基于LifeMod的人槍系統模型連續射擊動力學仿真研究

金鑫，周克棟，赫雷，黃雪鷹，張俊斌

(1.南京理工大學機械工程學院，南京210094;2.中國人民解放軍63856部隊，吉林白城137001)

基于LifeMod的人槍系統模型連續射擊動力學仿真研究

金鑫1，周克棟1，赫雷1，黃雪鷹2，張俊斌2

(1.南京理工大學機械工程學院，南京210094;2.中國人民解放軍63856部隊，吉林白城137001)

基于多剛體動力學軟件ADAMS及人體生物力學軟件LifeMod，建立了人槍系統的動力學仿真模型。通過ADAMS動力學仿真分析，獲得人體在連續沖擊下的動力學響應。根據試驗獲得的人體主動態參數，提出了一種在腰部關節添加驅動力的主動態仿真模型。仿真結果表明，采用所提新模型的仿真結果與試驗結果一致性良好，反映了射擊時人體主動態的真實情況。該模型真實可信，對研究射擊時人體在連續沖擊下的主動態動力學響應具有重要意義。

生物力學;LifeMod;主動態;體模型;連續沖擊

現代生物力學是近幾十年來生物學和力學相互促進發展形成的新興學科，而人體生物力學是其中的研究熱點之一。隨著計算機技術的飛速發展，人體生物力學的研究方法由傳統的理論方法(如凱恩方程等［1］)逐漸轉變為計算機軟件的模擬仿真。目前常用的人體生物力學仿真軟件包括Anybody Modeling System和LifeMod等［2－3］。其中，LifeMod是美國BRG(Biomechanics Research Group)公司研發的人體運動仿真軟件，主要用于人體運動的模擬，具有很好的可視性和仿真效果，但欲藉此獲得能夠與實驗相媲美的仿真結果并非易事。

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，將其導入ADAMS(Automatic Dynamic Analysis ofMechanical System)仿真求解獲得人體在連續沖擊作用下的動力學響應。通過在人體模型的腰部關節添加驅動力修正仿真模型，獲得了比未修正模型仿真結果更接近實際射擊試驗結果的人體運動響應曲線。最終結果對比表明，所提出的修正仿真模型對深入研究連續射擊時人槍系統的主動態特性具有重要意義。

1 人槍系統模型建立及其仿真

LifeMod式美國BRG公司開發的基于ADAMS平臺的人體生物力學仿真軟件。該軟件能夠生成與人體基本參數和運動特性高度一致的人體模型，同時模型也可與MSC.ADAMS提供的其他實體交互作用。LifeMod建立的人體模型不僅包括了骨骼模型，同時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人體彈粘性體的特性，在人體模型內部傳遞或產生相應的力，符合真實人體的特點。LifeM－od仿真計算借助于MSC.ADAMS動力學計算器，采用拉格朗日方程建立系統動力學方程，利用Gear剛性積分算法及稀疏矩陣技術提高計算效率［4］。

依據GB－10000－88《中國成年人人體尺寸》以及仿生學相關理論［5－7］，選取中國成年人身高為1 775 mm，體重為75 kg，百分位數為95(即這一數據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%)。以此數據作為人體模型基本參數，應用LifeMod創建人體模型，定義各關節及軟組織參數。

本文研究對象為人槍系統連續射擊問題。因此還需將武器模型導入ADAMS，通過LifeMod姿勢調節面板對人體模型姿態進行調節，使其符合實際情況下射手射擊時的姿態。人體模型與武器模型之間通過襯套力單元(Bushing)約束，具體建模時選擇將實體World.GUN分別與實體World.shooter_Right_Hand、實體World.shooter_Left_Hand以及實體World.shooter_ Right_Scapula之間建立襯套力連接。完成后的人槍系統模型(見圖1)，其中部分關節參數(見圖2)。人槍系統模型所受載荷由試驗測得，將試驗數據與其對應的時間一起存入txt文本中，通過ADAMS軟件import－create splines命令導入模型空間形成數據元素，導入的Spline曲線將作為模型的驅動載荷用于動力學仿真計算。

圖1 人槍系統模型Fig.1 Model of Human－weapon system

圖2 人槍系統模型部分關節參數Fig.2 Parameters of Human－weapon system

建模完成后，將模型導入ADAMS進行仿真。基于LifeMod的人體生物力學仿真過程(見圖3)。首先建立人槍系統模型，施加邊界和載荷條件。啟動LifeMod進行反向動力學計算，由此獲得模型受連續沖擊載荷時關節角度的變化和肌肉的伸縮模式。正向動力學仿真過程中，肌肉的伸縮模式將輸入線性PD伺服系統，再現運動過程中的肌肉力。此時，模型在關節力矩和肌肉力的驅動下與外界環境產生交互作用［8］。動力學仿真結束后，將結果與試驗結果進行對比，若不符合預期則進行相關參數的調整，然后重復上述過程，直到獲得預期結果。

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

2 試驗研究

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

圖4 人槍系統射擊試驗照片Fig.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沖擊作用下的動態響應，該動態響應為射手脊柱在前后俯仰、側向伸展和左右扭轉三個自由度方向各自的角位移時程曲線(假設人體脊柱在射擊過程中不發生較大變形)。試驗照片(見圖4)。本文試驗重復多次，一致性較好。下文選取其中一次五發連續射擊試驗結果進行分析。

試驗獲得后坐力作用力曲線作為載荷條件由前文所述方法導入ADAMS平臺，導入后的結果(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生相應的動力學響應。

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

3 主動態模型仿真及結果分析

據生物學研究結果［9］可知，神經系統響應時間約為150～200 ms，而人體肌肉響應時間則在300 ms以上。因此，對于射頻為600發/min的連發武器［10］而言，三發以內的連發或點射，射手仍處于被動狀態，沒有肌肉主動力作用。但當連續射擊超過三發時，人體肌肉在神經系統控制下開始產生“下意識”的調節作用。此時，人槍系統間存在主動力的作用，稱之為“主動態”。分析認為，該主動態作用力會影響實際射擊時人體的動力學響應，具體表現為:連續射擊時，前三發射手來不及反應，三發以后射手開始有意識地用力。這與標準射手經驗相符。

五連發試驗測試結果同樣說明了上述問題。見圖6實線，試驗測得射手垂直中軸(脊柱)處的角位移曲線存在較明顯的主動態特征，在第三發之后，射手的脊柱角位移漸進變化較前三發角位移變化變緩。但是常規的仿真結果不存在這種特征。

LifeMOD自帶模型的五連發仿真試驗結果(見圖6點劃線)并未呈現出主動態特征，這是因為在仿真模型中沒有考慮人體在主動態階段的主動力作用。因此，應采用新的動力學模型，本文由此提出一種對人體腰部關節添加驅動的主動態人體模型。具體過程為:編輯人體模型Revolute Joint關節目錄下的shooter_Lumbar_JX/JY/JZ界面(其中JX軸為人體俯仰運動所繞的水平軸，JY軸為人體伸展運動所繞的前后軸，JZ軸為人體旋轉運動所繞的垂直軸)的imposemotion功能，通過定義函數關系產生相應的驅動力，該力與當前人體模型位姿有關，用以模擬人體主動態時的肌肉力作用。

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)

本文所提主動態人體模型需在腰關節添加主動力，其函數關系定義見式(1)。式中相關參數主要基于文獻［11］工作，基于試驗結果進行了參數辨識。考慮到LifeMOD的肌肉模型與實際人體肌肉存在差異，經過大量實踐，本文對辨識結果的特征極值點采用三次樣條插值函數處理獲得驅動力的剛度和阻尼曲線。文中僅給出俯仰方向(繞JX軸轉動)的剛度和阻尼系數曲線作為參考，如圖7所示。認為人體腰部轉動剛度在主動態階段由于肌肉力作用產生隨時間的變化，與被動態階段不同，并非固定值。式中:F為產生的主動力，R、V分別為腰關節的相對轉角和角速度，K、C分別為剛度和阻尼系數，下標為三個轉軸。仿真過程中，軟件自動讀取當前時刻人體模型的角位移R和角速度V的信息，代入公式計算獲得當前時刻主動力并施加在腰部關節上。本文僅給出俯仰方向(繞JX軸轉動)的剛度系數曲線。該曲線參考文獻［11］工作，由人槍系統的參數辨識方法獲得(見圖7)。

圖7 腰關節驅動曲線Fig.7 Imposemotion oflumbar joint

采用本文提出的主動態人體模型進行仿真，結果如圖6虛線所示。從圖6可知，添加腰部關節驅動后的仿真結果(即采用新型模型后的仿真結果)與實際射擊時射手脊柱的角位移變化曲線吻合良好，說明此時人體模型更接近真實情況，所提出的主動態修正模型具有實用性和可信性。

4 結論

(1)基于AMADS平臺以及LifeMod軟件，建立了人槍系統三維模型。通過ADAMS動力學求解計算，獲得了人體在連續沖擊作用下的動力學響應。

(2)根據人體在連續沖擊下的生物學特性，提出了在腰部關節添加驅動的主動態人體模型。試驗結果表明，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特性，對于應用LifeMod人體模型在其它連續沖擊作用下的動力學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