Reproducing Human Movements via Physics-based Simulation of Human Sensorimotor System

Abstract

Many factors in human sensorimotor system contribute to human movements. In this thesis, we simulate human musculoskeletal system and tactile sensorimotor system to model intrinsic mechanisms underlying in the system that contributes to reliable human movements. The variations in the model generate motions such as walking, running to highly stylistic variants, and even pathologic ones as well. We can also generate a wide spectrum of movements driven by sensorimotor control ranging from passive reactions to external physical perturbations, to active manipulations with clear intentions.

This thesis covers three topics. Since human musculoskeletal system is such a large-scale system where there are more than 200 bones and 600 muscles, we first discuss the scalability of the musculoskeletal simulation. Second, we discuss methodologies for efficient simulation and control of volumetric muscles to incorporate the true mechanics of the musculoskeletal system. Lastly, we are to design a dynamic process of the sensorimotor control driven by tactile information to reproduce various physically reliable movements when interactions. We demonstrate various examples that manifest our framework can be a useful tool for understanding, analyzing, and reproducing the functionality of human systems that contribute movements.

사람의 움직임에는 감각운동계의 많은 요소들이 관여한다. 이 학위논문에서는 사람의 움직임에 기여하는 내재적인 매커니즘을 재현하기 위해 사람의 근골격계와 촉각운동계를 시뮬레이션한다. 우리는 운동계를 변화함으로써 걷기, 뛰기뿐 아니라 병적 움직임을 포함한 다양한 동작들을 재현할 수 있다. 우리는 또한 촉각에서 오는 정보를 통해 다양한 움직임을 만들어 낼 수 있는데, 이 움직임으로 외력에 의한 반응뿐아니라 원하는대로 환경을 조작할 수있다.

이 학위논문에서는 3개의 주제를 다룬다. 사람의 근골격계는 200개가 넘는 뼈, 600개가 넘는 근육이 존재하는 큰 시스템이다. 첫번째로 우리는 근골격계 시뮬레이션의 확장성에 대해 다룬다. 두번째로 더욱 사실적인 근골격 시뮬레이션을 위해, 부피를 가지는 근육을 시뮬레이션 하는 방법론에 대해 다룬다. 마지막으로 우리는 인지, 사고, 행동하는 사람의 감각운동을 디자인하고 촉각에서 오는 정보를 통해 외부와의 상호작용에서 다양하고 자연스러운 움직임을 만들어 내고자 한다. 우리는 다양한 예제를 통해 우리의 프레임워크가 사람의 움직임을 이해하고 분석하고 재현할 수 있는 유용한 도구가 될 수 있음을 보여주고자 한다.