ADAMS人体行走与跌倒仿真实验【附源文件】

1.仿真时使用的人体参数

表1 人体身高1700mm时，各部位外形尺寸与质量

仿真时，脚底与地面的动摩擦系数设置为 0.3，静摩擦系数设定为1.0。

2.人体行走过程中各关节角度变化

模拟 人体行走过程，设定两个行走周期，行走过程中各关节角度变化如图1-10所示

图1 左脚踝关节角度变化

图2 右脚踝关节角度变化

图3 左腿膝关节角度变化

图4 右腿膝关节角度变化

图5 左髋关节角度变化

图6 右髋关节角度变化

图7 右肩关节角度变化

图8 左肩关节角度变化

图9 右肘关节角度变化

图10 左肘关节角度变化

3.判断人是否跌倒的 标准

图11 人体质心与脚掌支撑位置示意图


   在人体受到向前的推力时，在人体向前行走的方向，若人体上半身质心超过了前脚支撑 极限 位置，则人会跌倒；若未超过，那么人就能够通过自身的调节，正常行走。若人受到向后的推力，则要判断上半身质心与后脚支撑极限位置。本文仅考虑人受向前的推力。

4.外部激励与 仿真实验

外部激励施加在人体上半身的质心位置，在ADAMS中设置作用时间为0.1秒，观察在不同大小的外部激励作用对人体行走的影响。

图12 外部激励施加示意图与在ADAMS 软件 中施加

4.1 步距500mm

外部激励施加时间点在43秒，大小为100N时，人体上半身质心与脚部支撑点的变化如图所示。（注：红色实线代表人体质心变化过程，蓝色虚线代表脚部支撑点的变化过程。在0-40秒期间，人体在正常行走，所以两者是交替的。在43秒时受到外部激励，两者发生相应变化。）

   图13 100N作用下人体上半身质心与脚部支撑点的变化过程


   从图13中可以看出，在外部激励的作用下，上半身质心位置并未超过脚部支撑点位置，所以在100N的外部激励的作用下，人体不会跌倒。与仿真 动画演示 的效果一致。

当外部激励增大为300N时，人体上半身质心与脚部支撑点的变化如图14所示。

   图14 300N作用下人体上半身质心与脚部支撑点的变化过程

从图14中可以看出，在外部激励的作用下，上半身质心位置已经超过脚部支撑点位置，所以在300N的外部激励的作用下，人体不会跌倒。与仿真动画演示的效果一致。

200N 未跌倒

250N 未跌倒

260N 跌倒

270N 跌倒

290N 跌倒

4.2步距650mm

步距650mm时的跌倒判断标准与4.1节相同，具体实验 数据 见附件。

4.3步距760mm

步距760mm时的跌倒判断标准与4.1节相同，具体实验数据见附件。

5. 结论

• 步距为500mm时，外部激励在250-260N时，人体会跌倒。外部激励小于此值时，人体能继续正常行走。
• 步距为650mm时，外部激励在370-380N时，人体会跌倒。外部激励小于此值时，人体能继续正常行走。
• 步距为760mm时，外部激励在470-480N时，人体会跌倒。外部激励小于此值时，人体能继续正常行走。

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