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1、过程建模与系统辨识课程报告班级：姓名：学号：课题：人体运动计算机仿真建模方法的研究1.人体运动计算机仿真的理论基础（1）人体运动计算机仿真的理论所谓人体运动计算机仿真的理论,是指人体运动领域及其计算机仿真技术应用时作为基本立论的专业理论知识依据,也就是指导人们从事人体运动计算机仿真应用与研究活动赖以建立和存在的专业领域内的前提和一些基本思想。总之,由于仿真技术具有“学科面广、综合性强、应用领域宽、无破坏性、可多次重复、安全、经济、可控、不受气候和场地空间条件限制”等独特优点,故而,无论在交通工具安全、人机工程、虚拟设计、机器人、
2、医疗康复、体育运动以及影视娱乐等诸多领域,应用计算机仿真技术研究人体运动都有着其它技术所无法比拟的价值和效益。因此,本文着眼于人体运动生物力学、计算机仿真等领域的知识基础,从计算机仿真技术及其在人体运动领域的应用发展、人体及其运动建模等主要层面进行研究成果的综述性讨论,旨在进一步促进人体运动领域应用计算机仿真技术在理论与实践上得以不断拓宽和深入发展。（2）人体及其运动建模当人体被作为一种系统来看待时,其本身及其运动包含了众多不同层面而复杂的因素和交互作用。因此,要深刻理解和把握人体及其运动,模型化方法是不可或缺的。概略来说,人体
3、及其运动模型的构造主要有两种方式(或者两者的结合):第一种方式从逻辑上看是演绎为主的,即将人体系统分成子系统,且子系统的性质和关系已被成熟的理论知识或规律所涵盖,进而把这些子系统用数学方法加以联结得到整个系统的模型,由于它无须对人体实际系统进行试验,故而,这种方式通常就被称为建模;第二种方式则主要是归纳的,它主要依据从实际人体的实验数据(记录人体系统的输入输出)并进而进行数据分析来建立数学模型或图象模型,通常被称为系统辩识。就人体运动的力学模型而言,从最简化的质点、刚体,到多刚体、柔性多体等模型,都以阐释人体机械运动形式的机理为
4、目标,其主要内容涵盖多体系统力学模型、非完整系统力学模型等,并为人体的动力学研究提供了理论基础。在计算机仿真的交互效果上,人体的逼真形象模型是在计算机图形学与先进仿真技术不断融合促进下发展起来的,又在虚拟现实技术大力推动下,三维“虚拟人”模型亦不断推出,其中主要有如下几种形式:骨架、体素、曲线、球体堆积、曲面等模型形式。（3）人体运动计算机仿真的理论的发展随着系统仿真技术及相关的计算机图形学、数据库技术、虚拟现实技术的交互融合与推动,加上以人体或其运动为核心的不同领域的强烈需求的推动,虚拟人体及其运动成为当前研究发展的热点,在建
5、模方法与技术的核心理论基础方面,人工智能(专家知识、神经网络)、运动心理学、定性仿真有关的新发展成为未来值得关注的趋势。2.人体运动计算机仿真建模方法的研究(1)计算机数值仿真计算机数值仿真也称为计算机仿真或模拟,是以数学理论、相似原理、信息技术、系统控制及其应用领域有关的专业技术为基础,以计算机和各种物理效应设备为工具,利用系统模型对实际的或设想的系统进行实验研究的一门综合技术。它借助高速、大存储量计算机及相关技术,对复杂的真实系统的运动过程或状态进行数字化模仿的技术,所以也称为数字仿真。(2)人体运动的计算机仿真人体运动的计
6、算机仿真是运动生物力学研究方法中的一个重要内容,具有很高的理论和实际应用价值,是研究人体运动规律的有效手段。它可以用于分析运动员在完成动作过程中,人体各个部分的位移、速度、加速度等运动学变化参数,以及力、力矩等动力学参数的变化规律,从而了解人体运动的力学特征与运动技术动作的定量关系;优化运动员的动作技术,设计新技术并预测其效果。此外,人体运动仿真还可以研究运动损伤的力学机理、研究运动员的动作如何与运动器械相协调等。因此,人体运动仿真有助于体育训练,从传统的主要基于人眼观察的方法向基于高精度视频捕捉与分析的人体测量方法转变;从基于
7、经验的训练分析方法向程式化的科学的人体运动分析方法的转变,从而更快更有效地提高运动训练水平和运动成绩。应用计算机仿真进行运动技术研究的核心问题是对运动人体进行建模。本研究通过总结近年来人体运动计算机模拟与仿真中的几种常见的建模方法,分析各种方法的特点和适用范围,以及建模中存在的难点和关键问题,并讨论了人体运动仿真的可视化技术,最后对人体运动仿真未来的发展趋势作了展望。3.人体运动计算机仿真建模方法的研究实例模型（1）多刚体动力学模型从人体解剖学的观点来看,人体运动系统是由多个骨骼和附着在其上的肌肉、肌腱、韧带等,通过关节连接在一
8、起组成,并在神经系统的调节和其它系统的配合下,使各环节间的相互位置发生变化,最终形成人体在空间的复杂运动的。为了研究人体的运动,可以把人体简化为多刚体系统,把人体的肌肉、肌腱等软组织处理为各刚体间的作用力和力矩。Hanavan于1964年提出了一个15刚体的人体
