A Simplified Contact Model for Treating the Balance of Biped Virtual Characters

Abstract

Resumo-Neste trabalho,é apresentado um modelo para tratamento de equilíbrio baseado em física para personagens bípedes. Controladores Proporcionais-Derivativos (PD) são usados para imitar as características angulares das juntas, enquanto o controle de equilíbrioé feito através da Jacobiana Transposta. A Jacobianaé construída baseada no momentum (angular e linear) total do personagem, relativo ao seu Centro de Massa (COM), permitindo que o controle de equilíbrio envolva todas as suas partes, como um todo, e não apenas seus membros inferiores. O modelo de contato proposto confere ao personagem bastante estabilidade, facilitando o trabalho do controlador e permitindo uma fácil inicialização da simulação. Além disso, caso seja de sua preferência,é permitido ao animador sacrificar um pouco da corretude física da simulação em troca de uma estabilidade ainda maior, o que consiste em uma ferramenta bastanteútil na prática. O sistema não usa otimização eé simples de implementar. A robustez do controladoré demonstrada através de uma diversidade de testes, em que o personagem se mostra capaz tanto de se adaptar a intervenções externas do ambiente quanto de imitar movimentos capturados, usados diretamente sem qualquer tipo de adaptação.Palavras-Chave-Interação 3D; Humanos virtuais e avatares; Animação baseada em física; Controladores.Abstract-In this work, we present a physically-based model for maintaining the equilibrium of biped characters. We use Proportional-Derivative (PD) Controllers to mimic the characteristics of angular joints, and deal with the equilibrium through a method that uses the transpose of the Jacobian matrix that relates the angular and linear momentum at the Center of Mass (COM) of the character's body to the corresponding quantities at all its links, which are treated as end effectors. Also, we propose a contact model for treating the interaction between the feet and the ground that confers great stability to the character and makes it easier for the controller and for the starting of the simulation. It also makes it convenient for the animator to adjust the model so as to consider a trade-off between more physical realism and more stability. The system does not use optimization and is simple to implement. The robustness of the controller is demonstrated through a series of tests. Keywords-3D interaction; Virtual humans and avatars; Physics-based animation; Controllers.Figura 1. Modelo de contato do pé de apoio. (a) O modelo de contato simplificado proposto aumenta a estabilidade da interação do pé com o chão, permitindo que o pé de apoio se mantenha firme, mesmo quando a geometria usada na simulação nãoé adequada. (b) Sem o modelo proposto, o torque aplicado ao pé nãoé compensado. Nesse caso, controladores mais complicados, envolvendo otimização [4] [5], seriam exigidos. I. INTRODUÇÃONaárea de controle de movimento humano baseado em física, os personagens simulados geralmente consistem de estruturas de corpos (links) rígidos articulados com atuadores angulares internos localizados em suas juntas. Mai...