基于LifeMod的人枪系统模型连续射击动力学仿真研究

金鑫，周克栋，赫雷，黄雪鹰，张俊斌

(1.南京理工大学机械工程学院，南京210094;2.中国人民解放军63856部队，吉林白城137001)

基于LifeMod的人枪系统模型连续射击动力学仿真研究

金鑫1，周克栋1，赫雷1，黄雪鹰2，张俊斌2

(1.南京理工大学机械工程学院，南京210094;2.中国人民解放军63856部队，吉林白城137001)

基于多刚体动力学软件ADAMS及人体生物力学软件LifeMod，建立了人枪系统的动力学仿真模型。通过ADAMS动力学仿真分析，获得人体在连续冲击下的动力学响应。根据试验获得的人体主动态参数，提出了一种在腰部关节添加驱动力的主动态仿真模型。仿真结果表明，采用所提新模型的仿真结果与试验结果一致性良好，反映了射击时人体主动态的真实情况。该模型真实可信，对研究射击时人体在连续冲击下的主动态动力学响应具有重要意义。

生物力学;LifeMod;主动态;体模型;连续冲击

现代生物力学是近几十年来生物学和力学相互促进发展形成的新兴学科，而人体生物力学是其中的研究热点之一。随着计算机技术的飞速发展，人体生物力学的研究方法由传统的理论方法(如凯恩方程等［1］)逐渐转变为计算机软件的模拟仿真。目前常用的人体生物力学仿真软件包括Anybody Modeling System和LifeMod等［2－3］。其中，LifeMod是美国BRG(Biomechanics Research Group)公司研发的人体运动仿真软件，主要用于人体运动的模拟，具有很好的可视性和仿真效果，但欲藉此获得能够与实验相媲美的仿真结果并非易事。

本文以人体立姿无依托射击为例，利用LifeMod建立了人体三维模型，将其导入ADAMS(Automatic Dynamic Analysis ofMechanical System)仿真求解获得人体在连续冲击作用下的动力学响应。通过在人体模型的腰部关节添加驱动力修正仿真模型，获得了比未修正模型仿真结果更接近实际射击试验结果的人体运动响应曲线。最终结果对比表明，所提出的修正仿真模型对深入研究连续射击时人枪系统的主动态特性具有重要意义。

1 人枪系统模型建立及其仿真

LifeMod式美国BRG公司开发的基于ADAMS平台的人体生物力学仿真软件。该软件能够生成与人体基本参数和运动特性高度一致的人体模型，同时模型也可与MSC.ADAMS提供的其他实体交互作用。LifeMod建立的人体模型不仅包括了骨骼模型，同时还定义了软组织模型(包括肌肉、肌腱、韧带等)。软组织的定义可以体现人体弹粘性体的特性，在人体模型内部传递或产生相应的力，符合真实人体的特点。LifeM－od仿真计算借助于MSC.ADAMS动力学计算器，采用拉格朗日方程建立系统动力学方程，利用Gear刚性积分算法及稀疏矩阵技术提高计算效率［4］。

依据GB－10000－88《中国成年人人体尺寸》以及仿生学相关理论［5－7］，选取中国成年人身高为1 775 mm，体重为75 kg，百分位数为95(即这一数据组男性中身高等于或小于1 775 mm体重等于或小于75 kg者占95%，大于此值者占5%)。以此数据作为人体模型基本参数，应用LifeMod创建人体模型，定义各关节及软组织参数。

本文研究对象为人枪系统连续射击问题。因此还需将武器模型导入ADAMS，通过LifeMod姿势调节面板对人体模型姿态进行调节，使其符合实际情况下射手射击时的姿态。人体模型与武器模型之间通过衬套力单元(Bushing)约束，具体建模时选择将实体World.GUN分别与实体World.shooter_Right_Hand、实体World.shooter_Left_Hand以及实体World.shooter_ Right_Scapula之间建立衬套力连接。完成后的人枪系统模型(见图1)，其中部分关节参数(见图2)。人枪系统模型所受载荷由试验测得，将试验数据与其对应的时间一起存入txt文本中，通过ADAMS软件import－create splines命令导入模型空间形成数据元素，导入的Spline曲线将作为模型的驱动载荷用于动力学仿真计算。

图1 人枪系统模型Fig.1 Model of Human－weapon system

图2 人枪系统模型部分关节参数Fig.2 Parameters of Human－weapon system

建模完成后，将模型导入ADAMS进行仿真。基于LifeMod的人体生物力学仿真过程(见图3)。首先建立人枪系统模型，施加边界和载荷条件。启动LifeMod进行反向动力学计算，由此获得模型受连续冲击载荷时关节角度的变化和肌肉的伸缩模式。正向动力学仿真过程中，肌肉的伸缩模式将输入线性PD伺服系统，再现运动过程中的肌肉力。此时，模型在关节力矩和肌肉力的驱动下与外界环境产生交互作用［8］。动力学仿真结束后，将结果与试验结果进行对比，若不符合预期则进行相关参数的调整，然后重复上述过程，直到获得预期结果。

图3 仿真流程图Fig.3 Process of the simulation

2 试验研究

为获得模型的载荷条件及实际情况下人体受连续冲击作用下的动力学响应，本文进行了某型自动步枪的立姿无依托射手射击试验。武器射频为600 r/min，射手身高为1 740 mm，体重为80 kg。

图4 人枪系统射击试验照片Fig.4 Photo of Human－weapon system shooting experiment

采用美国Dytran－1050C型压电式力传感器测试武器作用力，采用XSENSMTi－10型陀螺仪测试射手在武器连续冲击作用下的动态响应，该动态响应为射手脊柱在前后俯仰、侧向伸展和左右扭转三个自由度方向各自的角位移时程曲线(假设人体脊柱在射击过程中不发生较大变形)。试验照片(见图4)。本文试验重复多次，一致性较好。下文选取其中一次五发连续射击试验结果进行分析。

试验获得后坐力作用力曲线作为载荷条件由前文所述方法导入ADAMS平台，导入后的结果(见图5)。图5中的Spline作为人枪模型的载荷条件作用在武器上，人体模型在其作用下产生相应的动力学响应。

图5 人枪系统模型的载荷条件Fig.5 Loading condition of Human－weapon system

3 主动态模型仿真及结果分析

据生物学研究结果［9］可知，神经系统响应时间约为150～200 ms，而人体肌肉响应时间则在300 ms以上。因此，对于射频为600发/min的连发武器［10］而言，三发以内的连发或点射，射手仍处于被动状态，没有肌肉主动力作用。但当连续射击超过三发时，人体肌肉在神经系统控制下开始产生“下意识”的调节作用。此时，人枪系统间存在主动力的作用，称之为“主动态”。分析认为，该主动态作用力会影响实际射击时人体的动力学响应，具体表现为:连续射击时，前三发射手来不及反应，三发以后射手开始有意识地用力。这与标准射手经验相符。

五连发试验测试结果同样说明了上述问题。见图6实线，试验测得射手垂直中轴(脊柱)处的角位移曲线存在较明显的主动态特征，在第三发之后，射手的脊柱角位移渐进变化较前三发角位移变化变缓。但是常规的仿真结果不存在这种特征。

LifeMOD自带模型的五连发仿真试验结果(见图6点划线)并未呈现出主动态特征，这是因为在仿真模型中没有考虑人体在主动态阶段的主动力作用。因此，应采用新的动力学模型，本文由此提出一种对人体腰部关节添加驱动的主动态人体模型。具体过程为:编辑人体模型Revolute Joint关节目录下的shooter_Lumbar_JX/JY/JZ界面(其中JX轴为人体俯仰运动所绕的水平轴，JY轴为人体伸展运动所绕的前后轴，JZ轴为人体旋转运动所绕的垂直轴)的imposemotion功能，通过定义函数关系产生相应的驱动力，该力与当前人体模型位姿有关，用以模拟人体主动态时的肌肉力作用。

图6 人体垂直中轴(脊柱)角位移曲线Fig.6 Angular displacements of human vertical axes(spinal column)

本文所提主动态人体模型需在腰关节添加主动力，其函数关系定义见式(1)。式中相关参数主要基于文献［11］工作，基于试验结果进行了参数辨识。考虑到LifeMOD的肌肉模型与实际人体肌肉存在差异，经过大量实践，本文对辨识结果的特征极值点采用三次样条插值函数处理获得驱动力的刚度和阻尼曲线。文中仅给出俯仰方向(绕JX轴转动)的刚度和阻尼系数曲线作为参考，如图7所示。认为人体腰部转动刚度在主动态阶段由于肌肉力作用产生随时间的变化，与被动态阶段不同，并非固定值。式中:F为产生的主动力，R、V分别为腰关节的相对转角和角速度，K、C分别为刚度和阻尼系数，下标为三个转轴。仿真过程中，软件自动读取当前时刻人体模型的角位移R和角速度V的信息，代入公式计算获得当前时刻主动力并施加在腰部关节上。本文仅给出俯仰方向(绕JX轴转动)的刚度系数曲线。该曲线参考文献［11］工作，由人枪系统的参数辨识方法获得(见图7)。

图7 腰关节驱动曲线Fig.7 Imposemotion oflumbar joint

采用本文提出的主动态人体模型进行仿真，结果如图6虚线所示。从图6可知，添加腰部关节驱动后的仿真结果(即采用新型模型后的仿真结果)与实际射击时射手脊柱的角位移变化曲线吻合良好，说明此时人体模型更接近真实情况，所提出的主动态修正模型具有实用性和可信性。

4 结论

(1)基于AMADS平台以及LifeMod软件，建立了人枪系统三维模型。通过ADAMS动力学求解计算，获得了人体在连续冲击作用下的动力学响应。

(2)根据人体在连续冲击下的生物学特性，提出了在腰部关节添加驱动的主动态人体模型。试验结果表明，本文所提出的模型能够更好地模拟人体在这类载荷条件下的生物力学特性，对于应用LifeMod人体模型在其它连续冲击作用下的动力学分析具有重要的参考意义。

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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

周克栋男，博士，1964年生