基于ADAMS的水下人体模型仿真(2)

ADAMS

2007年1月 系 统 仿 真 学 报 Jan., 2007

相对于躯干的角度角速度角加速度变化数据以及各标志点的位移

速度

加速度数据

[12]

试验完成后根据试验记录的系统质量对模型进行了修正试验中头部没有配重躯干的配重比以前的模型仿真中要多这些变化均在模型中进行了修改试验中还发现了以前在模型仿真中没有遇到的问题由于对加压航天服供气的气压不够稳定使得服装的体积发生变化导致系统在水中竖直方向不够稳定上下浮动有时触到池底有时头顶露出水面为解决以上问题试验中采用了一个浮漂系统来进行稳定下沉时浮漂浸入水中部分增大提供向上的力反之提供向下的力试验结果表明浮漂反馈系统对系统的稳定起到了很有效的作用系统可以稳定悬浮在水中浮漂系统不仅对气压引起的上浮下沉起到反馈作用也对由被试者肢体运动引起的整体上浮和下沉起到衰减作用因此尽管模型中没有考虑气压变化的影响也加上了一个作为位移函数的力来体现浮漂对于由肢体运动引起的上浮或下沉的影响

或经过简单的换算得到2各个肢体环节的几何形状和

尺寸对于水动阻力的影响很显著但是没有试验数据只是简化为圆柱和球体并且根据一般航天服的尺寸给出长度和

半径

3

配重的大小分配按照试验记录

4

但更具体的位

置只能根据试验照片或录像目测

水动阻力系数也是

根据前人的单体拖曳试验而非针对性的测量所得如果能够获取更为准确的模型参数模型的逼真度会有所提高模型

的参数化特点也为以后的改进提供了条件

对中性浮力环境下的人体运动进行仿真关心的是该环境与实际空间环境的差别因此利用该模型对配重水动阻力

浮漂反馈这几种因素的影响进行了讨论 采用上肢和小腿均是先上摆再下摆的录像试验数据将肩膝关节转角变化作为驱动导入模型做如下四种情况的仿

真

(1)

完全水下环境仿真

(2)

仅取消浮漂反馈的仿真

(3)

仅取消水动阻力的仿真(4)浮漂反馈和水动阻力均取消的仿真将结果与试验数据对比如图5所示可以看出浮漂反馈作用对髋关节点位移的影响要大于水动阻力的影响

-0.9 Displacement/m

-1.0 -1.1 -1.2

0.0

3 修正后的模型仿真与结果讨论

根据试验记录对模型的参数作了修正之后首先要检验模型的逼真程度在ADAMS环境中可以获得模型上任意点的运动学量但是试验中无法确定系统质心只能将服装外面一些特征明显的点作为标记点

如髋关节点

膝关节点

踝关节点等在录像处理时获取它们的运动学数据由于图

像处理方法得到的位移数据较之速度和加速度的精度要高并且髋关节点最靠近系统质心其相对位移较小故采取用录像处理得到的肩膝关节转动角度变化作为模型驱动对比

髋关节点的位移的方法来检验模型的精度

取某次上肢从下垂位置摆到平举位置的录像片段将肩关节转角数据导入ADAMS模型生成Spline在Motion中调用Spline进行有无水动阻力的仿真如图4所示为髋关节位移仿真结果和试验数据的对比可以看出变化的趋势是相同的

Displacement/m

0.5 1.0

1.5

Time/s

2.0 2.5

图5 髋关节相对位移对比

在航天任务中关节力矩变化通常是需要关心的因为从其变化中可以分析出哪些运动容易造成疲劳或可能超过航天员的生理极限但是试验测定关节力矩是困难的因此在下面通过仿真比较了不同工况下肩膝关节力矩的变化情况

Shoulder torque/Nm

8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 -2.0 0.0

15.0 30.0 45.0 60.0

Shoulder angle/deg

75.0

90.0

并且有水动阻力的仿真更接近试验数据

0.0 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08 -0.1 0.0

0.5 1.0 1.5

Time/s

2.0

2.5

图6 肩关节力矩变化对比

3.0

如图6所示为肩膝关节在2秒内弯屈90垂直

并保持即

图4 髋关节相对位移对比

上肢由下垂姿势上摆为平举小腿由竖直姿势后摆为与大腿

几种不同情况仿真的肩关节力矩曲线

可以看出

真实空间环境的力矩是最小的另外四条曲线分为两组两两比较接近从中可以发现浮漂反馈力存在与否对于肩关节力矩的影响不大影响大的是水动阻力和配重惯性在无水动阻力但有配重的仿真中肩关节力矩并不像空间环境仿真那样在零线上下对称变化这是由于上肢的重心和浮心并不共点

由此产生的力矩需要肩关节有额外的力矩来抵消

肩关节力矩在最后阶段下降得较

在有水动阻力的仿真中

通过和一些录像片段数据处理结果的比较以及仿真动画和录像的对照发现模型仿真的结果和试验数据相比趋势大体一致

但是极值还有差异

有些曲线形状也不一样

1

尽

造成模型仿真和试验记录差别的因素有以下几点

管总质量按照试验测量值给出但是各个部分的质量分配无法测得还是按国家标准的统计数据给出的并且各个部分的质心位置和转动惯量也无法测出只能按照国家标准数据

242