¿Qué es la cinemática inversa?

Hay dos formas principales de colocar una cadena de huesos:

«Forward Kinematics» (FK) es la forma normal de manipular una cadena ósea, basada en las relaciones entre padres e hijos. Necesita rotar cada hueso individualmente.

Cinemática inversa (IK) es otra forma, en la que el movimiento de la cadena está determinado por un hueso «objetivo» (y, opcionalmente, un hueso «polo objetivo») en lugar del relaciones normales entre padres e hijos. Básicamente, colocas el final de la cadena y el solucionador de IK calcula lo que deben hacer el resto de los huesos para que eso suceda.

Por qué ¿Necesitamos la restricción cinemática inversa en el aparejo?

No la necesitamos, simplemente hace la vida más fácil. A menudo mucho más fácil.

¿Cuándo debería usarlo?

En cada situación donde necesita que el extremo de la cadena ósea esté en un lugar específico, como personajes que agarran algo o el pie en el piso mientras caminan.

¿Qué ¿Qué le hace a la armadura?

Gira los huesos de la cadena a su posición de acuerdo con los dos huesos de control (objetivo, poste).

Artículo original: Descripción general de la cinemática inversa

Usted Probablemente haya oído hablar de la cinemática inversa. IK es una herramienta popular en Blender y gráficos por computadora, pero si es la primera vez que intenta crear o usar un sistema de cinemática inversa, es posible que desee obtener más detalles. Voy a explicar qué es el CI, definir el vocabulario y repasar los usos.

¿Cuál es el vocabulario necesario para entender el CI?

Antes de entrar en el corazón del CI , necesitamos definir algo de vocabulario relacionado con el CI. IK es un método que se aplica a un cuerpo articulado. ¿Qué es un cuerpo articulado?

Cuerpo articulado

Un cuerpo articulado puede representar la mayoría de los cuerpos animados como humanos y animales con esqueletos. En pocas palabras, un cuerpo articulado es un árbol de cadenas enlazadas. Las cadenas enlazadas están formadas por uniones y eslabones, donde un eslabón es un cilindro rígido.

Figura 1: Cuerpo humano articulado

Incluso el simple juguete de la foto de portada anterior representa un cuerpo articulado. Solo faltan las articulaciones del codo y la rodilla.

Tipos de articulaciones

En cuanto a las articulaciones, hay dos tipos. El primer tipo de articulación es una articulación revolucionaria. Está conectado a un enlace que gira a su alrededor. La figura 2 muestra una articulación giratoria.

Figura 2: Articulación giratoria

Una articulación giratoria se parece mucho al pasador central de un reloj, con una manecilla de reloj como enlace.

El alfiler de oro del reloj es una articulación revolucionaria. Una articulación prismática es una articulación en la que el enlace conectado se traslada desde la articulación para extender / acortar el enlace. La Figura 3 muestra una articulación prismática.

Figura 3: Junta prismática

Una junta prismática actúa de forma muy similar a extender / retraer la longitud del asa retráctil de su equipaje. Si miras de cerca, el asa de equipaje retráctil tiene 4 juntas prismáticas. 2 juntas prismáticas a la mitad del asa y otras 2 juntas prismáticas a lo largo del asa en la parte superior del equipaje.

Si las juntas prismáticas lo confunden, no se preocupe. No se usan con tanta frecuencia en la cinemática inversa y, como puede ver, ningún ser humano tiene articulaciones prismáticas, solo articulaciones revolucionarias. Estructura jerárquica

Un cuerpo articulado tiene una articulación de raíz. La articulación de la raíz es la base de la estructura. La articulación de la raíz de un humanoide suele ser el centro de las caderas. El cuerpo articulado está formado por un árbol de articulaciones y enlaces, comenzando en la articulación de la raíz. Una nueva articulación y enlace es similar a una nueva rama de un árbol. Un enlace / articulación interior es un enlace / articulación que está más cerca de la articulación raíz dentro de la jerarquía de árbol del cuerpo articulado, en lo que se refiere a la articulación / enlace dado. Un enlace / articulación exterior es un enlace / articulación que está más lejos de la articulación de la raíz dentro de la jerarquía del árbol del cuerpo articulado. En la Figura 4, la articulación A es la articulación raíz, el enlace 1 es el enlace interior de la articulación B, el enlace 2 es el enlace externo de la articulación B.

Efecto final

Un efector final es una posición en la posición más externa del enlace más externo.Es el extremo libre de la cadena de articulaciones y eslabones alternos. El efector final no es una articulación. El efector final es simplemente la posición al final de un cuerpo articulado. Un cuerpo articulado puede tener múltiples efectores finales, al igual que un árbol binario puede tener múltiples hojas.

Figura 4: El efector final está representado por un círculo verde.

Articulaciones y Poses

Una articulación es una rotación / traslación de una articulación que mueve un enlace conectado. Por ejemplo, en la Figura 5, la articulación A tiene una articulación de 45 °, la articulación B tiene una articulación de 15 ° y la articulación C tiene una articulación de -60 °. Por otro lado, una pose es un conjunto de articulaciones articulares que resulta en posicionar el cuerpo articulado. En otras palabras, la pose es un valor vectorial en lugar de un valor escalar. Por ejemplo, en la Figura 4, la pose del cuerpo articulado es < 45 °, 15 °, -60 °>.

Figura 5: Cuerpo articulado con A como articulación de la raíz

¿Qué es la cinemática directa?

Antes de que podamos entrar en lo que es la cinemática inversa, debemos averiguar qué es la cinemática directa. La función / algoritmo Forward Kinematics toma una pose como entrada y calcula la posición del efector final como salida. La cinemática directa es la función inversa de la cinemática inversa. Con Forward Kinematics, debe definir la pose completa de un cuerpo articulado para proporcionar la función / algoritmo con la entrada de pose. Esto significa que debe definir la articulación de cada articulación en el cuerpo articulado. Esto podría estar bien si tiene un número bajo de porros, pero con un gran número de porros, esto tiende a ser tedioso.

Ahora, imagínese si quiere el final efector de su cuerpo articulado para alcanzar una posición de destino particular. Esto significa que conoce la posición del efector final a la que le gustaría apuntar, pero no sabe cuál debe ser la pose del cuerpo articulado para que el efector final alcance esta posición. ¡Aquí es donde brilla la cinemática inversa!

Figura 6: La posición de destino está representada por un círculo rojo. La posición de destino se define como la entrada y la pose resultante requerida para que el efector final alcance la posición de destino es la salida.

La cinemática inversa es la función / algoritmo inverso de la cinemática directa. La función / algoritmo Forward Kinematics toma una posición objetivo como entrada y calcula la pose requerida para que el efector final alcance la posición objetivo; la pose es la salida.

Como puede ver, la entrada y la salida se cambia entre FK e IK. Con la cinemática inversa, no es necesario definir la pose completa de un cuerpo articulado; esto se calcula para usted mediante el algoritmo IK. Con IK, solo necesita definir una posición como entrada.

La cinemática inversa hace todo el desafiante trabajo computacional de calcular cuál es la pose. La figura 6 representa esto bien. En la escena del Antes, hay un cuerpo articulado con alguna pose conocida. Define una posición de destino para que el efector final intente alcanzar. Una vez aplicado el algoritmo IK al cuerpo articulado, llegamos al After Scene. La escena posterior muestra que se ha calculado una nueva pose, de modo que el efector final está ahora en la posición de destino.

¿Cuáles son los usos de IK?

En este punto, sabemos que IK se aplica a un cuerpo articulado, sabemos de qué está compuesto un cuerpo articulado y sabemos la diferencia entre IK y FK. Tenemos una buena descripción general de IK hasta ahora, pero vamos a completarla con algunos buenos casos de uso de IK también. IK se puede utilizar para que un brazo humanoide alcance un objeto / objetivo, como hemos visto. IK también se puede utilizar para pisar, de modo que le decimos al pie dónde pisar y el IK descubre cómo configurar las articulaciones de las piernas. IK no se usa generalmente como una animación en sí misma (alcanzar un objeto), sino más como una herramienta de animación. Entonces, si está implementando un ciclo de caminata, puede colocar algunos de los fotogramas clave usando la herramienta IK.

Figura 7: El CI se aplica con la rotación del pie como objetivo. Las articulaciones L & R giran para ajustarse al plano inclinado.

Otro punto clave sobre IK es que su meta / objetivo no se limita a la posición solo: su objetivo se puede definir como una rotación. Por ejemplo, si sus pies necesitan rotar en función de un terreno irregular, su objetivo de rotación IK se puede definir en función de la normalidad del suelo. Vea la Figura 7. De esta manera, sus pies se inclinan a lo largo del piso, como cuando está subiendo una pendiente. Tenga en cuenta que también puede usar IK para que su cabeza (o incluso sus ojos) miren en una dirección determinada.Si quieres que tu cabeza siga un objeto, puedes usar IK para que la cabeza siga al objeto alrededor.

Comentarios

• Excelente e ingenioso explicación del departamento! Gracias ! ¡Debería tener más vistas!

La cinemática inversa hace que su equipo actúe de manera más realista. No solo se usa en animación 3D, sino también en robótica. Por ejemplo, puedes mover la mano de tu personaje y hacer que su codo y hombro se muevan en la orientación adecuada. Esto puede ser extremadamente útil para algunos artistas que están tratando de obtener la postura correcta. Si movieron los brazos a su posición primero y luego movieron la espalda, podrían encontrar que han perdido la posición correcta para los brazos.