Alkuperäinen artikkeli: Yleiskuva käänteisestä kinematiikasta

Sinä Olemme todennäköisesti kuulleet käänteisestä kinematiikasta. IK on suosittu työkalu Blenderissä ja tietokonegrafiikassa, mutta jos yrität luoda tai käyttää käänteisen kinematiikan järjestelmää ensimmäistä kertaa, saatat haluta saada lisätietoja. Selitän, mikä on IK, määritän sanaston ja tarkastelen käyttötarkoituksia.

Mikä on tarvittava sanasto IK: n ymmärtämiseksi?

Ennen kuin pääsemme IK: n sydämeen , meidän on määriteltävä joitain IK: hen liittyviä sanastoja. IK on menetelmä, jota käytetään nivellettyyn runkoon. Mikä on nivelletty runko?

Nivelrunko

Nivelrunko voi edustaa useimpia animoituja runkoja, kuten ihmisiä ja luurankoisia eläimiä. Yksinkertaisesti sanottuna nivelletty runko on yhdistettyjen ketjujen puu. Yhdistetyt ketjut koostuvat nivelistä ja linkeistä, joissa lenkki on jäykkä sylinteri.

Kuva 1: Ihmisen nivelletty runko

Jopa yllä olevan kansikuvan yksinkertainen lelu edustaa nivellettyä kehoa. Sieltä puuttuu vain kyynär- ja polvinivelet.

Niveltyypit

Niveliä on kahta tyyppiä. Ensimmäisen tyyppinen liitos on pyöröliitos. Se on kytketty linkkiin, joka pyörii sen ympärillä. Kuvassa 2 on pyörivä liitos.

Kuva 2: Kierrosliitos

Kierrosnivel on samanlainen kuin kellon keskimmäinen nasta – linkkinä kellon käsi.

Kellon kultatappi on pyörivä liitos. Prismaattinen liitos on sellainen liitos, että liitetty linkki kääntyy liitoksesta linkin pidentämiseksi / lyhentämiseksi. Kuvassa 3 on prisma.

Kuva 3: Prismaattinen liitos

Prismaattinen liitos toimii samalla tavalla kuin matkalaukkujen sisäänvedettävän kahvan pituuden pidentäminen / vetäminen. Jos katsot tarkkaan, sisäänvedettävässä matkatavaran kahvassa on 4 prisma-liitosta. 2 prisma-liitosta kahvan puolivälissä ja toinen 2 prisma-liitosta koko matkan matkalaukun yläosassa.

Jos prisma-liitokset hämmentävät sinua, älä huoli. Niitä ei käytetä niin usein käänteisessä kinematiikassa, ja kuten saatat pystyä sanomaan, yhdelläkään ihmisellä ei ole prisma-niveliä – vain pyörivät nivelet. Hierarkkinen rakenne

Nivelrungossa on juurinivel. Juurenivel on rakenteen perusta. Humanoidin juurinivel on yleensä lantion keskusta. Nivelrunko on muodostettu nivelten ja linkkien puusta juurenivelestä alkaen. Uusi nivel ja lenkki on samanlainen kuin puun uusi oksa. Sisäinen linkki / liitos on linkki / liitos, joka on lähempänä juuriliitosta nivelrungon puuhierarkiassa, koska se liittyy annettuun liitokseen / linkkiin. Perämoottori / nivel on linkki / nivel, joka on kauempana juuriliitoksesta nivelrungon puuhierarkiassa. Kuvassa 4 liitos A on juuriliitos, linkki 1 on liitoksen B sisäinen linkki, linkki 2 on liitoksen B ulkoinen linkki.

End Effector

Päätefektorin sijainti on eniten perämoottorin linkkiä.Se on vuorottelevien nivelten ja linkkien ketjun vapaa pää. Päätefektori ei ole liitos. Päätefektori on vain sijainti nivelrungon päässä. Nivelletyllä rungolla voi olla useita päätehosteita, aivan kuten binäärisellä puulla voi olla useita lehtiä.

Kuva 4: Loppuefektoria edustaa vihreä ympyrä.

Nivelet ja asennot

Nivel on liitoksen kierto / siirto, joka liikuttaa kytkettyä linkkiä. Esimerkiksi kuvassa 5, liitoksen A nivel on 45 °, liitoksen B nivel on 15 ° ja liitoksen C nivelten -60 °. Toisaalta pose on joukko niveliä, joka johtaa nivelrungon sijoittamiseen. Toisin sanoen pose on vektori-arvo skalaariarvon sijaan. Esimerkiksi kuvassa 4 nivelrungon asento on < 45 °, 15 °, -60 °>.

Kuva 5: Nivelletty runko, jonka juuriliitoksena on A

Mikä on Forward Kinematics?

Ennen kuin pääsemme käsittelemään mitä käänteinen kinematiikka on, meidän on selvitettävä mikä on Forward Kinematics. Forward Kinematics -toiminto / algoritmi ottaa asennon sisääntulona ja laskee loppuefektorin sijainnin lähdönä. Forward Kinematics on käänteinen Kinematics-funktio. Forward Kinematics -ohjelmassa sinun on määriteltävä koko nivelletyn rungon asento, jotta funktio / algoritmi saadaan pose-syötteellä. Tämä tarkoittaa, että sinun on määriteltävä jokaisen nivelen nivellys nivelrungossa. Tämä voi olla hieno, jos sinulla on vähän niveliä, mutta suurella nivelten lukumäärällä tämä on yleensä tylsää.

Kuvittele nyt, haluatko loppu nivelrungosi efektori saavuttaaksesi tietyn kohdeaseman. Tämä tarkoittaa sitä, että tiedät päätefektoriasennon, johon haluat kohdistaa, mutta et tiedä, minkä nivelrungon asennon on oltava, jotta pääefektorin tulisi saavuttaa tämä kohdeasema. Tässä käänteinen kinematiikka loistaa!

Kuva 6: Kohteen sijaintia edustaa punainen ympyrä. Kohdepaikka määritellään syötteeksi, ja lopputulos, jota tarvitaan loppuefektorin saavuttamiseksi kohdeasemaan, on tulos.

Käänteinen kinematiikka on eteenpäin suuntautuvan kinematiikan käänteinen funktio / algoritmi. Forward Kinematics -toiminto / algoritmi ottaa kohdeasennon tuloksi ja laskee poseeran, jota tarvitaan loppuefektorin saavuttamiseksi kohdeasentoon – pose on lähtö.

Kuten näette, tulo ja lähdöt vaihdetaan FK: n ja IK: n välillä. Käänteisen kinematiikan avulla sinun ei tarvitse määrittää nivelrungon koko asennetta – tämä lasketaan IK-algoritmin avulla. IK: n kanssa sinun on määriteltävä vain sijainti syötteeksi.

Käänteinen kinematiikka tekee kaiken haastavan laskennallisen työn laskettaessa, mikä pose on. Kuva 6 kuvaa tätä hyvin. Ennen kohtausta -kohdassa on nivelletty runko, jolla on joitain tunnettuja poseja. Se määrittelee tavoiteaseman, jonka päätefektori yrittää saavuttaa. Kun IK-algoritmi on sovellettu nivellettyyn runkoon, olemme saavuttaneet jälkikohtauksen. Jälkikohtaus osoittaa, että uusi pose on laskettu siten, että loppuefektori on nyt kohdeasennossa.

Mitkä ovat IK: n käyttötarkoitukset?

Tässä vaiheessa tiedämme, että IK: tä käytetään nivellettyyn runkoon, tiedämme mistä nivelrunko koostuu, ja tiedämme eron IK: n ja FK: n välillä. Meillä on toistaiseksi hyvä yleiskatsaus IK: stä, mutta täydennetään sitä myös muutamilla IK: n hyvillä käyttötapauksilla. IK: tä voidaan käyttää humanoidivarressa tavoittamaan esine / kohde, kuten olemme nähneet. IK: tä voidaan käyttää myös jalka-askeliin, niin että kerromme jalalle, mihin astua ja IK selvittää, miten jalkojen nivelet konfiguroidaan. IK: tä ei yleensä käytetä itse animaationa (tavoittelemalla kohdetta), vaan enemmän kuin animaatiotyökalu. Joten jos toteutat kävelykierron, voit sijoittaa joitain avainkehyksiä IK-työkalulla.

Kuva 7: IK: tä käytetään jalan kiertämisenä tavoitteena. Nivelet L & R kiertyvät kallistetun tason mukaisiksi.

Toinen IK: n keskeinen seikka on, että tavoitteesi ei ole rajoitettu sijaintiin yksin – tavoitteesi voidaan määritellä kierto. Esimerkiksi, jos jalkojesi on pyörittävä epätasaisen maaston perusteella, IK-pyörimistavoitteesi voidaan määrittää lattian normaalin perusteella. Katso kuva 7. Tällä tavalla jalkasi kallistuvat lattiaa pitkin, esimerkiksi kun kävelet kaltevuutta pitkin. Huomaa, että voit käyttää IK: tä myös niin, että pääsi (tai jopa silmäsi) näyttävät tietyssä suunnassa.Jos haluat pääsi seuraavan kohdetta, voit käyttää IK: tä, jotta pää seuraa kohdetta ympäri.

Kommentit

• Erinomainen ja sisäinen osaston selitys! Kiitos ! Sinulla pitäisi olla enemmän näkymiä!

Käänteinen kinematiikka saa koneesi toimimaan realistisemmin. Sitä ei käytetä vain 3D-animaatiossa vaan myös robotiikassa. Voit esimerkiksi liikuttaa hahmosi kättä ja saada hänen kyynärpäänsä ja olkansa oikeaan suuntaan. Tämä voi olla erittäin hyödyllistä joillekin taiteilijoille, jotka yrittävät saada oikea asento. Jos he siirtäisivät käsivarret ensin asentoonsa ja sitten takaisin, he saattavat huomata, että he ovat menettäneet oikean asennon käsivarsiin.