基于adams的服裝水下動力學(xué)模型的建立與試驗研究

基于adams的服裝水下動力學(xué)模型的建立與試驗研究

水下環(huán)境與空間環(huán)境的仿真研究拋光飛和中立浮力是目前駕駛員培訓(xùn)中使用的兩種三維任務(wù)建模方法。飛機(jī)每次拋物線飛行,得到的微重力環(huán)境僅能維持20~30秒。而航天員可以在中性浮力水池中進(jìn)行持續(xù)數(shù)小時的模擬失重訓(xùn)練,并且水池中有足夠的空間可以設(shè)置航天器的全尺寸模型。因此中性浮力環(huán)境是目前進(jìn)行長時間空間任務(wù)訓(xùn)練的最有效方法。目前美國宇航員在進(jìn)行艙外活動(EVA,ExtravehicularActivity)前,需要進(jìn)行100小時以上的水下模擬失重訓(xùn)練。為了使身著加壓航天服的受試者在水下達(dá)到中性浮力狀態(tài),即重力與浮力平衡,需要在服裝外面加以幾十千克以上的鉛塊配重。由此對整個人衣系統(tǒng)的質(zhì)量大小和分布產(chǎn)生較大的影響,從而使得被試者的動力學(xué)響應(yīng)與真實空間環(huán)境不同。同時由于水動阻力的存在,水下環(huán)境與空間環(huán)境的差異也十分顯著。因此,為了提高水下失重模擬訓(xùn)練的真實程度,需要對水下環(huán)境與空間環(huán)境的差別進(jìn)行研究。在美俄載人航天發(fā)展過程中,它們采用大量試驗的方法來分析總結(jié)人體在空間與水下環(huán)境中運(yùn)動的差別,但這樣的耗費過于高昂。在我國載人航天現(xiàn)階段,航天員空間活動和水下訓(xùn)練資料都相當(dāng)缺乏,國外資料又難于獲取,采用計算機(jī)仿真無疑是可行性高而成本低的途徑。首先對艙外活動任務(wù)通過仿真找出可行的任務(wù)時間流程和方案,再利用水下試驗來驗證,可以大大減少用多次試驗來設(shè)計任務(wù)方案的時間和花費,這對于載人航天工程來說是非常有現(xiàn)實意義的。在航天員動力學(xué)仿真方面,麻省理工學(xué)院(MIT)Newman領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用多體動力學(xué)方法,對航天員的一些典型空間任務(wù)動作進(jìn)行仿真,分析了不同任務(wù)下航天員的關(guān)節(jié)力矩變化情況,并且在近期的研究中考慮了航天服的阻尼對航天員完成動作的影響。北京航空航天大學(xué)的袁修干、季白樺等對航天員艙內(nèi)活動進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)和初步的動力學(xué)仿真,得到了許多有價值的結(jié)論。楊鋒在此基礎(chǔ)上,采用Lagrange方法及Kane方法,對航天員的艙外活動進(jìn)行動力學(xué)分析,在考慮人體生理因素的前提下,利用力矩比優(yōu)化對航天員的動作進(jìn)行設(shè)計。以上研究者的工作均是直接針對實際空間任務(wù),沒有考慮水下環(huán)境航天員動力學(xué)的特點。本文針對航天員水下訓(xùn)練與空間任務(wù)的差異,利用多體動力學(xué)軟件ADAMS建立多剛體水下人體模型,根據(jù)試驗記錄對模型進(jìn)行修正,通過仿真分析了水下與空間環(huán)境差異因素的影響。與以前的公式-代碼-計算-數(shù)據(jù)-曲線的建模仿真過程相比,ADAMS圖形界面的建模環(huán)境更為友好易用。在完全可視化的環(huán)境中對模型的力學(xué)特性進(jìn)行描述,省去了冗繁易錯的公式推導(dǎo)以及公式到代碼轉(zhuǎn)換的過程。仿真結(jié)果可直接輸出為曲線或動畫,非常直觀。所得到的二次開發(fā)成果不但可用于理論分析,也便于工程人員在實踐中應(yīng)用該成果針對具體航天員訓(xùn)練作仿真分析,操作十分方便,因此該方法的工程應(yīng)用前景更為樂觀。1配重方式和水動阻力參考航天服的數(shù)據(jù)和國家標(biāo)準(zhǔn),用簡單幾何體建立11剛體的人體模型,如圖1所示。由于沒有具體的服裝每個部分的質(zhì)量數(shù)據(jù),只能將服裝的總質(zhì)量按照人體質(zhì)量分布國家標(biāo)準(zhǔn)的各個環(huán)節(jié)比例附加到各個身體環(huán)節(jié)上。這些數(shù)據(jù)在模型中都是參數(shù)化的,可以根據(jù)不同的具體情況在仿真前進(jìn)行修改。由于本次試驗使用的是艙內(nèi)航天服,和艙外服相比,其自由度更少,加壓后僅有肩關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)可以轉(zhuǎn)動。故將手部質(zhì)量歸入前臂,足部質(zhì)量歸入小腿。由于水下試驗時肩關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)主要在矢狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動,故在模型中此處均用RevoluteJoint聯(lián)結(jié);其他環(huán)節(jié)間均用FixedJoint聯(lián)結(jié)。在ADAMS環(huán)境中,鉸的類型可以方便地修改,這就為以后更復(fù)雜的動作仿真留出了發(fā)展余地。對于水下模擬失重而言,配重和水動阻力的影響均不可忽視。在本模型中可以直觀地調(diào)節(jié)配重的位置和大小,選擇最佳的配重方式,并可將仿真結(jié)果可視化輸出,這也省去了另外的數(shù)據(jù)圖像化的工作。水動阻力的添加涉及到速度和加速度的測量,這在ADAMS環(huán)境下是很容易實現(xiàn)的。在模型中,每個人體環(huán)節(jié)上均作用有浮力,浮力大小由該部分的體積確定,作用于幾何體形心。模型整體處于重力場中,各個環(huán)節(jié)的質(zhì)心位置參考國家標(biāo)準(zhǔn)。各個環(huán)節(jié)的浮力與重力大小之差即為能使該環(huán)節(jié)達(dá)到力平衡所需的理論配重重量。模型中的配重被簡化為質(zhì)點,置于四肢、軀干和頭部,重量取為上述理論值,位置參考已有的國外試驗照片資料。其位置和質(zhì)量大小均可調(diào)節(jié),以備根據(jù)試驗修正。水動阻力(Hydrodynamicresistance),包括阻力(Drag)和附加質(zhì)量力(Forceofaddedmass)是引起水下模擬失重與實際失重差異的重要因素。Goldstein和Alvarado以單剛體模型為基礎(chǔ),建立了物體水下動力學(xué)模型,研究了水動阻力對于水下模擬失重的影響,并給出了一些可供參考的水動阻力系數(shù)。在本模型中,水動阻力的模型還參考了在一些水下機(jī)器人動力學(xué)仿真中用到的Morison公式。將水動阻力寫成速度與加速度的函數(shù),考慮在XY面內(nèi)作平面運(yùn)動的圓柱體,如圖2所示,Y方向的水動阻力大小為:式中CD和CM分別為阻力系數(shù)和附加質(zhì)量力系數(shù);ρ為水密度;V和A分別為圓柱的體積和垂直運(yùn)動方向的截面積;R和L分別為圓柱體的半徑和長度;UY和UY分別為圓柱中心沿Y方向的速度和加速度。圓柱體在繞Z軸轉(zhuǎn)動時的水動阻力矩可寫為圓柱角速度ωZ和角加速度ωZ的函數(shù):在ADAMS環(huán)境中,利用狀態(tài)變量(StateVariable)可以很方便地獲得指定物體相對于給定坐標(biāo)系的速度、加速度等運(yùn)動學(xué)量,將作為這些量的函數(shù)的力和力矩加在每個模型環(huán)節(jié)上,即完成了模型中的水動阻力添加。模型中的水動阻力系數(shù)選自Goldstein和Alvarado的航天服整體水下拖曳試驗所得數(shù)據(jù)。待以后進(jìn)行針對性的測定試驗后,可引入更合理的水動阻力系數(shù)。該模型首先被用于在試驗前設(shè)計配重方案。配重方案首先要保證整體在平衡狀態(tài)時是頭上腳下的姿態(tài),并且略微前傾。在滿足的前提下,盡量保持各個環(huán)節(jié)力平衡,并調(diào)節(jié)配重位置盡量使各個環(huán)節(jié)達(dá)到力矩平衡。通過模型仿真得到的配重方案為試驗提供了參考。2浮漂系統(tǒng)的穩(wěn)定水下失重模擬試驗在清華大學(xué)游泳館進(jìn)行。試驗時,兩個水下攝像頭固定在池邊,間隔10米,水下攝像頭采集的圖像信號由位于池邊的兩臺攝像機(jī)記錄。試驗現(xiàn)場示意圖如圖3所示。受試者在水下由潛水員施加外力運(yùn)動,或者自主完成各種規(guī)定動作,通過錄像記錄下來。并且潛水員在水下對配重進(jìn)行微調(diào),考察配重調(diào)整對整體平衡和動力學(xué)響應(yīng)的影響。系統(tǒng)總的配重質(zhì)量,下水前的系統(tǒng)總質(zhì)量,以及完成每組動作之前的配重調(diào)節(jié)都有記錄。通過對錄像的處理得到了肢體相對于軀干的角度、角速度、角加速度變化數(shù)據(jù),以及各標(biāo)志點的位移、速度、加速度數(shù)據(jù)。試驗完成后,根據(jù)試驗記錄的系統(tǒng)質(zhì)量,對模型進(jìn)行了修正。試驗中頭部沒有配重,軀干的配重比以前的模型仿真中要多,這些變化均在模型中進(jìn)行了修改。試驗中還發(fā)現(xiàn)了以前在模型仿真中沒有遇到的問題:由于對加壓航天服供氣的氣壓不夠穩(wěn)定,使得服裝的體積發(fā)生變化,導(dǎo)致系統(tǒng)在水中豎直方向不夠穩(wěn)定,上下浮動,有時觸到池底,有時頭頂露出水面。為解決以上問題,試驗中采用了一個浮漂系統(tǒng)來進(jìn)行穩(wěn)定,下沉?xí)r浮漂浸入水中部分增大,提供向上的力,反之提供向下的力。試驗結(jié)果表明,浮漂反饋系統(tǒng)對系統(tǒng)的穩(wěn)定起到了很有效的作用,系統(tǒng)可以穩(wěn)定懸浮在水中。浮漂系統(tǒng)不僅對氣壓引起的上浮下沉起到反饋作用,也對由被試者肢體運(yùn)動引起的整體上浮和下沉起到衰減作用。因此盡管模型中沒有考慮氣壓變化的影響,也加上了一個作為位移函數(shù)的力來體現(xiàn)浮漂對于由肢體運(yùn)動引起的上浮或下沉的影響。3試驗結(jié)果和討論根據(jù)試驗記錄對模型的參數(shù)作了修正之后,首先要檢驗?zāi)Ｐ偷谋普娉潭?。在ADAMS環(huán)境中可以獲得模型上任意點的運(yùn)動學(xué)量,但是試驗中無法確定系統(tǒng)質(zhì)心,只能將服裝外面一些特征明顯的點作為標(biāo)記點,如髖關(guān)節(jié)點、膝關(guān)節(jié)點、踝關(guān)節(jié)點等,在錄像處理時獲取它們的運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)。由于圖像處理方法得到的位移數(shù)據(jù)較之速度和加速度的精度要高,并且髖關(guān)節(jié)點最靠近系統(tǒng)質(zhì)心,其相對位移較小,故采取用錄像處理得到的肩膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度變化作為模型驅(qū)動,對比髖關(guān)節(jié)點的位移的方法來檢驗?zāi)Ｐ偷木?。取某次上肢從下垂位置擺到平舉位置的錄像片段,將肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)導(dǎo)入ADAMS模型生成Spline,在Motion中調(diào)用Spline,進(jìn)行有無水動阻力的仿真。如圖4所示為髖關(guān)節(jié)位移仿真結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)的對比,可以看出變化的趨勢是相同的,并且有水動阻力的仿真更接近試驗數(shù)據(jù)。通過和一些錄像片段數(shù)據(jù)處理結(jié)果的比較,以及仿真動畫和錄像的對照,發(fā)現(xiàn)模型仿真的結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)相比,趨勢大體一致,但是極值還有差異,有些曲線形狀也不一樣。造成模型仿真和試驗記錄差別的因素有以下幾點:(1)盡管總質(zhì)量按照試驗測量值給出,但是各個部分的質(zhì)量分配無法測得,還是按國家標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)給出的。并且各個部分的質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動慣量也無法測出,只能按照國家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)或經(jīng)過簡單的換算得到。(2)各個肢體環(huán)節(jié)的幾何形狀和尺寸對于水動阻力的影響很顯著,但是沒有試驗數(shù)據(jù),只是簡化為圓柱和球體,并且根據(jù)一般航天服的尺寸給出長度和半徑。(3)配重的大小分配按照試驗記錄,但更具體的位置只能根據(jù)試驗照片或錄像目測。(4)水動阻力系數(shù)也是根據(jù)前人的單體拖曳試驗而非針對性的測量所得。如果能夠獲取更為準(zhǔn)確的模型參數(shù),模型的逼真度會有所提高。模型的參數(shù)化特點也為以后的改進(jìn)提供了條件。對中性浮力環(huán)境下的人體運(yùn)動進(jìn)行仿真,關(guān)心的是該環(huán)境與實際空間環(huán)境的差別,因此,利用該模型,對配重,水動阻力,浮漂反饋這幾種因素的影響進(jìn)行了討論。采用上肢和小腿均是先上擺再下擺的錄像試驗數(shù)據(jù),將肩膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角變化作為驅(qū)動導(dǎo)入模型,做如下四種情況的仿真:(1)完全水下環(huán)境仿真;(2)僅取消浮漂反饋的仿真;(3)僅取消水動阻力的仿真;(4)浮漂反饋和水動阻力均取消的仿真。將結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比,如圖5所示?？梢钥闯龈∑答佔饔脤y關(guān)節(jié)點位移的影響要大于水動阻力的影響。在航天任務(wù)中,關(guān)節(jié)力矩變化通常是需要關(guān)心的,因為從其變化中可以分析出哪些運(yùn)動容易造成疲勞或可能超過航天員的生理極限。但是試驗測定關(guān)節(jié)力矩是困難的,因此,在下面通過仿真比較了不同工況下肩膝關(guān)節(jié)力矩的變化情況。如圖6所示為肩膝關(guān)節(jié)在2秒內(nèi)彎屈90°并保持(即上肢由下垂姿勢上擺為平舉,小腿由豎直姿勢后擺為與大腿垂直),幾種不同情況仿真的肩關(guān)節(jié)力矩曲線?？梢钥闯?真實空間環(huán)境的力矩是最小的。另外四條曲線分為兩組,兩兩比較接近。從中可以發(fā)現(xiàn),浮漂反饋力存在與否對于肩關(guān)節(jié)力矩的影響不大,影響大的是水動阻力和配重慣性。在無水動阻力但有配重的仿真中,肩關(guān)節(jié)力矩并不像空間環(huán)境仿真那樣在零線上下對稱變化,這是由于上肢的重心和浮心并不共點,由此產(chǎn)生的力矩需要肩關(guān)節(jié)有額外的力矩來抵消。在有水動阻力的仿真中,肩關(guān)節(jié)力矩在最后階段下降得較快,這是由于上肢的轉(zhuǎn)動這時處于減速階段,而水動阻力正是使肢體減速的,于是肩關(guān)節(jié)所需的力矩反而減小了。如圖7所示為幾種不同情況仿真的膝關(guān)節(jié)力矩曲線?？梢钥闯鏊畡幼枇οリP(guān)節(jié)力矩的影響遠(yuǎn)不如配重的影響大,這在一定程度上是由于腳上加的配重靠近肢端,造成重力與浮力的力矩較大的原因。通過多次仿真,得到配重,水動阻力,浮漂反饋這幾種因素對引起水下和空間運(yùn)動差異影響的結(jié)論:配重的存在使得水下人衣系統(tǒng)的慣性遠(yuǎn)大于空間真實環(huán)境(超過一倍),它是水下環(huán)境與空間真實環(huán)境動力學(xué)響應(yīng)差異的主要原因。根據(jù)水下環(huán)境試驗中各個位置間的實際配重調(diào)節(jié)方案進(jìn)行的仿真對比表明,多數(shù)情況下配重的調(diào)節(jié)對于完成相同動作的所需的關(guān)節(jié)力矩影響不大。但下肢配重調(diào)節(jié)對膝關(guān)節(jié)的力矩變化影響較為顯著。水動阻力也是水下模擬失重與空間失重環(huán)境不同的區(qū)別之一。水動阻力對肢體的擺動以及軀干的平動都有阻礙作用,同時會由于系統(tǒng)與水的作用產(chǎn)生質(zhì)心平動,并且對于無外力的自由運(yùn)動有衰減作用。但仿真表明,水動阻力對于膝關(guān)節(jié)力矩的影響不大,對肩關(guān)節(jié)力矩的影響較為明顯。浮漂反饋作用主要對髖關(guān)節(jié)位移產(chǎn)生影響,對肢體運(yùn)動所需的關(guān)節(jié)力矩影響很小。4仿真結(jié)果與分析本文利用Morison公式計算水動阻力,在ADAMS環(huán)境下建立了水下航天員動力學(xué)模型,免去了繁雜的公式推導(dǎo)和單獨的可視化程序開發(fā)。根據(jù)試驗記錄對模型進(jìn)行修正后,仿真結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)對比表明,該模型較好地體現(xiàn)了航天員水下運(yùn)動的特點。通過仿真對比關(guān)節(jié)力矩變化,總結(jié)了水下和空間環(huán)境的相異因