一种抓握动作模拟方法、装置、电子设备及存储介质

本发明涉及数据处理、动作捕捉分析，具体而言，本发明涉及一种抓握动作模拟方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术：

1、在我们的日常生活与工作过程当中，手是我们使用工具、操纵设备等进行一系列社会活动的主要载体，起着至关重要的作用。手可以完成非常复杂的运动功能，在生活中常常帮助人们抓握不同形状、不同体积或不规则的物体，以满足日常需要。而在此期间手指的运动及力学状态往往存在较大的差异，目前尚未有相关的测试评价方法获取人手抓握不同物体时手部运动特征及力学特性。

2、有限元法(finite element method，fem)是一种有效的离散化数值计算方法，能够建立力学模型，把模型中的结构荷载、几何形状、材料性能、边界条件等均用模拟结构来求解。现今的有限元模型已不仅能逼真地模拟运动中的人体骨和软骨等刚性材料，还能将骨结构周围的韧带、肌肉等柔性材料直接或间接地加入模型，使模拟更加真实与完善。

3、利用有限元软件的强大建模功能及其接口工具，可以模拟手部、抓握物体、环境及其相互作用的力学实验，求解出在不同条件下手部模型掌心、各手指等任意部位的变形、抓握力量、应力—应变分布等抓握时的数据。

4、这种精确模拟手部抓握动作的算法可以计算出人体内部结构的受力大小，可应用于人体手部运动损伤的诊断以及设计抓握物体的形状材质。同时，获取的抓握模拟模型可应用于动作捕捉技术中，解决仅对手部初始模型进行缩放后不能准确反映用户当前手部形状，从而影响手部模拟精度的问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供了一种抓握动作模拟方法、装置、电子设备及存储介质，旨在解决上述至少一个技术问题。

2、第一方面，本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种抓握动作模拟方法，该方法包括：

3、获取手掌展开时的手部数据以及手部所接触的目标物体的物体属性信息，所述手部数据包括手指关节长度、手掌展开长度和每根手指指节的指节旋转中心；

4、根据所述物体属性信息和预先建立的手部与待接触目标物体的有限元组合模型，确定所述手部抓握所述目标物体时的接触压力，所述有限元组合模型描述了抓握不同的物体与对应的接触压力之间的对应关系；

5、根据所述手部数据，确定所述手部抓握所述目标物体时的抓握参数，所述抓握参数包括四指抓握力度和掌心深度；

6、以所述接触压力和所述抓握参数对所述目标物体进行抓握动作模拟。

7、本发明的有益效果是：在进行抓握动作模拟之前，先结合手部数据确定手部抓握所述目标物体时的抓握参数，手部数据充分反映了不同的手部数据对应不同的抓握参数，然后基于手部所接触的目标物体的物体属性信息，确定手部抓握所述目标物体时的接触压力，充分考虑了不同的物体属性需要的接触压力不同，不同的手部数据对应不同的抓握参数，使得最后依据以接触压力和抓握参数可进行精准的抓握动作模拟。

8、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

9、进一步，上述有限元组合模型是基于以下方式建立的：

10、采集佩戴压力采集设备的手在抓握具有不同的物体属性信息的物体时接触压力；

11、基于不同的物体属性信息和对应的接触压力，构建所述有限元组合模型。

12、采用上述进一步方案的有益效果是，基于有限元组合模型可准确表征不同的物体属性信息和对应的接触压力之间的关系。

13、进一步，该方法还包括：

14、采集手部图像，根据所述手部图像进行手部关节点检测，得到小指、无名指、中指、食指和拇指各自的y轴相对位置，其中，y轴为所述手部图像所在的图像坐标中的纵坐标；

15、根据所述小指、无名指、中指、食指和拇指各自的y轴相对位置，判断手掌状态，所述手掌状态为展开或弯曲。

16、采用上述进一步方案的有益效果是，由于，通过小指、无名指、中指、食指和拇指各自的y轴相对位置，可准确描述出各个手指之间的位置关系，因此，基于小指、无名指、中指、食指和拇指各自的y轴相对位置，可准确判断出手掌状态。

17、进一步，上述根据所述小指、无名指、中指、食指和拇指各自的y轴相对位置，判断手掌状态，包括：

18、根据各个所述y轴相对位置，确定各个手部关节点中每个所述手部关节点的关节点位置；

19、根据各个所述关节点位置，确定任两个相邻关节点之间相对于y轴的距离；

20、根据各个所述距离，判断所述手掌状态。

21、采用上述进一步方案的有益效果是，由于，通过各个相邻关节点之间相对于y轴的距离可准确表征各个手指的状态，因此，基于各个相邻关节点之间相对于y轴的距离可准确判断手掌状态。

22、进一步，上述获取手掌展开时的手部数据，包括：

23、建立三维坐标系；

24、将预设的手部模型投影到所述三维坐标系下，得到初始手部模型；

25、根据手掌展开时的手掌在所述三维坐标系下的位置数据以及所述初始手部模型，计算得到所述手部数据。

26、采用上述进一步方案的有益效果是，基于初始手部模型和三维坐标系，可准确表征手部数据，因此，基于初始手部模型和三维坐标系可准确计算得到手部数据。

27、进一步，上述根据手掌展开时的手掌在所述三维坐标系下的位置数据以及所述初始手部模型，计算得到所述手部数据，包括：

28、将所述手掌展开时的手掌所在平面与所述三维坐标系中第一轴、第二轴构成的平面重合，且所有手指初始朝向第一轴，确定每根手指指节的末端指节位置；

29、根据所述手掌的当前手部动作数据和所述初始手部模型，计算得到所述手指关节长度和手掌展开长度，并根据所述手指关节长度和手掌展开长度生成中间手部模型；

30、根据所述中间手部模型和每根手指指节的末端指节位置，确定每根手指指节的指节旋转中心。

31、采用上述进一步方案的有益效果是，通过在三维坐标系下的数据，可准确计算得到各个手部数据。

32、进一步，上述根据所述手部数据，确定所述手部抓握所述目标物体时的抓握参数，包括：

33、根据所述手指关节长度和每根手指指节的指节旋转中心，确定各个关节点的位置；

34、根据各个所述关节点的位置，计算每根手指的掌骨和近端指骨形成的夹角，根据各个所述夹角，确定所述四指抓握力度；

35、根据所述手掌展开长度和各个所述关节点的位置，确定掌心相对于坐标原点的位置，根据所述掌心相对于坐标原点的位置，确定所述掌心深度。

36、采用上述进一步方案的有益效果是，不同的手部数据可对应计算得到不同的抓握参数，准确计算手部数据，可使得抓握动作的模拟精度更高。

37、第二方面，本发明为了解决上述技术问题还提供了一种抓握动作模拟装置，该装置包括：

38、数据获取模块，用于获取手掌展开时的手部数据以及手部所接触的目标物体的物体属性信息，所述手部数据包括手指关节长度、手掌展开长度和每根手指指节的指节旋转中心；

39、接触压力确定模块，用于根据所述物体属性信息和预先建立的手部与待接触目标物体的有限元组合模型，确定所述手指抓握所述目标物体时的接触压力，所述有限元组合模型描述了抓握不同的物体与对应的接触压力之间的对应关系；

40、抓握参数确定模块，用于根据所述手部数据，确定所述手部抓握所述目标物体时的抓握参数，所述抓握参数包括四指抓握力度和掌心深度；

41、抓握模拟模块，用于以所述接触压力和所述抓握参数对所述目标物体进行抓握动作模拟。

42、第三方面，本发明为了解决上述技术问题还提供了一种电子设备，该电子设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行该计算机程序时实现本技术的抓握动作模拟方法。

43、第四方面，本发明为了解决上述技术问题还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现本技术的抓握动作模拟方法。

44、本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。