(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211497475.7 (22)申请日 2022.11.28 (71)申请人 杭州轻宇宙科技有限公司 地址 311121 浙江省杭州市余杭区文一西 路1217号 IT公园7幢3楼3 01室 (72)发明人 孙相宇　刘文迅　江军　 (74)专利代理 机构 杭州五洲普华专利代理事务 所(特殊普通 合伙) 33260 专利代理师 姚宇吉 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06T 13/40(2011.01) (54)发明名称 一种数字孪生虚拟人的构建方法、 系统、 电 子设备及 介质 (57)摘要 本发明涉及人工智能技术领域， 具体为一种 数字孪生虚拟人的构建方法、 系统、 电子设备及 介质， 通过建立肌肉动力学函数， 将与肌肉动力 学函数相关的相应参数输入至肌肉动力学函数， 得到人体肌肉的肌肉对外输出力FMT； 建立肌骨 动力学函数， 将与肌骨动力学函数相关的相应参 数， 并将与肌骨动力学函数相关的相应参数和得 到的与人体关节点对应的各个肌肉的肌肉对外 输出力FMT输入至肌骨动力学函数， 得到各个人 体关节点的对外输出合力F和围绕对应人体关节 点旋转的力矩T， 并都更新到刚体模型中。 本发明 提出的数字孪生虚拟人的构建方式， 能够使 得肌 骨运动形成闭环控制， 从而使得能够通过构建的 数字孪生虚拟人去更有效的模拟生物体的真实 运动原理。 权利要求书3页 说明书12页 附图8页 CN 115544812 A 2022.12.30 CN 115544812 A 1.一种数字 孪生虚拟人的构建方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 建立与人体对应的刚体模型； 建立肌肉动力学函数， 获取与肌肉动力学函数相关的相应参数， 输入至所述肌肉动力 学函数， 得到人体肌肉的肌肉对外 输出力FMT并更新到所述刚体模型中； 建立肌骨动力学函数， 获取与肌骨动力学函数相关的相应参数， 并将与肌骨动力学函 数相关的相应参数和与人体关节点对应的各个肌肉的肌肉对外输出力FMT输入至所述肌骨 动力学函数， 得到各个人体关节点的对外输出合力F和围绕对应人体关节点旋转的力矩T并 更新到所述刚体模型中。 2.根据权利要求1所述的数字 孪生虚拟人的构建方法， 其特 征在于， 还 包括以下步骤： 建立多刚体运动学函数， 获取与多刚体运动学函数相关的相应参数， 并将与多刚体运 动学函数相关的相应参数、 人体部位在与环境交互时涉及到发力的各个人体关节点的对外 输出合力F、 围绕对应人体关节点旋转的力矩T输入至所述多刚体运动学函数， 得到人体部 位与环境交 互的力Fex并更新到所述刚体模型中。 3.根据权利要求1所述的数字孪生虚拟人的构建方法， 其特征在于， 建立与 人体对应的 刚体模型的步骤具体包括： 获取与人体对应的刚体模型， 获取人体图像， 计算所述人体图像中与所述刚体模型中 刚体关节点相对应的人体关节点之 间的图像距离， 根据所述图像距离计算所述人体关节点 对应的肢体长度数据L， 将与所述人体关节点对应的肢体长度数据L更新到所述刚体模型 中， 并获取 所述人体图像中所述人体关节点的关节夹角 θ 更新到所述刚体模型中。 4.根据权利要求3所述的数字孪生虚拟人的构建方法， 其特征在于， 与 人体对应的刚体 模型设置有17个刚体关节点， 17个刚体关节点分别为12个刚体四肢关节点和 5个刚体躯干 关节点， 12个刚体四肢关节点分别为： 两个腕刚体关节点、 两个肘刚体关节点、 两个肩刚体 关节点、 两个髋刚体关节点、 两个膝刚体关节点和两个踝刚体关节点， 5个刚体躯干关节点 分别为： 颈刚体关节点、 两个胸刚体关节点和两个腰刚体关节点。 5.根据权利要求1所述的数字孪生虚拟人的构建方法， 其特征在于， 建立肌肉动力学函 数， 获取与肌肉动力学函数相关的相应参数， 输入至所述肌肉动力学函数， 得到肌肉的肌肉 对外输出力FMT并更新到所述刚体模型中的步骤具体包括； 建立人体各个肌肉的肌肉对外输出力FMT与相应的肌肉长度LMT、 肌腹长度LM、 肌肉被动 拉伸最大长度LST、 肌纤维夹角 α、 肌肉主动收缩最小长度LSR、 肌腹收缩刚度kPE、 肌腱刚度kT、 肌腹最大发力 、 肌腹激活度z的肌肉动力学函数， 获取肌肉长度LMT、 肌腹长度LM、 肌肉被 动拉伸最大长度LST、 肌纤维夹角α、 肌肉主动收缩最小长度LSR、 肌腹收缩刚度kPE、 肌腱刚度 kT、 肌腹最大发力 、 肌腹激活度z的具体参数， 输入至所述肌肉动力学函数， 得到与所述 刚体模型设置的刚体关节点对应的人体关节点对应的各个肌肉的肌肉对外输出力FMT并更 新到所述刚体模型中。 6.根据权利要求5所述的数字孪生虚拟人的构建方法， 其特征在于， 建立人体各个肌肉 的肌肉对外输出力FMT与相应的肌肉长度LMT、 肌腹长度LM、 肌肉被动拉伸最大长度LST、 肌纤 维夹角 α 、 肌肉主动收缩最小长度LSR、 肌腹收缩刚度kPE、 肌腱刚度kT、 肌腹最大发力 、 肌腹 激活度z的肌肉动力学函数的步骤具体包括：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115544812 A 2基于肌肉力学模型得到的肌肉对外输出力FMT和肌腱对外输出力FT、 肌腹对外输出力FM 的关系， 建立肌 肉对外输出力FMT与肌腱对外输出力FT以及与相应的肌腱刚度kT、 肌肉长度 LMT、 肌腹长度LM、 肌肉被动拉伸 最大长度LSR的第一肌肉动力学函数； 建立肌肉对外输出力 FMT与肌腹对外输出力FM以及与相应的肌 腹激活度z、 肌 腹最大发力 、 肌腹收缩刚度kPE、 肌 腹长度LM、 肌肉主动收缩最小长度LSR的第二肌肉动力学函数。 7.根据权利要求6所述的数字 孪生虚拟人的构建方法， 其特 征在于， 所述第一肌肉动力学函 数为： ， ； 第二肌肉动力学函 数 为： ， ， ， ； 式中， FMT表示肌肉对外输出力， FM表示肌肉中的肌腹对外输出力， FT表示肌肉中的肌腱 对外输出力， 表示肌肉力学模型中用于定义肌腹的弹簧发力， 表示肌肉力学模型中用 于定义肌腹的执行器发力， kT表示肌腱刚度， kPE表示肌腹收缩刚度， 表示肌腹最大 发力， LST表示肌肉被动拉伸最大长度， 表示肌肉主动收缩最小长度， LM表示肌腹长度， z表示肌 腹激活度， LMT表示肌肉长度， α 表示肌纤维夹角。 8.根据权利要求1所述的数字孪生虚拟人的构建方法， 其特征在于， 建立肌骨动力学函 数， 获取与肌骨动力学函数相关的相应参数， 并将与肌骨动力学函数相关的相 应参数和得 到的与人体关节点对 应的各个肌肉 的肌肉对外输出力FMT输入至所述肌骨动力学函数， 得到 各个人体关节点的对外输出合力F和围绕对应人体关节点旋转的力矩T并更新到所述刚体 模型中的步骤具体包括： 建立人体关节点的对外输出合力F和与 人体关节点对应的各个肌肉的肌肉对外输出力 FMT的第一肌骨动力学函数； 建立围绕人体关节点旋转的力矩T和与 人体关节点对应的各个 肌肉的肌肉对外输出力FMT、 肌肉对应的肌腱与骨骼的连接 点到对应的人体关节点之间的距 离数据WMT的第二肌骨动力学函 数， 获取与所述刚体模型 设置的刚体关节点对 应的人体关节 点对应的各个肌肉 的肌肉对 外输出力FMT输入至第一肌骨动力学函 数， 得到所述 人体关节点 的对外输出合力F并更新到所述刚体模型中， 获取所述刚体模型设置的刚体关节点对应的 人体关节点对 应的各个肌肉 的肌肉对 外输出力FMT、 对应肌肉的肌腱与骨骼的连接 点到对应 的人体关节点之间的距离数据WMT输入至所述第二肌骨动力学函 数， 得到围绕所述人体关节 点旋转的力矩T并更新到所述刚体模型中。 9.根据权利要求8所述的数字孪生虚拟人的构建方法， 其特征在于， 所述第 一肌骨动力 学函数为： ， 其中， 分别表示与人体关节点对 应的各个肌肉的肌肉对外输出力， F表示人体关节点的对外输出合力， i的数值根据相应人 体关节点对应的肌肉个数确定； 所 述 第二 肌 骨 动 力学 函数 为 ： ， 其中 ， 分别表示与人体关节点对应的各个肌肉的肌肉对外输出力， 分别表示对应肌肉的肌腱与骨骼的连接点到对应人体关节点之间 的距离数据， T表示围绕人体关节点旋转的力矩， i的数值根据相应人体关节点对应的肌肉 个数确定 。权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115544812 A 3