基于ADAMS的水下人体模型仿真

ADAMS

第19卷第2期 系 统 仿 真 学 报© Vol. 19 No. 2 2007年1

月

Journal of System Simulation Jan., 2007

基于ADAMS的水下人体模型仿真

柳 宁

李俊峰冯庆义

王天舒

清华大学航天航空学院, 北京 100084

摘 要

将着服装人体简化为11刚体模型

参考

Morison公式引入水动阻力基于多体动力学软件ADAMS建立了航天员水下动力学模型进行了试验并根据试验记录对模型进行了修正通过模型仿真与试验录像处理得到的运动学数据进行比较来验证模型的有效性在水下环境和空间环境的的仿真数据基础上关键词

人体模型

中图分类号

讨论了配重

水动阻力和浮漂反馈对肩关节和膝关节力矩的影响

多体动力学

ADAMS

仿真

A

文章编号

1004-731X (2007) 02-0240-04

中性浮力

水动阻力

TP391.9 文献标识码

Underwater Human Model Simulation Based on ADAMS

LIU Ning

, LI Jun-feng, FENG Qing-yi, WANG Tian-shu

(School of Aerospace, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract: An eleven-segment model was developed using the multibody dynamics software ADAMS to study suited human

motions underwater. The modified form of Morison's equation was used to evaluate the hydrodynamic resistance. An experiment was implemented and the model was modified by the experimental record.

Then the simulation result was compared with the kinematic data extracted from video image processing to validate the model. The influence of the ballast, hydrodynamic resistance and float on shoulder and knee joint torques was discussed through simulations in underwater and real space environment. Key words: human model; neutral buoyancy; hydrodynamic resistance; multibody dynamics; ADAMS; simulation

引

言Parabolic Flight

和中性浮力

Neutral

找出可行的任务时间流程和方案

再利用水下试验来验证

MIT

可以大大减少用多次试验来设计任务方案的时间和花费这对于载人航天工程来说是非常有现实意义的

在航天员动力学仿真方面

麻省理工学院

抛物线飞行

Buoyancy是目前航天员训练中常用的两种三维空间任务训练方法飞机每次抛物线飞行得到的微重力环境仅能维持20

30秒

而航天员可以在中性浮力水池中进行持续数小

时的模拟失重训练并且水池中有足够的空间可以设置航天器的全尺寸模型

因此中性浮力环境是目前进行长时间空间任务训练的最有效方法的水下模拟失重训练

目前美国宇航员在进行舱外活动

EVA, Extravehicular Activity前需要进行100小时以上为了使身着加压航天服的受试者在水下达到中性浮力状态即重力与浮力平衡需要在服装外面加以几十千克以

上的铅块配重由此对整个人衣系统的质量大小和分布产生较大的影响从而使得被试者的动力学响应与真实空间环境

不同同时由于水动阻力的存在水下环境与空间环境的差异也十分显著因此为了提高水下失重模拟训练的真实程度需要对水下环境与空间环境的差别进行研究在美俄载人航天发展过程中它们采用大量试验的方法来分析总结人体在空间与水下环境中运动的差别

但这样的耗费过于高

昂在我国载人航天现阶段航天员空间活动和水下训练资料都相当缺乏国外资料又难于获取采用计算机仿真无疑

是可行性高而成本低的途径首先对舱外活动任务通过仿真

收稿日期2005-10-14 修回日期2005-12-13

作者简介柳宁(1980-), 男, 北京顺义人, 博士生, 研究方向多体动力学系统仿真

Newman领导的研究小组利用多体动力学方法对航天员的一些典型空间任务动作进行仿真分析了不同任务下航天员的关节力矩变化情况并且在近期的研究中考虑了航天服的阻尼对航天员完成动作的影响

[1-2]力学仿真

北京航空航天大学的袁

杨锋在此基础上

利用力矩

修干季白桦等对航天员舱内活动进行了运动学和初步的动

得到了许多有价值的结论[3]

采用Lagrange方法及Kane方法对航天员的舱外活动进行动力学分析[4-5]

在考虑人体生理因素的前提下

比优化对航天员的动作进行设计[6-7]

以上研究者的工作均是直接针对实际空间任务没有考虑水下环境航天员动力学的特点本文针对航天员水下训练与空间任务的差异利用多体动力学软件ADAMS建立多刚体水下人体模型根据试验记录对模型进行修正通过仿真分析了水下与空间环境差异因素的影响

与以前的公式-代

码-计算-数据-曲线的建模仿真过程相比ADAMS图形界面的建模环境更为友好易用在完全可视化的环境中对模型的力学特性进行描述省去了冗繁易错的公式推导以及公式到代码转换的过程仿真结果可直接输出为曲线或动画非常直观所得到的二次开发成果不但可用于理论分析也便于工程人员在实践中应用该成果针对具体航天员训练作仿真分析操作十分方便因此该方法的工程应用前景更为乐观

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ADAMS

第19卷第2期 Vol. 19 No. 2 2007年1月 柳 宁, 等基于ADAMS的水下人体模型仿真 Jan., 2007

1 水下人体建模

参考航天服的数据和国家标准[8]用简单几何体建立11刚体的人体模型如图1所示由于没有具体的服装每个部分的质量数据只能将服装的总质量按照人体质量分布国家标准的各个环节比例附加到各个身体环节上这些数据在模型中都是参数化的可以根据不同的具体情况在仿真前进行修改

由于本次试验使用的是舱内航天服

和舱外服相比

分别为圆柱中心和L分别为圆柱体的半径和长度UY和UY

沿Y方向的速度和加速度

图2 圆柱体平面运动水动阻力示意图

其自由度更少加压后仅有肩关节和膝关节可以转动故将手部质量归入前臂足部质量归入小腿由于水下试验时肩关节和膝关节主要在矢状面内转动Revolute Joint联结

故在模型中此处均用

在

其他环节间均用Fixed Joint联结

圆柱体在绕Z轴转动时的水动阻力矩可写为圆柱角速

Z的函数度ωZ和角加速度ω

MZ=2∫ =2∫

4L/20L/2

xdFY

22

Zx) x CDρR(ωZx)+CMρπR(ω dx

3

ADAMS环境中铰的类型可以方便地修改这就为以后更复杂的动作仿真留出了发展余地

LL22

(2) Z =CDρRωZ+CMπρRω

3212

在ADAMS环境中利用状态变量State Variable可

以很方便地获得指定物体相对于给定坐标系的速度加速度等运动学量将作为这些量的函数的力和力矩加在每个模型

图1 ADAMS人体模型和试验录像截图

环节上即完成了模型中的水动阻力添加模型中的水动阻力系数选自Goldstein和Alvarado的航天服整体水下拖曳试验所得数据[9]待以后进行针对性的测定试验后可引入更合理的水动阻力系数

该模型首先被用于在试验前设计配重方案配重方案首先要保证整体在平衡状态时是头上脚下的姿态并且略微前倾在满足的前提下尽量保持各个环节力平衡并调节配重位置尽量使各个环节达到力矩平衡通过模型仿真得到的配重方案为试验提供了参考

对于水下模拟失重而言配重和水动阻力的影响均不可忽视在本模型中可以直观地调节配重的位置和大小选择最佳的配重方式并可将仿真结果可视化输出这也省去了另外的数据图像化的工作水动阻力的添加涉及到速度和加速度的测量

这在ADAMS环境下是很容易实现的

在模型中每个人体环节上均作用有浮力浮力大小由该部分的体积确定作用于几何体形心模型整体处于重力场中各个环节的质心位置参考国家标准[8]各个环节的浮力与重力大小之差即为能使该环节达到力平衡所需的理论配重重量模型中的配重被简化为质点置于四肢躯干和头部重量取为上述理论值位置参考已有的国外试验照片资料

其位置和质量大小均可调节

以备根据试验修正

水动阻力Hydrodynamic resistance

包括阻力Drag

2 试验记录与模型修正

水下失重模拟试验在清华大学游泳馆进行试验时两个水下摄像头固定在池边间隔10米水下摄像头采集的图像信号由位于池边的两台摄像机记录试验现场示意图如图3所示

和附加质量力Force of added mass是引起水下模拟失重与实际失重差异的重要因素Goldstein和Alvarado以单刚体模型为基础建立了物体水下动力学模型研究了水动阻力对于水下模拟失重的影响并给出了一些可供参考的水动阻力系数[9]在本模型中水动阻力的模型还参考了在一些水下机器人动力学仿真[10-11]中用到的Morison公式将水动阻力写成速度与加速度的函数考虑在XY面内作平面运动的圆柱体如图2所示Y方向的水动阻力大小为

12 FY=CDρAUY+CMρVUY2

22 (1) =CDρRLUY+CMρπLRUY式中CD和CM分别为阻力系数和附加质量力系数ρ为水密度V和A分别为圆柱的体积和垂直运动方向的截面积

R

图3 试验现场示意图

受试者在水下由潜水员施加外力运动或者自主完成各种规定动作通过录像记录下来并且潜水员在水下对配重进行微调

考察配重调整对整体平衡和动力学响应的影响

系统总的配重质量下水前的系统总质量以及完成每组动作之前的配重调节都有记录通过对录像的处理得到了肢体

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