一种虚拟仿生模型的动作设计方法技术

本发明专利技术公开了一种虚拟仿生模型的动作设计方法，包括以下步骤：步骤1、选取角度传感器，完成系统的硬件连接。步骤2、绘制手臂模型，进行骨骼设计。步骤3、将模型导入视频动画软件Unity 3D中，进行场景渲染。步骤4、设计模型的动画脚本，配置硬件连接参数。步骤5、挂接脚本，启动数据采集装置，实现测试者与仿生模型之间的动作跟踪。本发明专利技术实现虚拟仿生动作与测试者实际动作的同步变化，同时达到虚拟模型的动作捕捉设计的基本要求。该技术在动画制作、步态分析、生物力学、人机工程等领域有应用价值。

A Motion Design Method of Virtual Bionic Model

The invention discloses an action design method of a virtual bionic model, which comprises the following steps: step 1, selecting an angle sensor to complete the hardware connection of the system. Step 2: Draw the arm model and design the skeleton. Step 3: Import the model into the video animation software Unity 3D for scene rendering. Step 4. Design the animation script of the model and configure the hardware connection parameters. Step 5: Connect the script and start the data acquisition device to realize the action tracking between the tester and the bionic model. The invention realizes the synchronous change of the virtual bionic action and the actual action of the tester, and at the same time meets the basic requirements of the motion capture design of the virtual model. This technology has application value in animation production, gait analysis, biomechanics, ergonomics and other fields.

【技术实现步骤摘要】
一种虚拟仿生模型的动作设计方法
本专利技术属于仿生设计学
，涉及一种虚拟仿生模型的动作设计方法，具体地说，涉及一种基于传感原理的虚拟仿生模型的动作设计方法。
技术介绍
仿生设计学是仿生学与设计学互相交叉渗透而结合成的一门的边缘学科，其研究范围广泛、内容丰富多彩，涉及到多门类的自然科学，相关研究的领域和研究的方法也不尽相同。仿生设计学的主要研究方法为“模型分析法”。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出了一种虚拟仿生模型的动作设计方法。通过构造虚拟手臂模型，模仿测试者的手臂姿态变化，实现人机互动的虚拟现实效果，该技术在动画制作、步态分析、生物力学、人机工程等领域应用广泛。设计中应用惯性传感器的传感原理，将三维角度数据送至3D视频软件的模型控制脚本中处理，旨在实现仿生模型与测试者姿态同步变化的虚拟仿真效果。其技术方案如下：一种虚拟仿生模型的动作设计方法，包括以下步骤：步骤1、选取角度传感器，完成系统的硬件连接。步骤2、绘制手臂模型，进行骨骼设计。步骤3、将模型导入视频动画软件Unity3D中，进行场景渲染。步骤4、设计模型的动画脚本，配置硬件连接参数。步骤5、挂接脚本，启动数据采集装置，实现测试者与仿生模型之间的动作跟踪。进一步，步骤1、选用3组JY61惯性传感器，获取其输出的欧拉角，即为：滚转角俯仰角φ和偏航角θ，用于采集姿态变化所需的角度数据。角度采集过程以ARDUINO为控制核心，在开发板的低位I/O口中，以模拟软串口的方式，放置了3组JY61传感器，并将其固定于测试者的手掌、前臂、上臂之间，用于采集固定节点的欧拉角；步骤2、采用3Dmax软件绘制手臂模型，并完成手臂骨骼关节的架设。将各关节的节点固定于模型中，并绑定其父子关系。步骤3、将步骤2完成的控制节点的手臂模型导入Unity3D的工程中。创建材质球，并为材质球增加皮肤贴图，然后将处理后的材质球拖拽到手臂模型中。同时在Unity3D中加入Camera组件和Light组件布置动画场景。步骤4、为手臂模型中的三个节点编写相应动画脚本代码，用于控制模型中节点与transform组件关联，其中根节点1的控制过程较为复杂。随后将串口获取的欧拉角配置到transform组件的rotation(x,y,z)中，即可完成仿生模型与传感器的物理连接。步骤5、在Unity3D中挂接步骤4的动画脚本，做好获取角度数据的准备。设置ARDUINO串口的波特率设定为：9600bps，发送并由上位机接收角度数据。本专利技术的有益效果为：本专利技术以惯性传感器的数据采集为硬件基础，借助ARDUINO开发平台，在Unity3D软件中实现了虚拟仿生模型的动作设计。基于仿生模型的三维姿态解算原理，设计并渲染了虚拟的手臂仿生模型，依此剖析模型的姿态变化方式；根据手臂模型的3D脚本控制，实现模型节点角度的三维空间变化；在惯性传感器的应用基础上，完成固定于测试者手臂上的三个传感节点的数据采集，并通过ARDUINO开发平台将角度数据传至上位机。在上位机3D视频软件中，通过挂接模型的脚本文档，将硬件获取的角度数据与虚拟手臂模型的3个节点的transform组件相关联，实现虚拟仿生动作与测试者实际动作的同步变化，同时达到虚拟模型的动作捕捉设计的基本要求。该技术在动画制作、步态分析、生物力学、人机工程等领域有应用价值。附图说明图1欧拉角的参考坐标系；图2手臂仿生模型；图3根节点1的脚本控制流程；图4是系统的硬件设计原理；图5是传感器的数据采集及传送；图6是虚拟仿生手臂的动作测试，其中，(a)测试者手臂举起的同步测试效果，(b)测试者手臂放下的同步测试效果。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术的技术方案作进一步详细地说明。一种虚拟仿生模型的动作设计方法，包括以下步骤：步骤1、选取角度传感器，完成系统的硬件连接。步骤2、绘制手臂模型，进行骨骼设计。步骤3、将模型导入视频动画软件Unity3D中，进行场景渲染。步骤4、设计模型的动画脚本，配置硬件连接参数。步骤5、挂接脚本，启动数据采集装置，实现测试者与仿生模型之间的动作跟踪。进一步，步骤1、选用3组JY61惯性传感器，获取其输出的欧拉角，即为：滚转角俯仰角φ和偏航角θ(如图1)，用于采集姿态变化所需的角度数据。角度采集过程以ARDUINO为控制核心，在开发板的低位I/O口中，以模拟软串口的方式，放置了3组JY61传感器，并将其固定于测试者的手掌、前臂、上臂之间(参考图2的位置)，用于采集固定节点的欧拉角，硬件设计原理如图4。步骤2、采用3Dmax软件绘制手臂模型(如图2)，并完成手臂骨骼关节的架设。将各关节的节点固定于模型中，并绑定其父子关系。步骤3、将步骤2完成的控制节点的手臂模型导入Unity3D的工程中。创建材质球，并为材质球增加皮肤贴图，然后将处理后的材质球拖拽到手臂模型中。同时在Unity3D中加入Camera组件和Light组件布置动画场景。步骤4、为手臂模型中的三个节点(如图2)编写相应动画脚本代码，用于控制模型中节点与transform组件关联，其中根节点1的控制过程较为复杂，其程序流程设计(如图3)。随后将串口获取的欧拉角配置到transform组件的rotation(x,y,z)中，即可完成仿生模型与传感器的物理连接。步骤5、在Unity3D中挂接步骤4的动画脚本，做好获取角度数据的准备。设置ARDUINO串口的波特率设定为：9600bps，发送并由上位机接收角度数据，其流程如图5所示。当测试者做举手和放下的动作时，虚拟仿生模型中的测试效果如图6所示：以上所述，仅为本专利技术较佳的具体实施方式，本专利技术的保护范围不限于此，任何熟悉本
的技术人员在本专利技术披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本专利技术的保护范围内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种虚拟仿生模型的动作设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、选取角度传感器，完成系统的硬件连接。步骤2、绘制手臂模型，进行骨骼设计。步骤3、将模型导入视频动画软件Unity 3D中，进行场景渲染。步骤4、设计模型的动画脚本，配置硬件连接参数。步骤5、挂接脚本，启动数据采集装置，实现测试者与仿生模型之间的动作跟踪。

【技术特征摘要】
1.一种虚拟仿生模型的动作设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、选取角度传感器，完成系统的硬件连接。步骤2、绘制手臂模型，进行骨骼设计。步骤3、将模型导入视频动画软件Unity3D中，进行场景渲染。步骤4、设计模型的动画脚本，配置硬件连接参数。步骤5、挂接脚本，启动数据采集装置，实现测试者与仿生模型之间的动作跟踪。2.根据权利要求1所述的虚拟仿生模型的动作设计方法，其特征在于，步骤1、选用3组JY61惯性传感器，获取其输出的欧拉角，即为：滚转角俯仰角φ和偏航角θ，用于采集姿态变化所需的角度数据。角度采集过程以ARDUINO为控制核心，在开发板的低位I/O口中，以模拟软串口的方式，放置了3组JY61传感器，并将其固定于测试者的手掌、前臂、上臂之间，用于采集固定节点的欧拉角；步骤2、采用3Dmax软...

【专利技术属性】
技术研发人员：张婧婧，白晓，李勇伟，张靓靓，达新民，赵新苗，
申请(专利权)人：新疆农业大学，
类型：发明
国别省市：新疆,65