基于adams的服装水下动力学模型的建立与试验研究

基于adams的服装水下动力学模型的建立与试验研究

水下环境与空间环境的仿真研究抛光飞和中立浮力是目前驾驶员培训中使用的两种三维任务建模方法。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。目前美国宇航员在进行舱外活动(EVA,ExtravehicularActivity)前,需要进行100小时以上的水下模拟失重训练。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找出可行的任务时间流程和方案,再利用水下试验来验证,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(MIT)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。北京航空航天大学的袁修干、季白桦等对航天员舱内活动进行了运动学和初步的动力学仿真,得到了许多有价值的结论。杨锋在此基础上,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,在考虑人体生理因素的前提下,利用力矩比优化对航天员的动作进行设计。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。1配重方式和水动阻力参考航天服的数据和国家标准,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,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,故在模型中此处均用RevoluteJoint联结;其他环节间均用FixedJoint联结。在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。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。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(Hydrodynamicresistance),包括阻力(Drag)和附加质量力(Forceofaddedmass)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。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: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和L分别为圆柱体的半径和长度;UY和UY分别为圆柱中心沿Y方向的速度和加速度。圆柱体在绕Z轴转动时的水动阻力矩可写为圆柱角速度ωZ和角加速度ωZ的函数:在ADAMS环境中,利用状态变量(StateVariable)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。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。2浮漂系统的稳定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。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。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。3试验结果和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,并且有水动阻力的仿真更接近试验数据。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。造成模型仿真和试验记录差别的因素有以下几点:(1)尽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,但更具体的位置只能根据试验照片或录像目测。(4)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。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。如图6所示为肩膝关节在2秒内弯屈90°并保持(即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垂直),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。在有水动阻力的仿真中,肩关节力矩在最后阶段下降得较快,这是由于上肢的转动这时处于减速阶段,而水动阻力正是使肢体减速的,于是肩关节所需的力矩反而减小了。如图7所示为几种不同情况仿真的膝关节力矩曲线。可以看出水动阻力对膝关节力矩的影响远不如配重的影响大,这在一定程度上是由于脚上加的配重靠近肢端,造成重力与浮力的力矩较大的原因。通过多次仿真,得到配重,水动阻力,浮漂反馈这几种因素对引起水下和空间运动差异影响的结论:配重的存在使得水下人衣系统的惯性远大于空间真实环境(超过一倍),它是水下环境与空间真实环境动力学响应差异的主要原因。根据水下环境试验中各个位置间的实际配重调节方案进行的仿真对比表明,多数情况下配重的调节对于完成相同动作的所需的关节力矩影响不大。但下肢配重调节对膝关节的力矩变化影响较为显著。水动阻力也是水下模拟失重与空间失重环境不同的区别之一。水动阻力对肢体的摆动以及躯干的平动都有阻碍作用,同时会由于系统与水的作用产生质心平动,并且对于无外力的自由运动有衰减作用。但仿真表明,水动阻力对于膝关节力矩的影响不大,对肩关节力矩的影响较为明显。浮漂反馈作用主要对髋关节位移产生影响,对肢体运动所需的关节力矩影响很小。4仿真结果与分析本文利用Morison公式计算水动阻力,在ADAMS环境下建立了水下航天员动力学模型,免去了繁杂的公式推导和单独的可视化程序开发。根据试验记录对模型进行修正后,仿真结果和试验数据对比表明,该模型较好地体现了航天员水下运动的特点。通过仿真对比关节力矩变化,总结了水下和空间环境的相异因