基于动作捕捉及刚体动力学的步行荷载重构及仿真.pdfVIP

第21卷5期 应用基础与工程科学学报 V01．21．No．5 2013年10月 0ctober2013 OFBASICSCIENCEANDENGINEERING JOURNAL 文章编号：1005-0930(2013)05-0961-012中图分类号：Q66 文献标识码：A doi：10．3969／j．issn．1005-0930．2013．05．017 基于动作捕捉与刚体动力学的 步行荷载重构与仿真 张梦诗1， 陈 隽1”， 彭怡欣1， 王玲1 (1．同济大学土木工程学院，上海200092；2．ill程防灾国家重点实验室，上海200092) 摘要：采用医学步态分析与动作捕捉技术开展了73人次3066组步行荷载实验， 通过粘帖于实验者身体各部位共39个Marker点捕捉步行者各部位运动轨迹， 建立了步行者的多刚体及单刚体(包括基于质心点轨迹的单刚质心点模型以及 基于某特定Marker点轨迹的单刚特征点模型)动力学模型，可由体段的运动轨 迹重构竖直方向及水平侧向步行荷载．多刚体及单刚体模型均可实现步行荷载 竖向分量的高精度重构，其中单刚特征点模型使用方便且精度好，推荐用于竖向 步行荷载的重构．对于水平侧向分量的重构，多刚体模型与单刚体质心点模型结 果合理，而单刚体特征点模型不适用．基于实测数据，拟合了人体步行时质心竖 直方向运动轨迹的傅立叶级数模型，并利用此模型进行竖向步行荷载的仿真，可 用于大跨度工程结构的竖向人致振动舒适度分析问题． 关键词：步行荷载；动作捕捉技术；刚体模型；荷载仿真 伴随工程结构建设呈现的更高、更轻以及更大跨度的发展趋势，人致激励(如步行、 跳跃、舞蹈等)所引起的人行天桥、大跨度楼盖、体育场看台的振动舒适度问题日益突出． 在结构设计中，若对人致激励的影响考虑不当，将对结构的适用性乃至安全性构成严重的 威胁‘1引． 步行荷载是人致激励的基本形式，对其动力特性的研究是人致结构振动分析与控制 的核心问题之一．目前，国内关于步行荷载的实验研究非常有限，没有自己的荷载模型，分 析中只能选用以西方人测试数据为基础的步行荷载模型．然而，医学研究业已表明，由于 人体特征参数(如身高、体重、身体各部位重心位置等)的差异，中国成年人步行荷载的特 征与西方人差异较大旧圳．国外学者的实验也表明了不同人种身体参数差异对步行荷载 的影响¨o．因此，开展针对中国人行走特点的步行荷载基础性实验显得十分迫切和必要． 现有研究中，采用固定于地面的测力板(台)直接测试步行者的荷载(也称地反力)是 最常用的实验方法，简单直接，但也存在明显的缺点．受实验成本和空间限制，一般采用两 收稿日期：2012-08-10；修订日期：2013-03-08 基金项目：国家自然科学基金资助项目；上海市自然科学基金(11ZRl439800) 作者简介：张梦诗(1988一)，女，博士生． 通信作者：陈隽(1972一)，男，教授．E—mail：cejchen@tongji．edu．cn 万方数据 962 应用基础与工程科学学报 V01．21 块相邻测力板记录一个复步(左右脚各一步)内的地反力，即每个测力板记录一条单足落 步荷载曲线，缺乏长持时的连续地反力时程，给荷载频谱特性分析造成困难．此外，由于测 力板位置固定，测试者往往为了准确踏上测力板而主动调整步态，形成所谓“非自然”行 走状态，造成测试结果失真．此类实验同时缺少对实验者的身体运动信息的测试，步频、步 长等重要控制荷载参数往往只能粗略估计． 人致激励是人体运动的结果，相关的实验和分析必需尊重和反映这一物理机制．因 此，本研究采用多学科交叉的研究思路，引入“人”这一要素研究人致激励的特性．实验手 段上，采用医学领域中基于动作捕捉技术的三维步态分析技术开展步行荷载实验，克服传 统方法中测试者刻意踏板的“目标效应”影响，实现自