第22卷第9期计算机仿真2005年9月文章编号：1006—9348(2005)09—0275—05虚拟手抓握动作的Petri网模型及其仿真实现卢晓军，李焱，贺汉根(国防科学技术大学机电工程与自动化学院自动化所，湖南长沙410073)摘要：虚拟手的运动建模是三维人机交互研究中的一个关键问题。虚拟人在执行维修作业的过程中，不可避免地需要徒手抓握操作对象或维修工具。为此，该文提出了一种基于位置／变迁Petri网的虚拟人手抓握动作模型。该方法以关节化虚拟手的几何建模和关节约束分析为基础，描述了抓握动作的Petri网模型，通过仿真循环叠代和关节插值计算，实现关节链上各个关节的运动控制，并基于面向对象的技术设计实现了典型抓握动作。最后，基于人体建模与仿真软件Jack，设计并实现了一个虚拟手抓握动作的Petri网，仿真和实验结果表明所述方法简便易行，能够满足虚拟维修作业的要求。关键词：虚拟人；虚拟手；行为控制；抓握动作中图分类号：TP391．9文献标识码：AModelingandSimulationofVirtualHandsGraspMotionBasedonPetriNetsLUXiao—jHn，LIYan，HEHan—gen(CollegeofMechatronicsEngineeringandAutomation，NationalUniversityofDefenseTechnology，ChangshaHunan410073，China)ABSTRACT：Kinematicsmodelingofvirtualhandisakeyissueintheresearchof3Dhuman—computerinteraction．Duringavirtualmaintenancesimulationtask，itginevitableforthevirtualmechanictograspanoperationobjectoramaintenancetoo1．ThispaperpresentsaPetri—Netbasedvirtualhandggraspmode1．Firstly．geometrymodelingofarticulatedvirtualhandandjointconstraintsarediscussed．Then，aPetri—Netbasedmotionelementmodelisde．scribedandrealized．Withsimulationloopiterationandjointinterpolation，alljointsinjointchainarecontrolled．AndatypicalgraspactionisrealizedwiththeOOPtechnologies．Atlast，aPetri—Netbasedvirtualhandcontrollingnetworkisdesignedandimplemented．Theresultsofsimulationexperimentsindicatetheeffectivenessandusabilityoftheproposedmethod．KEYWOlIDS：Virtualhuman：Virtualhand：Behaviorcontrol：Graspmotion1引言采用仿真手段对维修过程进行计算机模拟的基本思路是用虚拟样机取代物理样机，用虚拟人取代实际维修人员，形成维修的虚拟场景，从而实现人对装备进行维修的可视化模拟。虚拟人在执行维修作业的过程中，不可避免地需要徒手抓握操作对象或维修工具。此时，首先需要根据物体的外形特征以及重量来判断采取什么样的手形进行抓握的操作，然后将手置于合适的位置进行抓取，当选择手形适当，抓握动作的完成实际上是手部各个关节调节角度的过程，当各个关节均与抓取对象发生干涉时，则认为抓握动作完成本文所要研究的问题主要针对前一部分。即如何形成合适的手势。显而易见，控制虚拟人准确及时地形成期望手形，这一收稿日期：2004—06—05能力的实现有助于方便快捷地实现虚拟维修仿真，还可以广泛应用于虚拟设计、虚拟漫游、聋哑人手语交互、军事演练中的手语命令等诸多领域。针对上述问题，本文提出了一种基于Petri网的虚拟人手抓握动作的实现方法。方法整体上采取位置／变迁Petri网构建，通过仿真循环叠代以及关节插值计算，实现关节链上各个关节的角度调整；针对双手操作的并发行为，提出了并发Petri网结构；最后，以人体建模与仿真软件Jack为仿真平台设计实现了一个控制手部关节的Petri网。仿真和实验结果表明所提方法简便易行，能够满足虚拟人执行虚拟维修作业要求。2虚拟人与虚拟手越来越多的虚拟仿真要求将虚拟人引入并集成到虚拟·--——275．--——维普资讯http://www.cqvip.com环境中，以提高人与环境的交互能力，增强环境的逼真性和沉浸感。人手作为一个重要的人体器官，其建模与运动仿真同样得到了较多的关注。Thalmann及其研究小组是国际上最早从事人体动画的研究团体之一，提出了一种基于局部基和操作的人手变形模型；Pijpkema等人应用人工智能技术研究建立了人手模型并提出了基于知识的人手抓取运动仿真方汝；Kunii等人提出了基于环流映射的人...
