Displacement of a virtual manikin in a cluttered environment : simulation of movement by integrating equilibrium constraints

Déplacement d'un mannequin virtuel dans un environnement encombré : simulation de mouvement en intégrant les contraintes d'équilibre

Zhaopeng Qiu (1)

1 LSI - Laboratoire de Simulation Interactive

This thesis was carried out in collaboration and co-funding of LSI of CEA/LIST and LBMC of IFSTTAR. The aim of the thesis was to study and develop a method for simulating the movement of a virtual manikin (VM) in a cluttered environment based on a priori knowledge. This thesis presents firstly motion capture (MoCap) experiments. The recorded data were analyzed to define some principles on human motion in cluttered environments. We then propose a general balance criterion and stability margin, based on a simplified model of VM. Then, we present a hierarchical framework that can generate and simulate dynamic movements of VM in a cluttered environment in three stages: a global trajectory of the center of mass (CoM) is generated at the global level to ensure balance in the VM's motion; then the trajectories of end-effectors (EE, ie feet, hands) and postures are generated locally under constraints of kinematics and collision avoidance; finally at the execution level, trajectories (CoM and EEs) and postures are used as references in a dynamic controller associated with VM so that the VM realizes the motion in a simulation. This framework is implemented in a car-ingress scenario in order to evaluate its performance and to suggest future improvements

Cette thèse a été réalisée en collaboration et cofinancement impliquant le LSI du CEA/LIST et le LBMC de l'IFSTTAR. L'objectif de thèse était d'étudier et de développer une méthode pour simuler les mouvements d'un mannequin virtuel (MV) dans un environnement encombré en s'appuyant sur des connaissances a priori. L'étude présente, dans un premier temps, des expériences de capture de mouvement (MoCap). Les données enregistrées ont été analysées afin de définir quelques principes sur les mouvements humains dans des environnements encombrés. Nous proposons ensuite un critère général d'équilibre et une marge de stabilité, sur la base d'un modèle simplifié du MV. Puis, nous présentons un framework hiérarchique pouvant générer et simuler des mouvements dynamiques du MV dans un environnement encombré en trois étapes : une trajectoire globale du centre de masse (CoM) est générée au niveau global afin d'assurer l'équilibre du MV durant son mouvement; puis au niveau local, les trajectoires des organes terminaux (OT, i.e. pieds, mains) et les postures sont générées localement sous des contraintes cinématiques et d'évitement de collisions; enfin au niveau de l'exécution, les trajectoires (CoM et OTs) et les postures sont utilisées comme références dans un contrôleur dynamique associé au MV. Enfin, ce framework est mis en œuvre dans un scenario d'entrée dans un véhicule pour évaluer ses performances et proposer des améliorations futures

Mots clés: Mannequin virtuel; Equilibre; Planification du mouvement; Evitement de collisions; Environnement encombré

Domaines: Automatique / Robotique

Zhaopeng Qiu. Displacement of a virtual manikin in a cluttered environment : simulation of movement by integrating equilibrium constraints. Automatic. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2012. English. ⟨NNT : 2012PAO66537⟩. ⟨tel-00836087⟩