（机械设计及理论专业论文）考虑骑行者姿态的自行车设计方法研究与应用.pdf

摘要 本文结合自行车自主创新需求，以某型公路自行车为对象，借助动力学分析 和人体生物力学软件，实现了考虑人体不同骑行姿态的自行车车架结构的合理设 计，为自行车设计提供了一定的理论指导。全文工作及结论如下： 一、采用实体造型软件c a t i a ，建立了某型公路自行车的三维实体模型；利 用生物力学数字仿真软件l i f e m o d 建立了具有完整的骨骼、关节及肌肉软组织 的人体模型；借助动力学分析软件a d a m s 建立了人一自行车系统模型，并实现 了该系统的动力学仿真。 二、采用人体动作捕捉系统，通过骑行实验，获得了人体不同骑行条件下的 姿态数据：借助人自行车系统模型，进行了动力学仿真实验，得到了不同骑行 姿态下人体施加于车架鞍座、中轴和车把3 处的载荷。实验结果表明：人体以坐 姿或趴姿等不同姿态骑行时，其施加于车架上3 处的力就会不同，有时相差很大； 当鞍座的高度、骑行的速度不同时，也会造成人体的骑行姿态不同，从而使人体 施加于车架上3 处的载荷也会不同。 三、将实验数据与自行车检测标准中设定的数据进行对比分析，结果表明： 自行车检测实验中只是简单地将人体体重按固定比例分配在车架鞍座、中轴和车 把3 处的方法与实际骑行情况有较大区别，从而解释了对于某些车型检测的结果 与实际骑行时发生故障的情况很不一致的原因。在此基础上提出了自行车的检测 标准应结合不同车型分别制定，为将来自行车检测标准的修订提出了一定的理论 指导。 四、规定人体以某种特定姿态骑行，获得其施加于车架上的载荷。以所获得 的载荷为边界条件，利用有限元分析软件a n s y sw o r k b e n c h ，对车架进行应力 分析。依据车架应力分布情况，以节省材料、减轻质量、车架受力合理为目标， 对车架结构进行了改进。该方法为自行车的客户化定制和结构优化设计提供了一 定的理论依据。 关键词：自行车，骑行姿态，动态仿真，动作捕捉，有限元分析 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , b yt a k i n gt h er o a dc y c l i n ga se x a m p l e ，t h ed e s i g no fb i k e c o n s i d e r i n gt h eh u m a nb o d yi nd i f f e r e n tp o s t u r e si sr e a l i z e d ，u s i n gd y n a m i ca n a l y s i s s o f t w a r ea n dh u m a nb i o m e c h a n i c s ，w h i c hp r o v i d e st h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rt h ed e s i g n t h e o r yo fb i k e t h em a i nr e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa r es h o w na sf o l l o w ： t h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fb i k ei sc o n s t r u c t e di nc a t i a ，t h em o d e lo ft h e h u m a nb o d yw i t hc o m p l e t es k e l e t o n ，j o i n ta n dm u s c l et i s s u ei sc o n s t r u c t e di nt h e s i m u l a t i o ns o f t w a r el i f e m o d u s i n ga d a m sd y n a m i ca n a l y s i ss o f t w a r e ，t h e s i m u l a t i o n so fk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sb e t w e e nt h eh u m a na n db i k em o d e la r e i m p l e m e n t e d d a t ao fh u m a np o s t u r e sa r ea c c e s s e db ym o t i o nc a p t u r es y s t e mt h r o u g ht h e c y c l i n ge x p e r i m e n t s ；l o a d su n d e rt h ec o n d i t i o no ft h eh u m a nb o d yi nd i f f e r e n tr i d i n g p o s t u r e si m p o s e do nt h eb i k ea r eo b t a i n e di nd y n a m i cs i m u l a t i o n t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ef o r c e si m p o s e do nt h eb i k ea r ed i f f e r e n t ，w h e nt h eh u m a nb o d y i si nd o w np o s i t i o no rs i t t i n gp o s t u r e t h er i d i n gp o s t u r eo ft h eh u m a nb o d yi s d i f f e r e n tb e c a u s eo ft h es a d d l e sh e i g h ta n dt h er i d i n gs p e e d s ，a sw e l la st h el o a d s i m p o s e do nt h eb i k e c o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t aw i t ht h ed a t ai nb i k et e s ts t a n d a r d ，r e s u l t s s h o w e dt h a tt h eb o d yw e i g h ti ss i m p l yd i s t r i b u t e do nt h eb i k ew i t haf i x e dp r o p o r t i o n i nt h eb i c y c l ed e t e c t i o ne x p e r i m e n t i ti sq u i t ed i f f e r e n tf r o ma c t u a ls i t u a t i o n i t e x p l a i n e dt h er e a s o nw h y t e s tr e s u l t sa r ed i f f e r e n tf r o mt h ea c t u a lb r e a k a g e o nt h e b a s i s ，b i c y c l et e s ts t a n d a r ds h o u l db ef o r m u l a t e dr e f e r r e dt od i f f e r e n tb i k em o d e l s t h e o r e t i c a lg u i d a n c ei so f f e r e dt ot h ef u t u r ea m e n d m e n to fb i k et e s ts t a n d a r d t a k i n gt h eh u m a nb o d yt oap a r t i c u l a rr i d i n gp o s t u r e ，t h el o a d si m p o s e do nt h e b i k ei sa t t a i n e d ，w h i l et h ef l a m ei sa n a l y z e dw i t hf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e b a s e do n t h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s s ，t h es t r u c t u r eo ft h ef r a m ei si m p r o v e di no r d e rt os a v e m a t e r i a l sa n dr e d u c et h ew e i g h t o nt h eb a s i so fa b o v e ，t h i sm e t h o dp r o v i d e sa t h e o r e t i c a lb a s i sf o rb i c y c l ec u s t o m i z a t i o nd e s i g na n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：b i c y c l e ，r i d i n gp o s t u r e ，d y n a m i cs i m u l a t i o n ，m o t i o nc a p t u r e ，f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位做作者躲 力么签字嗍为。夕年6 月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： ：) 乞 签字日期加7 年月乡日 鲕躲燃双 签字日期：力c 弦乡年月夕日 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 近年来，社会经济的持续快速发展使得各国城市化、机动化水平迅速提升。 然而，在城市化、机动化发展过程中所产生的交通堵塞、能源短缺、环境污染等 一系列问题也越来越突出。与此同时，人们对休闲、娱乐的要求不断提高，更加 渴望拥有绿色环保的生活环境。在这种状况下，自行车以其无污染、无噪声、占 用空间小、灵活方便、自主性好、适应性强、造价低廉、经济耐用和便于维修等 特点，得到越来越多的重视，发展迅速。 自行车从诞生至今已有2 0 0 年历史【h j ，其间人类在不断的尝试与研发过程 中，将玩具式的木马车转换到今日各式新颖的休闲、运动自行车，其发展的目的 也从最早的娱乐用途变为交通代步及休闲运动，竞赛领域的发展更使自行车的研 发工作不断精益求精。 我国是世界最大的自行车生产国和出口国，虽然近年来我国自行车制造业发 展很快，但国产自行车的设计开发能力和产品技术含量较低。不能自主进行产品 设计开发，是我国自行车行业普遍存在的问题。目前，国内生产厂家的生产模式 有两种：一种是贴牌生产，即国外自行车企业出图纸和定单，由国内厂家生产； 另一种是以国外的车型为原型，凭经验改造。由于企业缺少高水平的设计研发人 员，一些厂家每年虽有新车型推出，但由于缺乏系统的理论计算与校核，自行车 出现损坏的情况时有发生。有些企业虽然试制样车，并对其进行反复的疲劳实验 和图纸修改以最终确定车型，但这就导致产品开发周期过长，成本过高。可见面 对国际市场的激烈竞争，要保持我们世界最重要的自行车产业中心的地位、继续 我们的竞争优势，企业应该采用先进的设计手段和方法，提高产品自主研发能力。 未来自行车设计将更强调体现人文精神，将人与自行车完美和谐地结合起 来，在设计中对高科技的利用度将大幅度提升，大批量面向大众的自行车设计将 有下降趋势，而针对局部人群的更加个性化的小批量定向设计将受到欢迎。从而 实现个性化生产，客户化定制。当人体姿态不同时，其施加于车体的载荷就不同， 因此考虑人体姿态对自行车设计的影响是非常必要的。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 鉴于本文研究内容涉及人一自行车动力学建模方法，车架结构设计，人体动 作姿态捕捉，故本文在此仅对相关领域国内外研究状况作如下回顾。 1 2 1 自行车车架强度及结构设计方面 1 9 9 5 年，浙江丝绸工学院学报的李剑敏利用空间梁单元作自行车构架的有 限元动力分析，较好的解决了自行车车架的应力计算问题，得到在静、动态下车 架内的应力分布，从而能较方便地找出应力较大部位及相应的应力值，为自行车 的设计工作提供一定的帮助【5 。1 9 9 9 年郑州轻工业学院陶浩、段红杰对碳纤维 公路车用有限元进行了应力、刚度、失效的分析，并对车架进行了优化，优化后 的车架，既能满足自行车的各项性能指标，又使材料消耗最小【5 。2 0 0 7 年台湾 逢甲大学研究了碳纤维复合材料自行车前叉的疲劳寿命，对不同厚度角度的前叉 进行了模拟分析【5 】。2 0 0 1 年，法国r p c a r r e i r a 等人用有限元分析了自行车车 架在标准载荷工况下的应力分布，并通过实验对该模型进行了验证，然后在该模 型的基础上，对其在实际工况下的应力分布进行了预估【l6 | 。2 0 0 3 年，n t u a ( n a t i o n a lt e c h n i c a lu n i v e r s i t yo fa t h e n s ) 的一个项目组对复合材料的自 行车车架进行了有限元分析，对自行车车架进行模态分析，研究车架结构对模态 参数的影响，并对车架结构进行优化设计。2 0 0 4 年，u n i v e r s i t yo fn e v a d a ， c h a r li ec a r p e n t e r 等人在2 0 0 4h u m a np o w e r e dv e h i c l ec o m p e t i t i o n 中，设 计了一款自行车，并对其进行了有限元分析【1 7 】。 综上所述，结构强度分析的有限元法是目前比较前沿的科学有效的分析方 法，国际上普遍采用了这种方法进行结构强度分析和优化设计工作。 1 2 2 人体建模及其在自行车研究方面 2 0 0 1 年，清华大学汽车安全与节能国家重点实验室的袁泉运用a d a m s 建 立了用于人机系统运动仿真的三维人体模型，由1 5 个刚体组成，包括立姿和坐 姿两种，通过显示运动姿态变化情况进行车辆碰撞仿真和体育运动分析1 6 。2 0 0 5 年，北京航空航天大学的杨静、郑国磊进行了飞机装配仿真中工人姿态的模拟， 分析人体构件间的活动关系，定义姿态元等概念，建立人体姿态模型哺j 。2 0 世纪 6 0 年代，美国斯坦福大学的k a n e ，将人体视作有限刚体铰接组成的多刚体系统， 建立了一套主要基于内坐标与外坐标转换的新的建模理论。南非的h a z t e 完成 了人体肌肉骨骼控制系统的模型，他所研究的系统可用1 9 个一阶非线性微分方 2 第一章绪论 程描述，其中包含3 个肌肉控制参量，并采用优化结合同步测量方法摸拟了人体 的运动，其理论计算预测的结果与实验测试结果惊人地吻合，说明他的人体系统 模型与实际人体运动已相当接近。但是由于其中大量的数学推导和计算，他的研 究方法没有得到相应的推广。同时期，美国的r o b e r s o n 和德国的w i t t e n b u r g 采 用图论中的理论建立了树形多体系统的建模方法。2 0 世纪7 0 年代，德国的 r g a w t o n s h 和波兰的b m a c u k o w ，他们采用经典的分析力学的理论，推导出 人体的二阶非线性拉氏方程口别。英国的人体数据公司研制了一个p e o p l e s i z e 系 统，它是一个基于平面线框图的人体数据系统，对人体各部分的主要尺寸及比例 关系进行了比较详细的研究，但是它是一个静态的平面模型，远远不能适应仿真 的要求。d e n e b 公司e a i 公司在最近两年也相继推出了都具有三维功能及多自由 度的e r g o 及j a c k 人体模型系统。目前的人体模型都未设计人体肌肉及关节 的模拟，不适用于人一自行车系统的研究【1 5 1 。 2 0 0 2 年，东南大学的董晓马、汪凤泉等根据随机振动理论与有关的车辆振 动环境标准，建立了山地车全悬架行驶振动模型，以山地车为研究对象，对其减 振系统参数进行了优化，并将优化前后的性能加以对比，证明了该模型的有效性， 如图1 1 所示人体模型简化为一个质量块【6 】。 图1 1 山地车全悬架行驶振动模型 1 9 9 6 年加利福尼亚大学的m l h u l l 教授等人用k a n e 方法建立人一车系统 动力学模型，其中自行车模型包含车架、前后悬架和前后车轮五个刚体部分，前 后悬架与主车架之间通过减振器相连，采用两个不同方向的线性弹簧模拟轮胎和 地面的相互作用；人体模型分别用五个刚体模拟人体的躯干和头部、上臂、前臂、 大腿、小腿五个部分，各部分之间采用铰链连接；人体与自行车的接触部位，即 手部与车把、臀部与鞍座、脚部与脚蹬，均用水平和垂直方向的两组弹簧阻尼器 来简化 2 2 - 2 3 。 第一章绪论 图l - 2 人体为五杆机构的人一自行车动力学模型 2 0 0 2 年，德国c a r lv o no s s i e t z k yu n i v e r s i t y 的m a t t h i a sw a e c h t e r 等人，建立 了二维人一车系统动力学模型，如图1 3 所示根据两种不同车型的自行车和四种 路面情况，分别用实验方法和仿真计算分析了系统的动态特性。计算过程中人体 建模时人体作为一个刚体来考虑，四肢的质量以集中质量的形式加在躯干上，和 实际情况有很大区别【1 3 彤】。 图1 - 3 将人看作一个刚体的人一车系统动力学模型 综上所述，以往研究在人一自行车建模方面，或者将人体作为质量块，或者 将人体作为单刚体、五刚体处理，简化太多，与实际情况差距较大。 1 2 3 动作捕捉及其在自行车研究方面 人体运动捕捉由美国的e a d w e a r dm u y b r i d g e18 8 7 年在他的一个实验中提 4 第一章绪论 i j ，由丁他在早期的动画电影的工作他被看作为运动片之父。1 9 9 6 年，z h a n g 和c h a f l = i n 提出一种研究人在完成坐立举臂动作时佾l p 闪索对三维动态姿势影 响的方法，作者在用实例验证该方法时采用三维人体运动跟踪系统捕获人体上部 躯1 ：和手臂的动作。该实验用了4 台摄像机，6 个反射标志，采样频率为2 5 h z i ” 。 1 9 9 9 年，l a v e n d e r 等人研究了人存搬举作业时举起重物的速度对脊柱承受力矩 的影响，用4 台摄像机埘人体运动跟踪，记录运动信息同时用测力台同步记录地 面的反作用l 圳。2 0 0 5 年，c a n a d al e t h b r i d g e g o n g b i n g ，b i r r lh a n l c a 】e l u a t in o f b i k ep o w e rs a v e r 通过三维动作捕捉对一个叫做b i k ep o w e rs a v e r 进行了评估。 2 0 0 5 年美国空军学院以r o b i ncr e d f i e l d 为首的一个团队，以山地a 行车为 研究对象开展了一系列研究工作提出种；立；验方浊测帚山地自行牟在跳跃和 下落大振幅运动过程中的动力学行为。在人体和自行车关键洲位布置。，、”球作标 记利用光学跟踪设备记录人一车系统在运动过程中的视频图像：用图絮处理软 件识别标记点的运动轨迹，计算各点的位移、速度和加速度曲线，如图】4 所示 r l i 图1 4 利用光学跟踪设备记录系统运动的视频圈像 除上述应用外人体运动跟踪也应用于和仿真相结合的研究。比如通过人体 运动跟踪捕获的人体运动信息作为仿真的输入来驱动仿真环境中的人体模型 然后用仿真的方法获得所关心的仿真结果。如生物力学仿真软件l i f e m o d 提供 了人体运动学、动力学仿真功能l 。 综上所述，动作捕捉在自行车设计中应用不多，在以往研究中，或者单独对 车体研究，或者研究人体动作姿态，并没有把人体姿态与a 行车的设计结合起来。 第一章绪论 1 3 本文主要研究内容 本文结合前述分析中存在的问题，开展考虑骑行者姿态的自行车设计方法研 究与应用，旨在为我国自行车的自主设计、客户化定制生产及自行车产品的检测 方法提供一定的理论指导。全文各章内容安排如下： 第一章：阐述自行车的发展，分析本文研究的背景及意义，概述国内外研究 现状，提出本文研究的主要内容。 第二章：主要实现人体骑行动作姿态捕捉，其中包括实验方案的设计，骑行 实验，人体骑行动作姿态数据采集及处理等。 第三章：建立人一自行车耦合系统动力学模型，采用第二章获得的人体姿态 数据对系统进行动力学模拟仿真，获得人体施加于车架上的载荷，并对载荷进行 分析，同时比较仿真结果与检测标准的差异。 第四章：根据仿真实验所获得的车架上所受载荷，采用有限元方法对车架进 行强度分析，并根据分析结果对车架结构进行改进。 第五章：对全文研究内容及结论进行总结，并提出对今后工作的展望。 第二章骑行动作姿态捕捉 2 1 引言 第二章骑行动作姿态捕捉 本章将采用人体动作捕捉系统，通过骑行实验获得人体在各种不同骑行条件 下的姿态数据，为后续的动态仿真做准备。 2 2 实验条件 本实验通过m o t i o n a n l y s i s 系统对人在骑行过程中的姿态进行采集，在仿真 系统中通过所采集姿态对人体驱动。m o t i o n a n l y s i s 运动分析公司是全球最大的数 字光学运动捕捉系统生产商，该产品在运动分析、生物医学、虚拟现实及人机工 程、工业测量与控制等方面有广泛应用。整个系统包括光学捕捉设备以及数据处 理系统。本实验中样车采用金轮公司提供的菱形公路车。 2 2 1 硬件 整个捕捉过程为光学数字动作捕捉镜头对m a r k e r 标记点动作过程进行记录 的过程，并通过软件分析系统得到相关数据，下面对捕捉系统硬件简要介绍。如 表2 1 所示。 表2 1 捕捉系统硬件 第：章骑行动作姿态捕捉 图2 - 2 自行车支架 2 2 2 软件 图2 - 3 自行车与支架装配图 c o r t e x ，可以在同一环境下完成设置、校准、捕捉、识别、匹配、建模、编 辑、数据分析及输出功能。支持3 2 位及6 4 位操作系统。软件配合硬件一起工作， 在动作捕捉镜头采集数据的同时，在软件窗1 ：3 可实时显示人体标记点的运动，并 第二章骑行动作姿态捕捉 同时记录下标记点的运动数据。 2 3 实验方案设计 本文的研究是针对个体，出发点是精确的设计自行车，为骑行者量身打造， 因此骑行者的姿态就变得很重要。人在骑行自行车的整个过程中是动态的，不能 简单的看作几个质量块安放在车的不同部位，而本章的研究就是通过骑行实验采 集人在骑行时的姿态变化数据，从而能够动态的设计自行车。 实验中考虑到捕捉设备的数据精度、捕捉范围、实验成本，因此在实验中采 用原地骑行，用支架将车支起，并在车轮与支架间加上合适摩擦。人在骑行过程 中在相关部位贴上捕捉点，确保在摄像头捕捉范围内骑行。 实验根据车鞍座的高度分为两组，此处鞍座高度为鞍座与自行车中轴的距离 即立管长度分别为5 2 0 m m 和6 2 0 m m 。( 下文中称立管长度5 2 0 m m 为低座，立 管长度6 2 0 m m 为高座) 。 第一组：立管长度为5 2 0 m m , 在所采集的动作中，分为二种，低速与高速。 在车座较低时人体一般为坐在鞍座上，人体动作姿态较少，可以分为以下二 种情况：低座低速，低座高速。 第二组：立管长度为6 2 0 m m ，因为高座在实际公路车骑行中较为普通，所 以在此组中分组会较为详细有：坐姿低速，坐姿高速，趴姿低速，趴姿高速，大 幅姿态低速，以上几组姿态基本包括了在公路车骑行中的大部分姿态，较为全面。 2 4 人体数据获取 2 4 1 人体数据测量 实验是针对个体进行的，同时实验中骑行者身体数据将决定仿真系统中人体 建模，骑行者身体数据直接影响到仿真过程的准确性，在此对身体主要参数进行 t n 量。本实验中选取一身高1 7 0 0 m m ，体重为5 5 k g 的男性为骑行者，身体的 主要参数如表2 2 所示。 表2 2 人体肢段模型主要数据 部位尺寸m m部位尺寸m m 肩高 1 4 3 0 腰深 2 0 0 腋窝高 1 2 8 0 腰宽 2 8 0 第二章骑行动作姿态捕捉 腰高 15 2 0 臀宽 3 3 0 坐高 9 2 0 上臂长3 5 0 头长 2 0 0 前臂长 i g o7 头宽 15 0 肘部周长3 0 0 头高 2 3 0 前臂周长2 6 0 颈都周长3 6 0膀厚2 2 0 肩宽470脯宽3 0 0 242 关节点标记 在仿真系统中，屠多可选取身体上4 6 点进行标记，如图2 - 4 所示，考虑到 实际情况与数据量大小在实验中选取2 0 点进行标点。 图2 4 人体相关标识点 实验中人体标记点采用表2 - 3 中的人体身体部位关节，这些点标记的准确性 至关重要，影响到仿真的顺利进彳亍和准确性。 第二章骑行动作姿态捕捉 l b h d r b h d c 7 r s h o r e l b 尼缪冗a l s h o l e l b 印冗4 r a s i l a s i s a c r r k n e r a n k r t o e r h e e l k n e l a n k l t o e l h e e 头部左后方，与太阳穴平齐 头部左后方，与太阳穴平齐 第七个颈部椎骨 右肩峰处 右肘 右手腕 左肩峰处 左肘 左手腕关节 盆骨右侧突出处 盆骨左侧突出处 腰部正中 右膝，外侧 右脚踝 右脚趾( 第二个脚趾前端) 右脚跟 左膝，外侧 左脚踝 左脚趾( 第二个脚趾前端) 左脚跟 2 5 骑行实验 数据获取的过程即为整个实验过程，实验分为以下几步： l 布置摄像头，实验场地大小约6 m x5 m ，六个摄像头其中四个分别位于场 地的四个角，其余两个位于位于长边的中点，场地中无如玻璃等反光物质。图 2 5 为实验场地。 第二罩骑行动作姿态捕提 图2 - 6 贴上标记点的人体 4 放置自行车，将样车放于捕捉范围内，并_ i ；| j 支架直起，调整后轮与支架的 摩擦。 5 数据捕获此过程为实验的主要过程，按照前面的分组分剐进行。图2 7 为实验数据采集过程，图2 - 8 为在骑行白行车时在数据采集软件中的人体躯干。 第= 章骑行动作姿态捕捉 26 本章小结 一 图! 一7 采集现场 匿2 - 8 往数据采集软件中的 体躯干 本章阐述了m o t i o n a n l y s i s 系统的基本工作原理，介绍了该系统的相芙硬 和软件：建立了进行人体骑行姿态捕捉的实验平台：对影响骑行姿态的人体相关 关节点进行了详细介绍，并按照标准对人体关节点进行了标定；通过骑行实验获 得了人体按不同姿态骑行时身体各关节的运动数据。 第三章人一自行车系统动力学仿真及结果分析 3 1 引言 第三章人一自行车系统动力学仿真及结果分析 本章将建立人一自行车动力学系统模型，并采用第二章中运动捕捉系统所获 得的人体骑行姿态数据进行动力学仿真，得到不同骑行姿态下人体施加于车架鞍 座、中轴和车把3 处的载荷，为后续车架的强度分析奠定基础。本章还将对仿真 实验结果进行分析，并与自行车检测标准进行比较。 3 2a d a m s 软件及其理论基础 虚拟样机技术在工程的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商品化 虚拟样机软件实现的。国外虚拟样机技术软件的商品化过程早已完成。目前二十 多家公司在这个日益增长的市场上竞争。比较有影响的产品包括美国m s c 公司 的a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m s ) ，比利时l m s 公司的v i r t u a l 1 a b 以及德国航天局的s i m p a c k 。其中美国m s c 公司的a d a m s 占据了市场的5 0 以上。 a d a m s 软件包是目前世界范围内使用最为广泛的机械系统仿真分析软件 之一，在汽车制造、航天航空、铁道交通等领域有着广泛的应用。它可以方便地 建立参数化的实体模型，并采用多体系统动力学原理，通过建立多体系统的运动 学方程和动力学方程进行求解计算。方程的建立和求解都由软件自动完成，无需 用户编程，用户只需在其提供的可视化界面里建立跟原型一致的结构、连接关系 和力等有关参数即可，这就使用户从繁琐的编程中解脱出来，从而能将主要精力 放在所关心的问题上。 a d a m s 软件能够帮助工程师更好地理解系统的运动、解释其子系统或整个 系统即产品的设计特性，比较多个设计方案之间的工作性能、预测精确的载荷变 化过程，计算其运动路径，以及速度和加速度分布图等。a d a m s 将强大的分析 求解功能与使用方便的用户界面相结合，使该软件使用起来即直观又方便，还可 以用户专门化。 1 利用交互式图形环境和零件、约束、力库建立机械系统三维参数化模 型。 2 分析类型包括运动学、静力学和准静力学分析，以及线性和非线性动 1 4 第三章人一自行车系统动力学仿真及结果分析 力学分析，包含刚体和柔性体分析。 3 具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，使求解快速、准确。 4 具有组装、分析和动态显示不同模型或同一个模型在某一个过程变化 的能力，提供多种“虚拟样机方案。 5 具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发生器。 6 具有开放式结构，允许用户集成自己的子程序。 7 自动输入位移、速度、加速度和反作用力，仿真结果显示为动画和曲 线图形。 8 可预测机械系统的性能、运动范围、碰撞、包装、峰值载荷和计算有 限元的输入载荷。 9 支持同大多数c a d 、f e a 和控制设计软件包之间的双向通信。 a d a m s 软件包括3 个最基本的解题程序模块：a d a m s v i e w ( 基本环境) 、 a d a m s s o l v e r ( 求解器) 和a d a m s p o s t p r o c e s s o r ( 后处理) 。另外还有一些特殊场 合应用的附加程序模块，例如：a d a m s c a r ( 轿车模块) 、a d a m s t i m ( 轮胎模块) a d a m s r a i l ( 机车模块) 等等。 在3 个基本解题程序模块中，a d a m s v i e w 提供了一个直接面向用户的基 本操作对话环境和虚拟样机分析的前处理功能，其中包括样机的建模和各种建模 工具、样机模型数据的输入与编辑、与求解器和后处理等程序的自动连接、虚拟 样机分析参数的设置、各种数据的输入和输出、同其他应用程序的接口等。 a d a m s s o l v e r 是求解机械系统运动和动力学问题的程序。完成样机分析的 准备工作以后，a d a m s v i e w 程序可以自动地调用a d a m s s o l v e r 模块，求解 样机模型的静力学、运动学或动力学问题，完成仿真分析以后再自动地返回 a d a m s w i e w 操作界面。该模块是a d a m s 的求解模块，根据系统建模情况， 判断系统自由度，验证样机，成功后，根据自由度，可以自动判断是进行静力学、 运动学还是动力学仿真，然后自动生成相应的样机系统数学方程，进行仿真求解， 用户也可以自己选择仿真的类型。a d a m s s o l v e 提供各种建模和求解选项，以 便精确有效的解决各种工程应用问题。 a d a m s 仿真分析结果的后处理，可以通过调用后处理模块 a d a m s p o s t p r o c e s s o r 来完成。该模块可以回放仿真结果，也可以绘制各种分析 曲线。除了可以直接绘制仿真结果曲线以外，a d a m s p o s t p r o c e s s o r 还可以对仿 真分析曲线进行一些数学和统计计算；可以输入实验数据绘制实验曲线，并同仿 真结果进行比较；可以进行分析结果曲线图的各种编辑，使用户方便快捷的观察、 研究a d a m s 仿真结果。 第三章人一自行车系统动力学仿真及结果分析 3 3 自行车建模 运用c a t i a 软件建市自行车的i 维实体模型如图3 一i 所示，系统坐标系位 于整车中轴处。 图3 - 2 在a d a m s 中薅加约束后的动力学模型 第三章人一自行车系统动力学仿真及结果分析 3 4 人体建模 人体作为人一自行车系统运动的动力源，并为自行车承受载荷的主要来源， 在系统中是最重要、最活跃的环节，同时也是最难控制的环节，因此建立能够准 确描述人体行为的数学模型显得尤为重要。 3 4 1l i f e m o d 软件简介 人体是由2 0 6 块骨骼、6 0 0 多块肌肉以及指挥这些骨骼和肌肉进行协调运动 的无数的神经组成【2 2 1 ，结构的复杂性意味着影响运动机能的因素很多，因此建立 满足一定工作要求的人体模型可以进行大量的合理的简化。本文利用l i f e m o d 软件建立人体的生物力学仿真模型。 l i f e m o d 人体建模软件是由美国b i o m e c h a n i c sr e s e a r c hg r o u p 公司开发的， 可用于建立任何生物系统的真实的基于物理的生物力学模型，是当今最先迸、最 完整的人体建模软件。l i f e m o d 是常用的a d a m s 软件的外插件软件，a d a m s 可以提供完整的建模环境，l i f e m o d 精确地生成受动型或主动型的一个或多个 生物模型【2 3 1 ，这些模型可与环境、工具、设备相互作用。这种仿真技术可使研究 人员建立各种各样的生物力学模型，再现和预测生物的运动，通过仿真分析得到 模型的运动学和动力学的数据并进行力学分析，从而深入地了解生物动作背后的 力学特性以及动作技能控制规律。l i f e m o d 可将人体模型显示为椭球体、骨骼、 皮肤、棍图、碰撞假人等，并通过仿真计算得到运动学和动力学的各种数据结果， 具有广阔的建模范围，可用于体育、整形外科、康复、医疗器械、航空等领域 2 4 - 2 8 】。 l i f e m o d 内有6 个人体尺寸数据库。其中g e b o d 人体数据库是由美国空军 空间医学研究实验室和d a y t o n 大学研究组织共同开发，能够计算人体环节的形 状和质量属性以及关节的位置和运动学属性，该数据库可以提供各个年龄、身高、 体重的成年男性、成年女性，也可以是儿童的详尽的数据信息。p e o p l e s i z e 系统 是英国的人体数据公司与卫生署、美国全国卫生统计中心等共同研制，它是一个 基于平面线框图的人体数据系统，对人体各部分的主要尺寸及比例关系进行了比 较详细的研究，内有英国、美国、日本、中国四国的人体5 、5 0 、9 5 百分 位的人体尺寸数据库。根据上述数据库，可建立人体片段。u sa r m y 是针对美国 军人进行形态测量建立的数据库。 在建立模型过程中，所采用的参考坐标系是人体解剖学所采用的坐标系统， 如图3 3 所示，三个坐标平面表示人体解剖位置关系，分别为冠状面、矢状面和 横截面【2 9 】。 第三章人一自行车系统动力学仿真及结果分析 3 4 2 人体建模 冠状 截面 图3 3 人体解剖学参考坐标系 本文根据后续实验中骑行者的主要身体特征参数，以及g e b o d 数据库中人 体数据建立人体模型，该模型为一2 5 岁成年男性，身高17 0 0 m m ，体重5 5 k g 。 人体模型共包括1 9 个人体片断( 人体各肢段模型) ，1 8 个关节以及l1 8 块主要肌 肉。 3 4 2 1 肢段模型的建立 首先，建立人体各肢段模型，即将人体按照2 0 6 块骨骼共划分为l9 个人体 肢段，分别为：头部、颈部、躯干上部、躯干中部、躯干下部、右肩胛、右上臂、 右前臂、右手、左肩胛、左上臂、左前臂、左手、右大腿、右小腿、右足、左大 腿、左小腿、左足，如图3 - 4 所示，各肢段模型主要参数，参照前面测量的数据。 下表为人体肢段模型主要数据。图3 4 为人体肢段模型示意图 表3 1 人体肢段模型主要数据 部位尺寸m m 部位尺寸m m部位尺寸m m 肩高 1 4 3 0腰深2 0 0坐姿膝高5 5 0 腋窝高 1 2 8 0腰宽2 8 0大腿周长5 3 0 腰高 1 5 2 0臀宽3 3 0上臂周长3 6 0 坐高 9 2 0上臂长3 5 0膝部周长3 7 0 头长 2 0 0 前臂( 包括手) 长 1 9 0 7小腿周长3 5 0 头宽 1 5 0 肘部周长 3 0 0 踝部周长 2 1 0 头高 2 3 0 前臂周长 2 6 0踝高1 4 0 第! 章人一自行车系统动力学仿真及结果分析 自w 上臂 * 阿3 - 4 人体肢段模型示詹罔 * 自i 预 躯十中 躯r t 口 3 422 关节模型的建立 关节是连接相邻身体肢段的一种运动约束。在l i f e m o d 软件中韧始关节 是三轴铰链关节，以右臂肘部关节为例，其工作原理如图2 1 1 所示。右上臂通 过一个作用在冠状面的旋转副与右肘的d i 点相连，右肘的d 1 点通过一个作用 在横截面的旋转副与右肘的d 2 点相连，右肘的d 2 点通过一个作用在矢状而的 旋转副与右前臂相连。 每个轴上的自由度可由具体关节的功能定义为如下六种中的任何一种： lf i x e d 一固定关节； 2f 旷无约束和关节角度限制的自由关节： 3d r j v c n 可用样条曲线的数据驱动的关节； 4t r a i n a b l e p a s s i v c _ 具有一定关节属性的受动关节。在反向动力学中，关节 设置为这种形式时，关节记录模型在运动驱动点的操作下的关节角度变化情况。 5 y b r i d 具有定关节届性的碰撞关节。用来建立可设定比例数值的单个 关节轴。此模型基于对真实的碰撞假人的物理测量建立，包括非线性的刚度、阻 尼和摩擦力，并且包括具有滞后作用的可阻止关竹运动的刚度值； 6r a i n e dd n v e r 用关节扭矩函数驱动的关节。在正向动力学中，关节按照 记录下的关节角度历史完成运动。 衰 第三草人自行车系统动力学仿真及结粜分忻 图3 - 5 右臂肘部关节工作原理示意 本文人体模型中兆有】8 个关节，分为三个部分：脊骨关节、上肢关节和下 肢关节。其中，脊骨关节包括王f = 枕关节、环枢关节、胸锁关节、腰部关节四部分； 上肢关节包括肩锁关节( 左、有) 、肩关1 ，( 左、右) 、肘关节( 左、右) 、腕关节( 左、 右) 四都分；下肢关节包括髅关节( 左、右) 、膝关节( 左、右) 、蹀关节( 左、右) 三 部分。根据白行车运动特点，各关节参数设置如下： 脊督关节：类型选择碰撞关节，关节沿各方向活动范围的放大系数见表3 - 2 中参数设置，参数大小与关节的活动范围成正比。 表3 - 2 脊骨关节参数设置 第三章人一自行车系统动力学仿真及结果分析 冠状面h y b r i d 上肢关节：肩锁关节各轴向为固定关节，其余关节各轴向除固定关节外都为 碰撞关节，各参数设置见表3 3 。 表3 3 上肢关节参数设置 下肢关节：各关节轴除固定关节外都设定为可训练受动关节，各关节的参数 设置见表3 4 。 表3 - 4 下肢关节参数设置 2 1 第三章人一自行车系统动力学仿真及结果分析 横截面“x e d 硅状面f i x e d 关节模型建立完成之后的人体模型如图3 - 6 所示 月* * 月* * n * 图3 - 6 人体芙节模型示意图 3423 软组皇鞋模型的建立 杌戋h 月锁盖节 腰x # * a 关 l i f e m o d 中产牛山的软组织类型包括韧带和肌肉腱，它们都只能传递力。 韧带是被动的弹簧阻尼器，而肌肉腱具有在反向动力学仿真中“训练的”元素 和在正向动力学仿真中主动的( 有收缩性的】元素能充分体现粘弹性体滞后现象 等软组织的性质。 模型在被反向动力学仿真中的数据驱动运动时，肌肉可以记录运动中肌肉缩 短伸长的数列，然后作为一个激励器在正向动力学仿真中重复这些数列。肌肉 激励器设置了不能超出单块肌肉生理能力的限制条件，肌肉内部原理图如图3 7 所示。 肌肉模型示意图 学习单元 。_ 黏 n o 时， 疲劳极限不再随循环次数的增加而降低。 n 图4 1 疲劳曲线 命区 第四章自行车车架强度分析 n n o 时为无限寿命区；n n o 时为有限寿命区。在无限寿命区内，疲劳 极限为常数，称为持久疲劳极限。在有限寿命区内，循环特性为r 、循环次数为 n 的疲劳极限用q 表示，疲劳曲线用下列公式表示 嵋= c ( 4 1 ) 式中c 一常数； m 一随应力状态不同的幂数，拉压、弯曲和扭剪时m = 9 。 根据疲劳曲线方程有 q k ，= n o ( 4 - 2 ) 循环基数o 的值与材料有关。硬度小于3 5 0 h b s 的钢，取n o = 1 0 7 ，硬度不 大于3 5 0 h b s 的钢、铸铁和非铁金属，通常取n o = 2 5 1 0 7 。 自行车在骑行过程中，