基于ADAMS的水下人体模型仿真(3)

时间：2025-03-07

ADAMS

2007年1月柳宁, 等基于ADAMS的水下人体模型仿真 Jan., 2007

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

Knee torque/Nm

0.0 -4.0 -8.0 -12.0

0.0

30.0 60.0 Knee Angle/deg

90.0

没有对宇航服的阻尼特性以及水动力特性进行充分的考虑

由于试验数据的不够充分数

不能在模型中引入更合理的参

但是模型本身为将来试验数据的引入设置了方便的接

口例如在关节处加以扭转弹簧导入数据生成Spline作为刚度或阻尼系数来模拟人体关节特性同时通过各个环节间运动副形式的改变可以方便地调节整体的自由度数间环境进行动力学对比仿真分析是完全可行的的感谢

因此

在此模型的基础上进一步改进对更复杂的航天员水下和空

致谢作者对给本文提出许多建议的郑磊同学表示衷心

参考文献

[1]

Newman D J. Dynamic Analysis of Astronaut Motions in Microgravity: Applications for Extravehicular Activity (EVA) [R]. MIT, NASA-CR-199668, 1996.

图7 膝关节力矩变化对比

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

[2] Newman D J, Schmidt P B, et al. Modelling the Extravehicular Mobility Unit (EMU) Space Suit: Physiological Implications for Extravehicular Activity (EVA) [C]// SAE Technical Paper Series, 2000-01-2257, 30th International Conference on Environmental Systems, Toulouse, France, July 10-13, 2000.

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4 结论与展望

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素对肩膝关节力矩的影响情况

人体动力学本身的特点使得对其进行分析十分困难简化为多刚体模型并没有充分考虑实际关节间力的变化也

上接第239

页这方面主动元模型比一般元模型具有很明显的优势

论知识和专家经验等使得主动元建模能比较可信地描述问题并且更适合对问题的进行推理而纯统计元模型没有包含相关物理机理这样使得用户很难进行理解对问题的交流和讨论也比较困难特别在高层决策支持中决策者必须处理大量的不确定性和进行折衷选择很难只是被动地接受模型结果而必须基于比较信服的解释给出选择的理由在