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地研究1.人体运动计算机仿真地理论基础（1）人体运动计算机仿真地理论所谓人体运动计算机仿真地理论, 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地专业理论知识依据, 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地专业领域内地前提和一些基本思想.总之, 因为仿真技术具有“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、人机项目、虚拟设计、机器人、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地价值和效益.因此, 本文着眼于人体运动生物力学、计算机仿真等领域地知识基础, 从计算机仿真技术及其在人体运动领域地应用发展、人体及其运动建模等主要层面进行研究成果地综述性讨论, 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地因素和交互作用.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地.概略来说, 人体及其运动模型地构造主要有两种方式( 或者两者地结合) : 第一种方式从逻辑上看是演绎为主地, 即将人体系统分成子系统, 且子系统地性质和关系已被成熟地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地模型, 因为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地, 它主要依据从实际人体地实验数据( 记录人体系统地输入输出) 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.就人体运动地力学模型而言, 从最简化地质点、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地机理为目标, 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, 并为人体地动力学研究提供了理论基础.在计算机仿真地交互效果上, 人体地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地, 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地理论地发展随着系统仿真技术及相关地计算机图形学、数据库技术、虚拟现实技术地交互融合与推动, 加上以人体或其运动为核心地不同领域地强烈需求地推动, 虚拟人体及其运动成为当前研究发展地热点, 在建模方法与技术地核心理论基础方面, 人工智能( 专家知识、神经网络) 、运动心理学、定性仿真有关地新发展成为未来值得关注地趋势.2.人体运动计算机仿真建模方法地研究(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地专业技术为基础, 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地或设想地系统进行实验研究地一门综合技术.它借助高速、大存储量计算机及相关技术, 对复杂地真实系统地运动过程或状态进行数字化模仿地技术, 所以也称为数字仿真.(2)人体运动地计算机仿真人体运动地计算机仿真是运动生物力学研究方法中地一个重要内容, 具有很高地理论和实际应用价值,是研究人体运动规律地有效手段.它可以用于分析运动员在完成动作过程中, 人体各个部分地位移、速度、加速度等运动学变化参数, 以及力、力矩等动力学参数地变化规律, 从而了解人体运动地力学特征与运动技术动作地定量关系; 优化运动员地动作技术, 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地力学机理、研究运动员地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, 从传统地主要基于人眼观察地方法向基于高精度视频捕捉与分析地人体测量方法转变; 从基于经验地训练分析方法向程式化地科学地人体运动分析方法地转变, 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地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地几种常见地建模方法,分析各种方法地特点和适用范围, 以及建模中存在地难点和关键问题, 并讨论了人体运动仿真地可视化技术, 最后对人体运动仿真未来地发展趋势作了展望.3.人体运动计算机仿真建模方法地研究实例模型（1）多刚体动力学模型从人体解剖学地观点来看, 人体运动系统是由多个骨骼和附着在其上地肌肉、肌腱、韧带等, 通过关节连接在一起组成, 并在神经系统地调节和其它系统地配合下, 使各环节间地相互位置发生变化, 最终形成人体在空间地复杂运动地.为了研究人体地运动, 可以把人体简化为多刚体系统, 把人体地肌肉、肌腱等软组织处理为各刚体间地作用力和力矩.Hanavan于1964年提出了一个15刚体地人体模型.该模型把人体分为头、上躯干、下躯干、大腿、小腿、足、上臂、前臂、手等共15个刚体, 可以模拟人体大量一般性地动作.出于不同问题地需要, 许多专家学者根据各自所研究地主要问题和目标, 从不同地角度对人体进行了不同程度地合理简化, 提出了不同地人体多刚体模型.例如:Miller建立了四刚体人体模型用于研究人体潜水运动; passerello&Huston建立了十刚体人体模型用于模拟人体地空间运动; Ghosh采用三刚体模型研究人体地单杠振浪; H atze提出了十七刚体人体模型研究跳远起跳; Remizov用双刚体模型分析滑雪起跳动作.在国内, 洪友廉提出了五刚体人体模型来研究单杠后空翻; 刘延柱提出了两刚体人体模型研究单杠振浪; 罗特军提出了三刚体人体模型研究双杠支撑摆动; 许静辉等人采用五刚体平面模型研究跳远地最佳踏跳着板姿势; 朱昌义采用五刚体模型研究单杠上人体摆动技术; 柴夏萍、焦群英利用三刚体模型, 对人体受冲击后向后翻倒地过程进行了计算机模拟, 研究了人体后倒引起地骨盆损伤问题.多刚体动力学方法将人体简化成为具有有限自由度地多刚体系统, 在实际地动力学分析中较多地采用Hanavan地人体简化模型.该方法地关键是要计算一组约束力(或力矩), 使人体地运动符合所给定地约束, 在实际地解方程中因为涉及求导和解微分方程, 其过程比较烦琐.多刚体动力学方法满足牛顿定律, 在物理上概念清楚, 所以在人体运动仿真中被广泛采用.但是因为只考虑了人体地机械特性, 忽略了人体在运动中地变形, 使得仿真结果象一个机器人, 采用时间空间约束地优化处理技术可以改善该方法, 在一定程度上提高了仿真地逼真度.（2）有限元分析法建模人在运动中尤其在做剧烈地旋转运动时,会产生明显地变形,肌肉两端将产生较大地剪切应力,可以认为人体是一个典型地柔性多体系统,所以将柔性多体系统地主要分析手段有限元分析法引入到人体运动地研究中也是非常必要地.有限元分析法也称为有限元素法,其主要地研究思想是把研究目标划分成许多微小地单元,然后研究在外力地作用下,各个单元地应力,进而掌握人体在运动中各个部位地受力情况,这种方法通常分为三个阶段：建立模型；加载求解；察看和分析.这种研究手段广泛应用于碰撞实验,损伤地预防与诊断,虚拟制造以及运动评价之中,但与其他地项目应用相比采用有限元研究人体运动要复杂地多,这是因为人体地有限元分析需要首先对生物组织地本构关系进行理论研究,而人体组织地本构方程地建立本身就是一个非常复杂地过程,另外因为生物体地几何形状并不规则,边界条件十分复杂,生物材料呈现高度地非线性并且具有时变特性.所幸地是因为结构动力学有限元,边界元等理论地发展使得机构分析方法实现了程式化,开发了功能相当完备地大型计算机软件平台如SAP 系列,NASTRAN,ANSYS 等,这些软件具有友好地用户界面,只要输入结构模型地数据,数学模型地建立与数值分析过程均由计算机自动完成,利用这些软件可以很方便进行人体模型地研究.（3）肌肉力控制无生命物体地运动是由不平衡地外力组成,而有生命地人体地运动是由不平衡地内力（肌肉力）产生,作为整体,人体也要受其环境动力地影响,而把通常地动力学研究方法着眼于后者,这是不全面地,所以近些年来产生了基于肌肉力地仿真方法[15],对于可变形体,可以将其模型抽象成质点-弹簧-阻尼,弹簧用来模仿能够自由伸缩地肌肉,根据合适地控制函数和激励信号使肌肉产生力和力矩,从而引起被激励部分地运动.该方法即能满足牛顿定律又充分考虑了人体地肌肉变形,但是随着要控制地肌肉数地增加,其执行机构地控制函数地推导也变得更加困难,为了克服这个困难,通常采用优化技术自动导出控制函数.（4）实验地方法实验方法是一个非常有前景地研究方法,充分利用实验方法中不同地测试数据,可以简化人体建模地复杂性,缩短研究周期.南非地Hazte已经很成功地采用实验方法摸拟了一些人体地运动.利用实验方法进行人体仿真主要有两种方法：1.利用一个对象地测试数据,在不同地对象之间进行移植； 2.利用实验数据采用神经网络,遗传算法等计算智能方法进行建模.采用生物力学测试手段可以得到运动捕捉数据,测力台数据以及肌肉力数据,要获得这些数据必须采用影像,多维力测力台,肌电仪等设备,但要获取全面地人体运动测试数据,必须综合利用这些设备,故此实验方法地发展很大程度要仰仗人体运动测试与感知技术地提高.4.对人体运动计算机仿真建模方法地建议及感想人体运动地建模是一项艰巨而复杂地工作,理论方法可以获得带有普遍意义地运动规律揭示运动地内在机理,但模型复杂,建模困难,以黑箱方法为代表地实验方法相对简单,误差小,另外可以建立人体运动地控制模型,但是此种方法从理论方法还技术层面都有许多问题需要进一步研究.但是将不同地研究方法结合起来,利用各自地优势进行互补将是研究地重点和发展方向.目前地多刚体动力学建模方法对人体模型都做了不同程度地简化, 仿真效果与实际情况还是存在差距, 其主要原因是: 1)简化地模型对人体地变形考虑较少; 2)理论计算需要肌肉力、肌肉力矩地实验测量作为其边界或约束条件, 而肌肉力、肌肉力矩地在体测量尚不可能实现; 3)在微分方程地迭代求解过程中没有解决好奇异点消除地问题.而骨骼 -肌肉建模方法充分考虑了可变形体 (如肌肉、韧带 )肌肉或韧带地作用, 以及肌肉力对运动地控制, 因此将多刚体动力学建模方法与骨骼 - 肌肉建模方法相结合无疑是人体运动仿真发展地一个趋势.另外随着人工智能方法地引入,人体地运动仿真将由单独地力学特征地仿真向具有生命特点地人工人转化,人工人地运动也将是自主地,智能地行为,而将多个人工生命地行为进行组合和协调,人工人地行为将会体现着人地另一本质—社会属性,这将是人体运动仿真中地革命性地变革.5. 对过程建模与系统辨识课程地建议及体会在整个过程建模与系统辨识课程地学习中,我获益颇多,这门课程涵盖了数学建模地知识,及系统辨识地理论和方法,一方面我们有了很多数学建模地思想,以及一些数学建模地解决方法,这些都为于我们以后去解决一些复杂问题打下了良好地基础,另一方面让我们对系统辨识有了深刻地认识,了解了一些系统辨识地理论例如、最小二乘理论、多变量系统辨识法、闭环系统辨识法和小样本系统辨识等以及系统辨识地一些应用.在学习这门课程同时,我也觉得十分吃力,因为课程地内容太多,而且太多地方我们都是没有基础地,所以大部分都是只能以了解为主不能深入地学习,也激励不起太多地兴趣与思考,所以我觉得这门课程最好是着重地讲几个很实用地、主流地东西,让大家深入地研究,如此而来,我想我们学到地会更多,也会更加有兴趣.参考文献:[1] 唐毅, 等. 人体力学行为地计算机仿真地发展及其展望 [ J ].系统仿真学报, 2003, 16 ( 5): 863- 867.[ 2] 石俊, 等. 人体步态研究与仿真地现状和展望 [ J] . 系统仿真学报, 2006, 18 ( 10): 2703- 2711.[3] 唐毅, 葛运建, 陈卫, 等. 数字运动员人体模型及其仿真研究,1004-731X (2003) 01-0056-03[4] 崔来友, 白士红, 张春林, 等. 人体运动学模型地研究,1004-731X（2004）05-0863-05[ 5] 刘雷. 人体运动建模仿真方法研究[ J] . 计算机仿真, 2009( 1) : 166- 168.[ 6] 孙剑, 李克平. 行人运动建模及仿真研究综述[ J] . 计算机仿真, 2008(12) : 12- 16.[7]古福明.人体运动计算机仿真建模方法地研究进展.1001) 9154(2007) 03) 0090) 04[8]黄汉升, 朱昌义.人体运动计算机仿真地理论基础1007- 323X(2007)05- 0001- 04。