基于LifeMod的人槍系統(tǒng)模型連續(xù)射擊動力學(xué)仿真研究

金鑫，周克棟，赫雷，黃雪鷹，張俊斌

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京210094;2.中國人民解放軍63856部隊(duì)，吉林白城137001)

基于LifeMod的人槍系統(tǒng)模型連續(xù)射擊動力學(xué)仿真研究

金鑫1，周克棟1，赫雷1，黃雪鷹2，張俊斌2

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京210094;2.中國人民解放軍63856部隊(duì)，吉林白城137001)

基于多剛體動力學(xué)軟件ADAMS及人體生物力學(xué)軟件LifeMod，建立了人槍系統(tǒng)的動力學(xué)仿真模型。通過ADAMS動力學(xué)仿真分析，獲得人體在連續(xù)沖擊下的動力學(xué)響應(yīng)。根據(jù)試驗(yàn)獲得的人體主動態(tài)參數(shù)，提出了一種在腰部關(guān)節(jié)添加驅(qū)動力的主動態(tài)仿真模型。仿真結(jié)果表明，采用所提新模型的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性良好，反映了射擊時(shí)人體主動態(tài)的真實(shí)情況。該模型真實(shí)可信，對研究射擊時(shí)人體在連續(xù)沖擊下的主動態(tài)動力學(xué)響應(yīng)具有重要意義。

生物力學(xué);LifeMod;主動態(tài);體模型;連續(xù)沖擊

現(xiàn)代生物力學(xué)是近幾十年來生物學(xué)和力學(xué)相互促進(jìn)發(fā)展形成的新興學(xué)科，而人體生物力學(xué)是其中的研究熱點(diǎn)之一。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，人體生物力學(xué)的研究方法由傳統(tǒng)的理論方法(如凱恩方程等［1］)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)軟件的模擬仿真。目前常用的人體生物力學(xué)仿真軟件包括Anybody Modeling System和LifeMod等［2－3］。其中，LifeMod是美國BRG(Biomechanics Research Group)公司研發(fā)的人體運(yùn)動仿真軟件，主要用于人體運(yùn)動的模擬，具有很好的可視性和仿真效果，但欲藉此獲得能夠與實(shí)驗(yàn)相媲美的仿真結(jié)果并非易事。

本文以人體立姿無依托射擊為例，利用LifeMod建立了人體三維模型，將其導(dǎo)入ADAMS(Automatic Dynamic Analysis ofMechanical System)仿真求解獲得人體在連續(xù)沖擊作用下的動力學(xué)響應(yīng)。通過在人體模型的腰部關(guān)節(jié)添加驅(qū)動力修正仿真模型，獲得了比未修正模型仿真結(jié)果更接近實(shí)際射擊試驗(yàn)結(jié)果的人體運(yùn)動響應(yīng)曲線。最終結(jié)果對比表明，所提出的修正仿真模型對深入研究連續(xù)射擊時(shí)人槍系統(tǒng)的主動態(tài)特性具有重要意義。

1 人槍系統(tǒng)模型建立及其仿真

LifeMod式美國BRG公司開發(fā)的基于ADAMS平臺的人體生物力學(xué)仿真軟件。該軟件能夠生成與人體基本參數(shù)和運(yùn)動特性高度一致的人體模型，同時(shí)模型也可與MSC.ADAMS提供的其他實(shí)體交互作用。LifeMod建立的人體模型不僅包括了骨骼模型，同時(shí)還定義了軟組織模型(包括肌肉、肌腱、韌帶等)。軟組織的定義可以體現(xiàn)人體彈粘性體的特性，在人體模型內(nèi)部傳遞或產(chǎn)生相應(yīng)的力，符合真實(shí)人體的特點(diǎn)。LifeM－od仿真計(jì)算借助于MSC.ADAMS動力學(xué)計(jì)算器，采用拉格朗日方程建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，利用Gear剛性積分算法及稀疏矩陣技術(shù)提高計(jì)算效率［4］。

依據(jù)GB－10000－88《中國成年人人體尺寸》以及仿生學(xué)相關(guān)理論［5－7］，選取中國成年人身高為1 775 mm，體重為75 kg，百分位數(shù)為95(即這一數(shù)據(jù)組男性中身高等于或小于1 775 mm體重等于或小于75 kg者占95%，大于此值者占5%)。以此數(shù)據(jù)作為人體模型基本參數(shù)，應(yīng)用LifeMod創(chuàng)建人體模型，定義各關(guān)節(jié)及軟組織參數(shù)。

本文研究對象為人槍系統(tǒng)連續(xù)射擊問題。因此還需將武器模型導(dǎo)入ADAMS，通過LifeMod姿勢調(diào)節(jié)面板對人體模型姿態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其符合實(shí)際情況下射手射擊時(shí)的姿態(tài)。人體模型與武器模型之間通過襯套力單元(Bushing)約束，具體建模時(shí)選擇將實(shí)體World.GUN分別與實(shí)體World.shooter_Right_Hand、實(shí)體World.shooter_Left_Hand以及實(shí)體World.shooter_ Right_Scapula之間建立襯套力連接。完成后的人槍系統(tǒng)模型(見圖1)，其中部分關(guān)節(jié)參數(shù)(見圖2)。人槍系統(tǒng)模型所受載荷由試驗(yàn)測得，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與其對應(yīng)的時(shí)間一起存入txt文本中，通過ADAMS軟件import－create splines命令導(dǎo)入模型空間形成數(shù)據(jù)元素，導(dǎo)入的Spline曲線將作為模型的驅(qū)動載荷用于動力學(xué)仿真計(jì)算。

圖1 人槍系統(tǒng)模型Fig.1 Model of Human－weapon system

圖2 人槍系統(tǒng)模型部分關(guān)節(jié)參數(shù)Fig.2 Parameters of Human－weapon system

建模完成后，將模型導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行仿真。基于LifeMod的人體生物力學(xué)仿真過程(見圖3)。首先建立人槍系統(tǒng)模型，施加邊界和載荷條件。啟動LifeMod進(jìn)行反向動力學(xué)計(jì)算，由此獲得模型受連續(xù)沖擊載荷時(shí)關(guān)節(jié)角度的變化和肌肉的伸縮模式。正向動力學(xué)仿真過程中，肌肉的伸縮模式將輸入線性PD伺服系統(tǒng)，再現(xiàn)運(yùn)動過程中的肌肉力。此時(shí)，模型在關(guān)節(jié)力矩和肌肉力的驅(qū)動下與外界環(huán)境產(chǎn)生交互作用［8］。動力學(xué)仿真結(jié)束后，將結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，若不符合預(yù)期則進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的調(diào)整，然后重復(fù)上述過程，直到獲得預(yù)期結(jié)果。

圖3 仿真流程圖Fig.3 Process of the simulation

2 試驗(yàn)研究

為獲得模型的載荷條件及實(shí)際情況下人體受連續(xù)沖擊作用下的動力學(xué)響應(yīng)，本文進(jìn)行了某型自動步槍的立姿無依托射手射擊試驗(yàn)。武器射頻為600 r/min，射手身高為1 740 mm，體重為80 kg。

圖4 人槍系統(tǒng)射擊試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.4 Photo of Human－weapon system shooting experiment

采用美國Dytran－1050C型壓電式力傳感器測試武器作用力，采用XSENSMTi－10型陀螺儀測試射手在武器連續(xù)沖擊作用下的動態(tài)響應(yīng)，該動態(tài)響應(yīng)為射手脊柱在前后俯仰、側(cè)向伸展和左右扭轉(zhuǎn)三個(gè)自由度方向各自的角位移時(shí)程曲線(假設(shè)人體脊柱在射擊過程中不發(fā)生較大變形)。試驗(yàn)照片(見圖4)。本文試驗(yàn)重復(fù)多次，一致性較好。下文選取其中一次五發(fā)連續(xù)射擊試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

試驗(yàn)獲得后坐力作用力曲線作為載荷條件由前文所述方法導(dǎo)入ADAMS平臺，導(dǎo)入后的結(jié)果(見圖5)。圖5中的Spline作為人槍模型的載荷條件作用在武器上，人體模型在其作用下產(chǎn)生相應(yīng)的動力學(xué)響應(yīng)。

圖5 人槍系統(tǒng)模型的載荷條件Fig.5 Loading condition of Human－weapon system

3 主動態(tài)模型仿真及結(jié)果分析

據(jù)生物學(xué)研究結(jié)果［9］可知，神經(jīng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約為150～200 ms，而人體肌肉響應(yīng)時(shí)間則在300 ms以上。因此，對于射頻為600發(fā)/min的連發(fā)武器［10］而言，三發(fā)以內(nèi)的連發(fā)或點(diǎn)射，射手仍處于被動狀態(tài)，沒有肌肉主動力作用。但當(dāng)連續(xù)射擊超過三發(fā)時(shí)，人體肌肉在神經(jīng)系統(tǒng)控制下開始產(chǎn)生“下意識”的調(diào)節(jié)作用。此時(shí)，人槍系統(tǒng)間存在主動力的作用，稱之為“主動態(tài)”。分析認(rèn)為，該主動態(tài)作用力會影響實(shí)際射擊時(shí)人體的動力學(xué)響應(yīng)，具體表現(xiàn)為:連續(xù)射擊時(shí)，前三發(fā)射手來不及反應(yīng)，三發(fā)以后射手開始有意識地用力。這與標(biāo)準(zhǔn)射手經(jīng)驗(yàn)相符。

五連發(fā)試驗(yàn)測試結(jié)果同樣說明了上述問題。見圖6實(shí)線，試驗(yàn)測得射手垂直中軸(脊柱)處的角位移曲線存在較明顯的主動態(tài)特征，在第三發(fā)之后，射手的脊柱角位移漸進(jìn)變化較前三發(fā)角位移變化變緩。但是常規(guī)的仿真結(jié)果不存在這種特征。

LifeMOD自帶模型的五連發(fā)仿真試驗(yàn)結(jié)果(見圖6點(diǎn)劃線)并未呈現(xiàn)出主動態(tài)特征，這是因?yàn)樵诜抡婺Ｐ椭袥]有考慮人體在主動態(tài)階段的主動力作用。因此，應(yīng)采用新的動力學(xué)模型，本文由此提出一種對人體腰部關(guān)節(jié)添加驅(qū)動的主動態(tài)人體模型。具體過程為:編輯人體模型Revolute Joint關(guān)節(jié)目錄下的shooter_Lumbar_JX/JY/JZ界面(其中JX軸為人體俯仰運(yùn)動所繞的水平軸，JY軸為人體伸展運(yùn)動所繞的前后軸，JZ軸為人體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動所繞的垂直軸)的imposemotion功能，通過定義函數(shù)關(guān)系產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動力，該力與當(dāng)前人體模型位姿有關(guān)，用以模擬人體主動態(tài)時(shí)的肌肉力作用。

圖6 人體垂直中軸(脊柱)角位移曲線Fig.6 Angular displacements of human vertical axes(spinal column)

本文所提主動態(tài)人體模型需在腰關(guān)節(jié)添加主動力，其函數(shù)關(guān)系定義見式(1)。式中相關(guān)參數(shù)主要基于文獻(xiàn)［11］工作，基于試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了參數(shù)辨識。考慮到LifeMOD的肌肉模型與實(shí)際人體肌肉存在差異，經(jīng)過大量實(shí)踐，本文對辨識結(jié)果的特征極值點(diǎn)采用三次樣條插值函數(shù)處理獲得驅(qū)動力的剛度和阻尼曲線。文中僅給出俯仰方向(繞JX軸轉(zhuǎn)動)的剛度和阻尼系數(shù)曲線作為參考，如圖7所示。認(rèn)為人體腰部轉(zhuǎn)動剛度在主動態(tài)階段由于肌肉力作用產(chǎn)生隨時(shí)間的變化，與被動態(tài)階段不同，并非固定值。式中:F為產(chǎn)生的主動力，R、V分別為腰關(guān)節(jié)的相對轉(zhuǎn)角和角速度，K、C分別為剛度和阻尼系數(shù)，下標(biāo)為三個(gè)轉(zhuǎn)軸。仿真過程中，軟件自動讀取當(dāng)前時(shí)刻人體模型的角位移R和角速度V的信息，代入公式計(jì)算獲得當(dāng)前時(shí)刻主動力并施加在腰部關(guān)節(jié)上。本文僅給出俯仰方向(繞JX軸轉(zhuǎn)動)的剛度系數(shù)曲線。該曲線參考文獻(xiàn)［11］工作，由人槍系統(tǒng)的參數(shù)辨識方法獲得(見圖7)。

圖7 腰關(guān)節(jié)驅(qū)動曲線Fig.7 Imposemotion oflumbar joint

采用本文提出的主動態(tài)人體模型進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6虛線所示。從圖6可知，添加腰部關(guān)節(jié)驅(qū)動后的仿真結(jié)果(即采用新型模型后的仿真結(jié)果)與實(shí)際射擊時(shí)射手脊柱的角位移變化曲線吻合良好，說明此時(shí)人體模型更接近真實(shí)情況，所提出的主動態(tài)修正模型具有實(shí)用性和可信性。

4 結(jié)論

(1)基于AMADS平臺以及LifeMod軟件，建立了人槍系統(tǒng)三維模型。通過ADAMS動力學(xué)求解計(jì)算，獲得了人體在連續(xù)沖擊作用下的動力學(xué)響應(yīng)。

(2)根據(jù)人體在連續(xù)沖擊下的生物學(xué)特性，提出了在腰部關(guān)節(jié)添加驅(qū)動的主動態(tài)人體模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出的模型能夠更好地模擬人體在這類載荷條件下的生物力學(xué)特性，對于應(yīng)用LifeMod人體模型在其它連續(xù)沖擊作用下的動力學(xué)分析具有重要的參考意義。

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Dynam ic simulation for a human gun system model w ith successive shootings based on lifemod

JIN Xin1，ZHOU Ke－dong1，HE Lei1，HUANG Xue－ying2，ZHANG Jun－bin2
(1.School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China; 2.63856 Unit of PLA，Baicheng 137001，China)

A dynamic simulationmodel of a human－gun system was developed based on ADAMSand LifeMod.The dynamic responses of human body with successive shootingswere obtained using ADAMS analysis.An active state human model with motions imposed at hiswaist jointwas proposed here based on the human active state parameter data obtained by tests.Simulation result showed that the simulation results based on the proposed model agree well with test ones，the simulation results fully reflect the human body active state during shootings;themodel proposed here is credible，and it is of importance for further studying human active state dynamic responseswith successive shootings.

biodynamics;lifemod;active state;human model;successive impact

TJ22

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.23.012

2015－04－20修改稿收到日期:2015－06－08

金鑫男，博士生，1987年生

周克棟男，博士，1964年生