Modelowanie i animacja humanoida w przestrzeni trójwymiarowej



Podobne dokumenty
POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ MECHATRONIKI

Plan wykładu. Akcelerator 3D Potok graficzny

DROGA ROZWOJU OD PROJEKTOWANIA 2D DO 3D Z WYKORZYSTANIEM SYSTEMÓW CAD NA POTRZEBY PRZEMYSŁU SAMOCHODOWEGO

PRACA DYPLOMOWA MAGISTERSKA

Aleksandra Zając. Raport. Blender. Pokemon: Eevee

Techniki animacji komputerowej

Temat: Zaprojektowanie procesu kontroli jakości wymiarów geometrycznych na przykładzie obudowy.

POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTYTUT OBRABIAREK I TECHNOLOGII BUDOWY MASZYN. Ćwiczenie D - 4. Zastosowanie teoretycznej analizy modalnej w dynamice maszyn

1 TEMAT LEKCJI: 2 CELE LEKCJI: 3 METODY NAUCZANIA 4 ŚRODKI DYDAKTYCZNE. Scenariusz lekcji. Scenariusz lekcji. 2.1 Wiadomości: 2.

Modelowanie w projektowaniu maszyn i procesów cz.5

SPECYFIKACJA TECHNICZNO-HANDLOWA OPROGRAMOWANIA DO PRAC KONSTRUKCYJNYCH 3D (razem 6 licencji)

Badanie ruchu złożenia

SolidWorks 2017 : projektowanie maszyn i konstrukcji : praktyczne przykłady / Jerzy Domański. Gliwice, cop Spis treści

MODELOWANIE I SYMULACJA UKŁADÓW PNEUMATYCZNYCH, HYDRAULICZNYCH I ELEKTRYCZNYCH za pomocą programu komputerowego AUTOSIM 200

IRONCAD. TriBall IRONCAD Narzędzie pozycjonujące

Tworzenie i modyfikacja modelu geologicznego

Projektowanie systemów zrobotyzowanych

INSTYTUT INFORMATYKI STOSOWANEJ MODELOWANIE CZĘŚCI Z WYKORZYSTANIEM PROGRAMU SOLID EDGE

Tworzenie nowego rysunku Bezpośrednio po uruchomieniu programu zostanie otwarte okno kreatora Nowego Rysunku.

GRAFIKA INŻYNIERSKA POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY KATEDRA MECHATRONIKI. Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego.

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

MODELOWANIE ZŁOŻENIA SILNIKA W PROGRAMIE SOLID EDGE

Podstawy 3D Studio MAX

SYMULACJA OPADÓW ATMOSFERYCZNYCH I POKRYWY ŚNIEŻNEJ W GENERATORZE OBRAZU JASKIER IG

Konstruuj z głową! Naucz się SolidWorksa!

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Modelarstwo Rodzaje modelarstwa: Redukcyjne

True Space 3.2 KURS PODSTAWOWY. program można ściągn ąć za darmo ze strony Co to właściwie jest?

Modele symulacyjne PyroSim/FDS z wykorzystaniem rysunków CAD

Kierunek: Automatyka i Robotyka Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: Niestacjonarne. laboratoryjne projektowe.

Przykładowe plany zajęć lekcyjnych Design the Future Poland

CYFROWA SYNTEZA FOTOREALISTYCZNYCH OBRAZÓW W ŚRODOWISKU 3D

Podczas wykonywania analizy w programie COMSOL, wykorzystywane jest poniższe równanie: 1.2. Dane wejściowe.

Cel ćwiczenia: Nabycie umiejętności poruszania się w przestrzeni programu Kuka.Sim Pro oraz zapoznanie się z biblioteką gotowych modeli programu.

Praktyczne zastosowanie grafiki komputerowej

Misja #1 Poznajemy Prophio.

Projektowanie systemów zrobotyzowanych

Rysunek 1: Okno timeline wykorzystywane do tworzenia animacji.

Wybrane aspekty teorii grafiki komputerowej - dążenie do wizualnego realizmu. Mirosław Głowacki

Politechnika Warszawska Wydział Mechatroniki Instytut Automatyki i Robotyki

Ćwiczenie nr 3 Edycja modeli bryłowych

I. KARTA PRZEDMIOTU CEL PRZEDMIOTU

5.4. Efekty specjalne

Wprowadzenie do rysowania w 3D. Praca w środowisku 3D

Modelowanie krzywych i powierzchni

MODEL 3D MCAD LEKKIEGO SAMOLOTU SPORTOWEGO, JAKO ŹRÓDŁO GEOMETRII DLA ANALIZY WYTRZYMAŁOŚCIOWEJ MES OBIEKTU

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

POŚLADKI NA PIĄTKĘ ZESTAW 5 ĆWICZEŃ, KTÓRE SPRAWIĄ, ŻE TWOJE POŚLADKI STANĄ SIĘ SILNE, SPRĘŻYSTE I BĘDĄ WYGLĄDAŁY PIĘKNIE

Misja#3. Robimy film animowany.

Techniki wizualizacji. Ćwiczenie 10. System POV-ray tworzenie animacji

Katedra Zarządzania i Inżynierii Produkcji 2013r. Materiały pomocnicze do zajęć laboratoryjnych

MODEL MANIPULATORA O STRUKTURZE SZEREGOWEJ W PROGRAMACH CATIA I MATLAB MODEL OF SERIAL MANIPULATOR IN CATIA AND MATLAB

OPTYMALIZACJA ZBIORNIKA NA GAZ PŁYNNY LPG

S Y L A B U S P R Z E D M I O T U

Wymagania edukacyjne z informatyki dla klasy szóstej szkoły podstawowej.

Projekt stanowiska robota przemysłowego IRB 120

Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki. Karta przedmiotu. obowiązuje studentów rozpoczynających studia w roku akademickim 2015/2016

Samoobrona. mężczyzny. Głowa Oczy Nos Szyja. Głos. Zęby. Łokieć. Dłoń Jądra Palce. Kolana. Golenie. Pięta. Stopa

Grafika komputerowa i wizualizacja

Ćwiczenie nr 8 - Modyfikacje części, tworzenie brył złożonych

NOWOCZESNE WYKORZYSTANIE ROBOTYKI

Narzędzia wizualizacji - AutoCAD 2013 PL

Rys. 1. Rozpoczynamy rysunek pojedynczej części

ZESPÓŁ SZKÓŁ MECHANICZNYCH CKP NR 2

Program V-SIM tworzenie plików video z przebiegu symulacji

Tworzenie prezentacji w MS PowerPoint

Obiekt 2: Świątynia Zeusa

Animowana grafika 3D Laboratorium 1

Grafika Komputerowa Materiały Laboratoryjne

RAPORT. Gryfów Śląski

Automatyka i Robotyka II stopień ogólno akademicki. studia stacjonarne Automatyka Przemysłowa Katedra Automatyki i Robotyki Dr inż.

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Numeryczne metody analizy konstrukcji

AKADEMIA MORSKA KATEDRA NAWIGACJI TECHNICZEJ

WIZUALIZACJA I STEROWANIE ROBOTEM

Przygotowanie grafiki 3D do gier komputerowych

POMYSŁ TECHNICZNEGO ROZWIĄZANIA PRZENOŚNEGO STOŁU TRENINGOWEGO DO ĆWICZEŃ Z UŻYCIEM INSTRUMENTARIUM ENDOSKOPOWEGO DLA SZEŚCIU OPERATORÓW

Tematy lekcji informatyki klasa 4a styczeń 2013

POSTĘPY W KONSTRUKCJI I STEROWANIU Bydgoszcz 2004

Materiały pomocnicze do programu AutoCAD 2014

Poprzez dodanie silnika obrotowego przeprowadzić symulację pracy mechanizmu.

POLITECHNIKA RZESZOWSKA PLAN STUDIÓW

POKL /10

Wybrane aspekty teorii grafiki komputerowej - dążenie do wizualnego realizmu. Mirosław Głowacki

ECTS - program studiów kierunku Automatyka i robotyka, Studia I stopnia, rok akademicki 2015/2016

Projekt konstrukcyjny i wykonanie prototypu mechanizmu Jansena. The construction project and making the prototype of the Jansen mechanism

POKL /10. Gliwice, SKN Robotyki Encoder Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki Politechnika Śląska RAPORT

Modelowanie biomechaniczne. Dr inż. Sylwia Sobieszczyk Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny KMiWM 2005/2006

PLAN STUDIÓW - STUDIA STACJONARNE I STOPNIA kierunek: automatyka i robotyka

MASS Sports Poland - Instrukcja do Arkusza Pomiarowego Motocyklisty INSTRUKCJA POMIARU

Modelowanie części w kontekście złożenia

FAKULTET PROJEKTOWANIE PARAMETRYCZNE BIM

autorskie materiały szkoleniowe i ćwiczenia

Kierunek: Automatyka i Robotyka Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne. Wykład Ćwiczenia

Rys 3-1. Rysunek wałka

Górnicki Mateusz 17681

Politechnika Śląska. Katedra Wytrzymałości Materiałów i Metod Komputerowych Mechaniki. Praca dyplomowa inżynierska. Wydział Mechaniczny Technologiczny

PORÓWNANIE FUNKCJI PROGRAMÓW SOLIDWORKS i IRONCAD (na podstawie wykazu funkcji programu SolidWorks zamieszczonego na stronie producenta).

NX CAD. Modelowanie powierzchniowe

Młody inżynier robotyki

Ćwiczenie nr 5 i 6 Przygotowanie dokumentacji technicznej dla brył

Transkrypt:

mgr MAREK KUBICA mkubica@us.edu.pl www.marek.prv.pl dr GRZEGORZ SŁUŻAŁEK grzegorz.sluzalek@us.edu.pl mgr PIOTR WÓJCIK Uniwersytet Śląski, Wydział Informatyki i Nauki o Materiałach 41-200 Sosnowiec, ul. Śnieżna 2 Modelowanie i animacja humanoida w przestrzeni trójwymiarowej WSTĘP Roboty coraz częściej stosuje się w zakładach produkcyjnych w celu otrzymywania produktów wysokiej jakości, co przy obecnym wzroście konkurencji jest bardzo ważne, gdyż obniża ceny towarów masowej produkcji. Takie maszyny mogą pracować 24 godziny na dobę, a przy odpowiednich warunkach ich utrzymanie jest tańsze od zatrudniania zwykłych pracowników. Najogólniej rozwój robotyki zależy od trzech czynników: technicznych, ekonomicznych i społecznych. Naukowcy tworząc różnego rodzaju roboty mechaniczne coraz częściej korzystają z programów do modelowania trójwymiarowego. Możliwości obecnych programów CAD (Computer Aided Design komputerowe wspomaganie projektowania) dzięki ogromnej mocy obliczeniowej nowoczesnych procesorów CPU i GPU pozwalają nie tylko na projektowanie modeli trójwymiarowych w czasie rzeczywistym, ale także tworzenie rozbudowanych symulacji ruchu, wizualizacji i animacji, a nawet przeprowadzanie analiz naprężeń i odkształceń danego obiektu [1]. Patrząc na postępujący w ogromnym tempie rozwój techniki i jej możliwości można przypuszczać, że w niedalekiej przyszłości roboty przemysłowe przejmą większość obowiązków zawodowych, które w chwili obecnej wykonują ludzie, a prawie każdy obywatel świata będzie posiadał robota humanoidalnego w swoim zaciszu domowym. Humanoid to każdy byt, którego kształt ciała przypomina ludzkie. Termin obejmuje więc ssaki naczelne jak i mityczne istoty czy sztuczne organizmy (androidy), szczególnie w kontekście fantastyki naukowej i fantastyki baśniowej [2]. Początki tworzenia robotów sięgają już czasów starożytnych ok. 400-300 r. p.n.e. kiedy to pewien Grek zbudował mechanicznego gołębia. Mówiąc jednak o rozwoju robotów człowieko-kształtnych można zacząć od roku 1206, w którym Arab Al-Jazar skonstruował mechanizm przedstawiający 4 muzyków znajdujących się w łodzi. Słowo robot zostało użyte i spopularyzowane przez czeskiego pisarza Karela Čapek, będącego jednym z pionierów fantastyki naukowej w 1921 roku. Robot WAP-1 powstał w 1969 roku i był pierwszym dwunożnym robotem kroczącym, aktywowanym pneumatycznie (Rys. 1.), a jego twórcą był Ichiro Kato - japoński naukowiec. Zastosowane w tym robocie sztuczne mięśnie wykonane z gumy i przyłączone do ramy były stymulowane przez komputer [3]. Rys. 1. Robot WAP-1 wykonany przez Ichiro Kato [3] 1

Lata 1993-1997 to okres powstania serii prototypów typu P (Rys.2.), robota podobnego do człowieka: Model P1 - był pierwszym prototypem przypominającym kształtem człowieka, Model P2 zbudowany w 1996 roku, charakteryzował się bardziej realistycznym wyglądem, a także samodzielnym poruszaniem, Model P3 - pierwszy całkowicie niezależny, dwunożny humanoid zbudowany w 1997 roku, mierzył 160cm i ważył 130kg. Rys. 2. Prototypy serii P od lewej P1 P3 [4] GRAFIKA KOMPUTEROWA - MODEL 2D HUMANOIDA Grafika komputerowa jest dziedziną informatyki zajmującą się tworzeniem obrazów oraz wizualizacją rzeczywistych danych przy pomocy komputera. Obecnie wykorzystuje się ją w rozrywce, kulturze, nauce i technice na przykład do: tworzenia gier komputerowych, filmów animowanych, diagnostyki medycznej, kreślenia i projektowania (CAD). Przed przystąpieniem do modelowania trójwymiarowego, został stworzony model 2D Humanoida w programie Inkscape, który jest widoczny na rysunku 3. 2 Rys. 3. Model 2D humanoida MODELOWANIE CZĘŚCI CIAŁA HUMANOIDA Modelowanie 3D jest procesem tworzenia i modyfikacji obiektów trójwymiarowych statycznych bądź animowanych z wykorzystaniem specjalistycznego oprogramowania. Programy służące do modelowania zwane są modelerami. Obiekt trójwymiarowy to zbiór punktów umieszczonych w przestrzeni połączonych ze sobą, a także z różnymi elementami geometrycznymi takimi jak np. trójkąty, linie, zakrzywione powierzchnie itp. Modelowanie 3D w aplikacji Solid Edge jest procesem tworzenia i modyfikacji obiektów trójwymiarowych statycznych bądź dynamicznych (animowanych). Podczas

modelowania części użytkownik w każdym momencie projektowania może powrócić do dowolnej, wcześniej wykonanej operacji w celu zmiany jej parametrów. Odbywa się to za sprawą umieszczonej w programie możliwości edycji dynamicznej. Budując zespoły można skorzystać z dwóch technik. Jedną z nich jest łączenie poszczególnych części za pomocą definiowania relacji 3D. Modelowanie humanoida rozpoczęto od stworzenia dłoni przypominającej ludzką. Na rysunkach 4 i 5 przedstawiona jest dłoń wraz z palcami: przed renderingiem (Rys. 4.) i po renderingu (Rys. 5.). Rendering pozwala projektantowi zobaczyć zawarte w scenie efekty takie jak tekstury i cienie, odbicia i załamani światła, które podczas tworzenia projektu są praktycznie niezauważalne [1]. Rys. 4. Model dłoni wraz palcami przed renderingiem Rys. 5. Model dłoni wraz palcami po renderingu w module zespół Do zamodelowanej dłoni zostało wykonane przedramię humanoida (Rys. 6.). W elemencie tym została zawarta imitacja łokcia zasłaniająca połączenie między przedramieniem i ramieniem. Następnie w przestrzeń trójwymiarową wyciągnięto ramię wykonane na podobieństwo umięśnionej ręki człowieka (Rys. 7.). Zostało one scalone z przedramieniem za pomocą połączenia zawiasowego w module zespołu. Rys. 6. Model przedramienia humanoida Rys. 7. Ramię humanoida Kolejnym krokiem było zamodelowanie talii i klatki piersiowej z zarysowanymi mięśniami złączonej z ramionami za pomocą połączenia kulkowego. 3

Rys. 8. Przód modelu klatki i talii humanoida Rys. 9. Tył modelu pleców i talii Pierwszym elementem dolnej partii modelu humanoida, był pas (Rys. 10.) scalony z tułowiem połączeniem kulowym. Rys. 10. Rendering pasa humanoida Do dolnej części pasa, dołączone zostały uda, z którymi powiązano łydki ze stopami, które były zamodelowane jako kolejne części (Rys.11-13.). Rys. 11. Model uda Rys. 12. Łydka Rys. 13. Stopa Wszystkie te elementy scalono za pomocą połączenia zawiasowego w którym wykorzystano odpowiednio zaprojektowane łączniki (Rys. 14.). 4

Rys. 14. Łączniki: 1- palców w dłoni, 2- przedramienia z ramieniem, 3- stopy z łydką, 4- łydki z udem, 5- uda z pasem W końcowej fazie modelowania, mając już prawie kompletną strukturę humanoida została stworzona głowa wraz z oczami, nosem i ustami tak by swoim wyglądem przypominała ludzką. MODELOWANIE GŁOWY HUMANOIDA NA KSZTAŁT LUDZKIEJ Projektowanie głowy z szyją rozpoczęto od wyciągnięcia kształtu czaszki przez odpowiednio naszkicowane przekroje, zastosowania funkcji zaokrąglenia i wycięcia, dzięki czemu uzyskano bryłę o kształcie ludzkiej głowy. Kolejno zamodelowano: nos (Rys. 15.), oczy (Rys. 16. i 17.), usta (Rys. 18.). Rys.15. Głowa po wyciągnięciu nosa wraz z widocznymi promieniami zaokrągleń Rys. 16. Szkic operacji wycinania oczu Rys. 17. Efekt wyciągnięcia obrotowego z zaokrąglonymi krawędziami 5

Rys. 18. Okno edycyjne wyciągnięcia obrotowego: a) szkic wyciągnięcia, b) odległość szkicu od osi obrotu Rysunek 19 przedstawia model głowy w module zespół z zastosowaniem kolorów poszczególnych części, a rysunek 20 przerobioną głowę z teksturą i dołożonym tłem w programie graficznym Gimp 2.6. Rys. 19. Model głowy humanoida Rys. 20. Głowa humanoida obrobiona w programie graficznym Gimp Wszystkie części ciała humanoida zostały złożone w całość, za pomocą odpowiednich relacji, w module zespołu programu Solid Edge, a następnie poddane renderingowi czego efekt zaprezentowano na rys.21. 6

Rys. 21. Wybrane sceny renderingu humanoida Chcąc zobaczyć jakie części wchodzą w skład powstałego zaspołu widocznego po złożeniu modelu można zastosować opcję rozstrzelenia, która powoduje wyodrębnienie przez program każdego scalonego uprzednio fragmentu. Na rysunku 22 widać efekt rozstrzelenia części składających się na nogi modelowanego humanoida. Rys. 22. Rozstrzelenie części składających się na nogi modelowanego humanoida SYMULACJA RUCHU HUMANOIDA Od wersji 19 Solid Edge a możliwe jest definiowanie napędu oraz zastosowanie relacji przekładni. Mając gotowy zespół użytkownik ma możliwość dodania do poszczególnych części silników, których ruch może być obrotowy lub liniowy. Relacja przekładni umożliwia zdefiniowanie pomiędzy dwoma elementami zespołu zależności powodującej, że zachowują się one jak elementy przekładni zębatej, pasowej, ciernej itp. Zastosowanie omawianej relacji powoduje, że symulacja przebiega znacznie szybciej, niż przy zastosowaniu dostępnej w poprzednich wersjach SE opcji ruchu rzeczywistego [5]. Wykorzystując model humanoida została wykonana jego wizualizacja i animacja, na które składały się: dodawanie silników do odpowiednich części (Rys. 23.), teksturowanie, 7

rendering, ustawianie akcji w osi czasu, dodawanie nowych ścieżek ruchu, rozstrzelenie modelu humanoida na części. Rys. 23. Zadawanie właściwości silnika symulującego ruch obrotowy Na osi czasu widoczne są poszczególne klatki wideo tworzonej animacji (Rys. 24.), a napędy zastosowane dla danej części występują w postaci pasków. Dodatkowym efektem przy tworzeniu animacji jest ruch kamery, która potrafi się przemieszczać w przestrzeni trójwymiarowej po dowolnie wybranej trajektorii. Rys. 24. Widok osi czasu podczas tworzenia animacji W zależności od stopnia skomplikowania modelowanego zespołu, ilości zadanych klatek na sekundę i kompresji generowanej animacji czas powstawania krótkiego filmu może wahać się od kilkunastu minut do kilku godzin. Na rysunku 25 przedstawiono wybrane klatki z utworzonej w programie Solid Edge animacji humanoida. 8

Rys. 25. Wybrane klatki animacji humanoida PODSUMOWANIE Projekt humanoida został wykonany tak, aby w jak największym stopniu przypominał kształtem człowieka. Podczas tworzenia modelu zostały wykorzystane różne operacje w module część programu Solid Edge począwszy od prostego szkicu, poprzez różnego rodzaju wycięcia, tworzenie otworów, aż do wyciągnięć obrotowych i przez przekroje. Poszczególne elementy humanoida zostały złożone w module zespół za pomocą odpowiednich relacji. Poszczególne elementy zostały zamodelowane w oparciu o istniejące modele robotów. Obserwując rozwiązania techniczne istniejących projektów zostały zastosowane różne połączenia między poszczególnymi częściami. Oprócz znanego połączenia zawiasowego, łączącego dwa elementy za pomocą łącznika, zostały zastosowane również połączenia kulowe umożliwiające ruch danej części w przód, w tył oraz na boki. Animacja została stworzona tak, aby zobrazować budowę humanoida poprzez rozstrzelenie jego poszczególnych części. Program Solid Edge pozwala na dodawanie silników do zamodelowanych elementów co umożliwiło przedstawienie modelu podczas chodu. Możliwość dodawania ruchu kamery, tworzenia jej nowych ścieżek, a także duże możliwości renderingu i cieniowania dodały animacji atrakcyjności. Rozwój robotyki nabiera coraz większego tempa. Obecnie naukowcy prowadzą badania dotyczące sztucznej inteligencji. Ludzie coraz częściej niechętnie podchodzą do wykonywania prac, z których nie czerpią satysfakcji. Ten problem w niedalekiej przyszłości może być rozwiązany przez zastąpienie człowieka, na takim stanowisku pracy, myślącym robotem. Rozwój robotyki jest w obecnych czasach pożądany, ponieważ kładzie się nacisk na otrzymywanie produktów wysokiej jakości, przy jednoczesnym obniżaniu kosztów produkcji, w krótszym czasie ich otrzymywania. Śledząc obecne nowości techniki, robotyki i automatyki, a także możliwości dzisiejszej nauki można przypuszczać, że w niedalekiej przyszłości roboty przemysłowe przejmą większość obowiązków zawodowych wykonywanych obecnie przez człowieka. 9

LITERATURA 1. M. Kubica: Techniki komputerowego wspomagania projektowania przy użyciu środowiska Solid Edge V19 dla modelu koła samochodowego. Politechnika śląska, Katowice 2010. 2. http://pl.wikipedia.org/wiki/humanoid 3. http://www.asimo.pl/historia/robotyka_kalendarium_1969.php 4. http://world.honda.com/asimo/history/ 5. http://www.lightwave3dmodels.com/android%20andy%20_front%20comp.htm 6. G. Kazimierczak: Solid Edge 17. Podstawy. Helion, 2005. 10