。任務(wù)可以例如包括對(duì)設(shè) 計(jì)的一個(gè)或者多個(gè)部件的操縱（例如，拉動(dòng)手閘）。在一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中，任務(wù)可以闡述為了 實(shí)現(xiàn)任務(wù)而將遵循的具體運(yùn)動(dòng)路徑。在虛擬主體達(dá)到指定的路徑的末端時(shí)，任務(wù)視為完成。 可以使用指定的路徑，其中設(shè)計(jì)本身規(guī)定可以如何操縱在設(shè)計(jì)內(nèi)的某些部件。使用上述的 手閘示例，設(shè)計(jì)可以指定在拉動(dòng)手閘時(shí)，手閘僅能經(jīng)過某個(gè)路徑行進(jìn)，比如相對(duì)于固定點(diǎn)產(chǎn) 生角度旋轉(zhuǎn)。在其它實(shí)例中，除了指定運(yùn)動(dòng)路徑之外，任務(wù)也可以僅指定用于任務(wù)的起點(diǎn)和 終點(diǎn)（例如用來覆蓋駕駛員的側(cè)窗的頂頭頂上的太陽遮陽板的運(yùn)動(dòng)）。在這些實(shí)例中，通過 許多可能路徑中的到達(dá)終點(diǎn)的一個(gè)可能路徑跟蹤虛擬主體的姿勢(shì)。在到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，任務(wù)視 為完成。
[0023] 約束集合限制虛擬主體在實(shí)現(xiàn)任務(wù)之時(shí)如何可以在設(shè)計(jì)內(nèi)移動(dòng)。約束集合可以包 括若干不同類型的約束，這些約束例如包括一個(gè)或者多個(gè)接觸約束、一個(gè)或者多個(gè)不舒適 約束、一個(gè)或者多個(gè)關(guān)節(jié)限制約束、一個(gè)或者多個(gè)碰撞避免約束和動(dòng)態(tài)一致性約束。例如， 可以指定接觸約束以指示虛擬主體在實(shí)現(xiàn)任務(wù)的整個(gè)過程中維持在主體的大腿和/或車 座靠背之間的接觸?？梢远x另一接觸約束以維持在主體的腳與汽車的踏板之間的接觸 等。
[0024] 在一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)100包括姿態(tài)初始化系統(tǒng)102、姿勢(shì)確定系統(tǒng)104 和設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)106。
[0025] 姿態(tài)確定系統(tǒng)102被配置為使用設(shè)計(jì)、虛擬主體參數(shù)、待完成的任務(wù)和約束集合 來確定虛擬主體的初始姿態(tài)。如以上介紹的那樣，姿態(tài)是指虛擬主體在特定時(shí)間時(shí)刻的靜 態(tài)姿勢(shì)。在一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中，姿態(tài)包括值矢量，每個(gè)值描述虛擬主體的鉸接式模型在該時(shí)間 時(shí)刻的自由度的定向（或者角度）。從恰在開始待完成的任務(wù)中的任何任務(wù)之前的時(shí)間點(diǎn) 確定主體的初始姿態(tài)。例如，如果待完成的任務(wù)是拉動(dòng)車輛的手閘，則確定虛擬主體的初始 姿態(tài)，從而虛擬主體讓他們的手在手閘上、但是尚未開始拉動(dòng)。
[0026] 在一個(gè)實(shí)施例中，待完成的任務(wù)指定用于虛擬主體在開始任務(wù)之前的姿態(tài)的初始 條件。使用以上手閘示例，這些初始條件可以包括指定虛擬主體的手部應(yīng)當(dāng)恰在開始任務(wù) 之前被定位于何處。如果虛擬主體甚至不能滿足任務(wù)的初始條件（更不用說任務(wù)），則計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)100可以退出這一過程并且指示不能為指定的虛擬主體完成指定的任務(wù)。以下進(jìn)一 步描述初始姿態(tài)確定。
[0027] 使用初始姿態(tài)，姿勢(shì)確定系統(tǒng)104被配置為確定虛擬主體在虛擬主體在也遵守約 束集合之時(shí)執(zhí)行一個(gè)或者多個(gè)指定的任務(wù)時(shí)的姿勢(shì)。姿勢(shì)是指虛擬主體在實(shí)現(xiàn)任務(wù)的整個(gè) 過程中的動(dòng)態(tài)（例如隨時(shí)間變化）姿態(tài)。在一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中，姿勢(shì)包括在順序時(shí)間單位捕 獲的多個(gè)個(gè)別姿態(tài)。姿勢(shì)確定系統(tǒng)104被配置為接收在開始任務(wù)之前的初始姿態(tài)、虛擬主 體的參數(shù)、待完成的任務(wù)和對(duì)為了實(shí)現(xiàn)任務(wù)而采用的運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行限制的約束集合作為輸 入。如果虛擬主體不能完成指定的任務(wù)而未違反約束，則計(jì)算機(jī)系統(tǒng)100可以退出這一過 程并且指示針對(duì)指定的虛擬主體不能完成指定的任務(wù)。以下描述在實(shí)現(xiàn)一個(gè)或者多個(gè)任務(wù) 的整個(gè)過程中的姿勢(shì)確定。
[0028] 設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)106被配置為分析姿勢(shì)確定系統(tǒng)14生成的姿勢(shì)以確定設(shè)計(jì)的可行 性。設(shè)計(jì)的可行性可以基于多個(gè)不同因素。這些因素可以例如包括虛擬主體用于實(shí)現(xiàn)一項(xiàng) 任務(wù)（或者同時(shí)實(shí)現(xiàn)若干任務(wù)）而需要的轉(zhuǎn)矩和/或力的數(shù)量、虛擬主體在實(shí)現(xiàn)任務(wù)時(shí)體 驗(yàn)的不舒適的數(shù)值程度、虛擬主體為了在完成任務(wù)時(shí)保持靜態(tài)姿勢(shì)而維持的生理努力和從 初始姿態(tài)開始的實(shí)現(xiàn)任務(wù)所消耗的能量數(shù)量。
[0029] 基于這一分析，可以將可行性制定為是/否答案，該答案指示虛擬主體是否能夠 在也遵守約束集合之時(shí)在設(shè)計(jì)中完成指定的任務(wù)。也可以按照一個(gè)或者多個(gè)數(shù)值制定可行 性，該一個(gè)或者多個(gè)數(shù)值例如指示完成任務(wù)所需要的轉(zhuǎn)矩或者力的數(shù)量、在完成任務(wù)時(shí)體 驗(yàn)的不舒適的程度、在保持任務(wù)的結(jié)束定位時(shí)的生理努力和在完成任務(wù)時(shí)消耗的能量。這 些數(shù)值可以共同地代表可行性和/或可以使用閉合形式解析函數(shù)來組合成單個(gè)數(shù)以提供 單個(gè)可行性值。
[0030] 初始姿態(tài)確定
[0031] 如以上介紹的那樣，姿態(tài)初始化系統(tǒng)102被配置為確定主體在受制于對(duì)虛擬主體 的運(yùn)動(dòng)所施加的約束集合時(shí)在開始待完成的任務(wù)之前的初始姿態(tài)。在一個(gè)實(shí)施例中，使用 數(shù)值迭代多目標(biāo)優(yōu)化（MOO)技術(shù)來確定初始姿態(tài)。初始姿態(tài)基于虛擬主體的參數(shù)。該參數(shù) 包括人體測(cè)量參數(shù)，比如肢體尺度、肢體質(zhì)量、肢體慣性、肢體重心等。這些參數(shù)規(guī)定各種肢 體的比例。
[0032] 使用這一技術(shù)，系統(tǒng)102在虛擬主體在設(shè)計(jì)內(nèi)之時(shí)在開始任務(wù)之前在t=t。輸出 初始姿態(tài)作為矢量q。矢量q包括用于在虛擬主體的鉸接式模型中的每個(gè)自由度的數(shù)值。 也就是說，初始姿態(tài)描述在虛擬主體的身體中的每個(gè)關(guān)節(jié)的定向。矢量q隱含地是參數(shù)的 函數(shù)，并且肢體的比例使用統(tǒng)計(jì)回歸從參數(shù)來推導(dǎo)。初始姿態(tài)處在設(shè)計(jì)的參考框架中，因此 初始姿態(tài)描述虛擬主體如何被定位于車輛座艙內(nèi)?？梢远康孛枋鍪纠跏甲藨B(tài)為虛擬主 體坐在車座中而他們的手臂在方向盤上和他們的腳在踏板上。
[0033] 為了確定初始姿態(tài)，系統(tǒng)102發(fā)現(xiàn)矢量q，該矢量是標(biāo)量函數(shù)f(q)在受制于關(guān)于用 于q中的每個(gè)自由度的可允許定向的約束集合c(q)時(shí)的局部最小值。對(duì)于個(gè)別自由度q， 這可以被表示為：
[0034]mI1
[0035]s.t.Ulb^c(q) ^Uub.
[0036] Qmin Q qmax
[0037] 函數(shù)f(q)包括fl(q)和f2(q)這兩個(gè)分離目標(biāo)，從而f(q) =fl(q)+f2(q)。第一 目標(biāo)函數(shù)fl(q)最小化在虛擬主體的特征（例如他們的手和腳）的如自由度矢量q和參數(shù) 指定的當(dāng)前定位與虛擬主體的特征為了開始任務(wù)而應(yīng)當(dāng)處于的如在矢量P中指定的定位 之間的距離。在一個(gè)實(shí)施例中，基于對(duì)平方跟蹤誤差范數(shù)的求和來實(shí)現(xiàn)這一最小化： k
[0038] /_)=玉I爲(wèi)IK. I2 i=t (2)
[0039] 在這一情況下，ei是用于任務(wù)矢量p中的每個(gè)條目的跟蹤誤差。用于個(gè)別任務(wù)的 跟蹤誤差可以主要地描述表示的定位誤差和表示的定向誤差。
[0040] e,= 1--/ (3)
[0041] 定義定位誤差為?,# =Pd, ，其中_和Pi分別對(duì)應(yīng)于用于任務(wù)的希望和預(yù)測(cè) 的定位。定義按照角度和軸誤差的定向誤差為：
[0042] e〇 =i(nXnr+sXSr4-αXar)(4)
[0043] 其中=SjiOtrJ和Ri=[nsa]分別對(duì)應(yīng)于任務(wù)p的希望和預(yù)測(cè)的單位矢 量三元表示。任務(wù)的希望的定位和希望的定向是設(shè)計(jì)的部分（或者通過測(cè)量來確定）。任 務(wù)的預(yù)測(cè)的定位和預(yù)測(cè)的定向是計(jì)算的矢量q的函數(shù)。使用前向運(yùn)動(dòng)函數(shù)來確定任務(wù)的預(yù) 測(cè)的定位和定向。另外，Pi是用于對(duì)于待執(zhí)行的任務(wù)中的每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行而給予相對(duì)優(yōu)先 級(jí)的標(biāo)量。
[0044] 第二目標(biāo)最小化如以下進(jìn)一步描述的等式23定義的不舒適約束。這使初始姿態(tài) 優(yōu)先朝著對(duì)于用戶更令人舒適的關(guān)節(jié)定位。
[0045] p(f) =JIfctCflI1 (5)
[0046] 函數(shù)f(q)的最小化受制于由Ulb(下界）和Uub(上界）界定的約束函數(shù)c(q)。因 此，f(q)在總是維持在Ulb與Uub之間的c(q)之時(shí)被最小化。Ulb和Uub的值可以是有窮或 者無窮的。在一個(gè)實(shí)施例中，約束函數(shù)c(q)包括cl(q)和c2(q)這兩個(gè)部分，從而c(q)= cl(q) +c2(q)。第一約束函數(shù)cl(q)對(duì)虛擬主體的關(guān)節(jié)在靜態(tài)均衡時(shí)施加的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩τs實(shí) 行約束。
[0047] τs=C1 (q)=xg (q) +JTfes (6)
[0048] 其中fes是在靜態(tài)條件之下對(duì)虛擬主體的關(guān)節(jié)操作的外力，并且其中Tg(q)描述 可以從下式計(jì)算的對(duì)虛擬主體的關(guān)節(jié)操作的重力轉(zhuǎn)矩， 漏
[0049] Xm^gTje^J j=i (7)
[0050] 其中表示在每段的重心的雅可比矩陣，并且g是重力加速度的3X1矢量。
[0051] 第二約束函數(shù)c2(q)用來避免自碰撞和與環(huán)境的碰撞。在一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中，c2(q) =dk(q)，其中：
[0052] dk(q) > 0￥kE(1?%1 (8)
[0053] 其中dk是在包括在虛擬主體的身體上的點(diǎn)的可能η。對(duì)點(diǎn)與在虛擬主體的身體上 的另一點(diǎn)或者在測(cè)試的設(shè)計(jì)中存在的另一外部主體上的點(diǎn)之間的最小距離。因此，在始終 最小化f(q)之時(shí)，維持dk(q)對(duì)于在虛擬主體的身體上的所有點(diǎn)而言大于零。
[0054] 概括而言，根據(jù)下式確定初始姿態(tài)：

【權(quán)利要求】
1. 一種由計(jì)算機(jī)實(shí)施的方法，包括： 訪問鉸接式系統(tǒng)在初始時(shí)間的初始姿態(tài)，所述初始姿態(tài)包括用于所述鉸接式系統(tǒng)的多 個(gè)自由度的角度； 訪問車輛占用者包裝設(shè)計(jì)和所述鉸接式系統(tǒng)將在所述設(shè)計(jì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)的任務(wù)； 訪問約束集合，所述約束集合限制如何操縱所述鉸接式系統(tǒng)的所述自由度以實(shí)現(xiàn)所述 任務(wù)，其中所述約束包括防止所述鉸接式系統(tǒng)進(jìn)行的遠(yuǎn)離存在于所述設(shè)計(jì)內(nèi)的部件的運(yùn)動(dòng) 的接觸約束；以及 確定在實(shí)現(xiàn)所述任務(wù)期間在所述初始時(shí)間之后的用于鉸接式系統(tǒng)的多個(gè)姿態(tài)， 其中確定所述姿態(tài)包括在也遵守所述約束集合的同時(shí)確定所述鉸接式系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)所 述任務(wù)的所述自由度隨時(shí)間的操縱。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 其中確定所述姿態(tài)包括使所述接觸任務(wù)較實(shí)現(xiàn)所述任務(wù)優(yōu)先。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 其中所述約束集合包括不舒適目標(biāo)，以及 其中確定所述姿態(tài)包括基于所述不舒適目標(biāo)對(duì)所述自由度的所述操縱進(jìn)行加權(quán)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 其中所述約束集合包括關(guān)節(jié)限制目標(biāo)，以及 其中確定所述姿態(tài)包括基于所述關(guān)節(jié)限制目標(biāo)對(duì)所述自由度的所述操縱進(jìn)行加權(quán)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 其中所述約束集合包括碰撞避免目標(biāo)，以及 其中確定所述姿態(tài)包括基于所述碰撞避免目標(biāo)對(duì)所述自由度的所述操縱進(jìn)行加權(quán)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 其中所述約束集合包括自穿透避免目標(biāo)，以及 其中確定用于所述后續(xù)時(shí)間之一的所述姿態(tài)包括基于所述自穿透避免目標(biāo)對(duì)所述自 由度中的所述度的所述更新的角度的所述確定進(jìn)行加權(quán)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中確定所述姿態(tài)包括對(duì)來自先前時(shí)間的所述姿態(tài)并 且基于所述約束集合執(zhí)行閉環(huán)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括： 分析所述姿態(tài)以確定所述操作任務(wù)是否能夠被所述虛擬主體實(shí)現(xiàn)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括： 分析所述姿態(tài)以確定所述任務(wù)的可行性，其中所述可行性基于來自由以下各項(xiàng)構(gòu)成的 組中的至少一項(xiàng)： 所述鉸接式系統(tǒng)完成所述任務(wù)而需要的轉(zhuǎn)矩， 所述鉸接式系統(tǒng)完成所述任務(wù)而需要的力， 所述鉸接式系統(tǒng)在完成所述任務(wù)時(shí)引起的不舒適程度， 完成所述任務(wù)所需要的能量數(shù)量；以及 在完成所述任務(wù)時(shí)保持最后的所述姿態(tài)所需要的生理上的努力的數(shù)量。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述鉸接式模型屬于對(duì)人類主體進(jìn)行建模的虛 擬主體。
11. 一種包含可執(zhí)行計(jì)算機(jī)程序代碼的非瞬態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述代碼包括被 配置為執(zhí)行以下操作的指令： 訪問鉸接式系統(tǒng)在初始時(shí)間的初始姿態(tài)，所述初始姿態(tài)包括用于所述鉸接式系統(tǒng)的多 個(gè)自由度的角度； 訪問車輛占用者包裝設(shè)計(jì)和所述鉸接式系統(tǒng)將在所述設(shè)計(jì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)的任務(wù)； 訪問約束集合，所述約束集合限制如何操縱所述鉸接式系統(tǒng)的所述自由度以實(shí)現(xiàn)所述 任務(wù)，其中所述約束包括防止所述鉸接式系統(tǒng)進(jìn)行的遠(yuǎn)離存在于所述設(shè)計(jì)內(nèi)的部件的運(yùn)動(dòng) 的接觸約束；以及 確定在實(shí)現(xiàn)所述任務(wù)期間在所述初始時(shí)間之后的用于鉸接式系統(tǒng)的多個(gè)姿態(tài)， 其中確定所述姿態(tài)包括在也遵守所述約束集合的同時(shí)確定所述鉸接式系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)所 述任務(wù)的所述自由度隨時(shí)間的操縱。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的非瞬態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)， 其中確定所述姿態(tài)包括使所述接觸任務(wù)較實(shí)現(xiàn)所述任務(wù)優(yōu)先。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的非瞬態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)， 其中所述約束集合包括不舒適目標(biāo)，以及 其中確定所述姿態(tài)包括基于所述不舒適目標(biāo)對(duì)所述自由度的所述操縱進(jìn)行加權(quán)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的非瞬態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)， 其中所述約束集合包括關(guān)節(jié)限制目標(biāo)，以及 其中確定所述姿態(tài)包括基于所述關(guān)節(jié)限制目標(biāo)對(duì)所述自由度的所述操縱進(jìn)行加權(quán)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的非瞬態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)， 其中所述約束集合包括碰撞避免目標(biāo)，以及 其中確定所述姿態(tài)包括基于所述碰撞避免目標(biāo)對(duì)所述自由度的所述操縱進(jìn)行加權(quán)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的非瞬態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)， 其中所述約束集合包括自穿透避免目標(biāo)，以及 其中確定用于所述后續(xù)時(shí)間之一的所述姿態(tài)包括基于所述自穿透避免目標(biāo)對(duì)所述自 由度中的所述度的所述更新的角度的所述確定進(jìn)行加權(quán)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的非瞬態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其中確定所述姿態(tài)包括對(duì)來 自先前時(shí)間的所述姿態(tài)并且基于所述約束集合執(zhí)行閉環(huán)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算。
18. -種用于控制鉸接式系統(tǒng)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括： 用于執(zhí)行可執(zhí)行計(jì)算機(jī)程序代碼的處理器； 計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，包含配置為執(zhí)行以下操作的所述可執(zhí)行計(jì)算機(jī)程序代碼： 訪問鉸接式系統(tǒng)在初始時(shí)間的初始姿態(tài)，所述初始姿態(tài)包括用于所述鉸接式系統(tǒng)的多 個(gè)自由度的角度； 訪問車輛占用者包裝設(shè)計(jì)和所述鉸接式系統(tǒng)將在所述設(shè)計(jì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)的任務(wù)； 訪問約束集合，所述約束集合限制如何操縱所述鉸接式系統(tǒng)的所述自由度以實(shí)現(xiàn)所述 任務(wù)，其中所述約束包括防止所述鉸接式系統(tǒng)進(jìn)行的遠(yuǎn)離存在于所述設(shè)計(jì)內(nèi)的部件的運(yùn)動(dòng) 的接觸約束；以及 確定在實(shí)現(xiàn)所述任務(wù)期間在所述初始時(shí)間之后用于所述鉸接式系統(tǒng)的多個(gè)姿態(tài)， 其中確定所述姿態(tài)包括在也遵守所述約束集合的同時(shí)確定所述鉸接式系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)所 述任務(wù)的所述自由度隨時(shí)間的操縱縱。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)， 其中確定所述姿態(tài)包括使所述接觸任務(wù)較實(shí)現(xiàn)所述任務(wù)優(yōu)先。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)， 其中所述約束集合包括不舒適目標(biāo)，以及 其中確定所述姿態(tài)包括基于所述不舒適目標(biāo)對(duì)所述自由度的所述操縱進(jìn)行加權(quán)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)， 其中所述約束集合包括關(guān)節(jié)限制目標(biāo)，以及 其中確定所述姿態(tài)包括基于所述關(guān)節(jié)限制目標(biāo)對(duì)所述自由度的所述操縱進(jìn)行加權(quán)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)， 其中所述約束集合包括碰撞避免目標(biāo)，以及 其中確定所述姿態(tài)包括基于所述碰撞避免目標(biāo)對(duì)所述自由度的所述操縱進(jìn)行加權(quán)。
23. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)， 其中所述約束集合包括自穿透避免目標(biāo)，以及 其中確定用于所述后續(xù)時(shí)間之一的所述姿態(tài)包括基于所述自穿透避免目標(biāo)對(duì)所述自 由度中的所述度的所述更新的角度的所述確定進(jìn)行加權(quán)。
24. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中確定所述姿態(tài)包括對(duì)來自先前時(shí)間的所述姿態(tài) 并且基于所述約束集合執(zhí)行閉環(huán)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算。
【文檔編號(hào)】G06G7/48GK104380306SQ201380025999
【公開日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2013年4月8日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月10日
【發(fā)明者】B·達(dá)里厄施 申請(qǐng)人:本田技研工業(yè)株式會(huì)社