סימולציה של Vibrations אדם הנגרם על סמך התנהגות הולכי רגל השדה המאופיין

Summary

פרוטוקול מוצג לגבי האפיון של התנהגות הולכי הרגל-שדה הסימולציה של התגובה המבנית שהתקבלה. שדה-בדיקות מראות כי באתרו המזוהה צעדת שיעור ושיעור סנכרון בין המשתתפים מהווים תשומה חיונית עבור הסימולציה והאימות של עומסי הנגרמת אדם.

Abstract

עבור דקים ומבנים קלים, שמישות רטט היא עניין של דאגה גוברת, לעתים קרובות המהווה את הדרישה לעיצוב הקריטית. עם עיצובים נשלטים על ידי הביצועים הדינמיים תחת עומסי אדם נגרם, דרישה חזקה קיימת עבור האימות והעידון של מודלי עומס זמינים כרגע. התרומה הנוכחית משתמשת בטכניקת הצעת מעקב 3D אינרציה לאפיון של התנהגות הולכי רגל השדה. הטכניקה נבחנת ראשונה בניסויי מעבדה עם רישום סימולטני של כוחות תגובת קרקע המקבילים. הניסויים כוללים אנשי הליכה וכן פעילות אנושית קצבית כמו קפיצות מתנפנפות. זה מוצג כי הבקשה הרשומה מאפשרת זיהוי של שיעור צעדת גרסת הזמן של הפעילות. יחד עם המשקל של האדם ואת היישום של מודלי כוח להכליל זמינים בספרות, זיהה את שיעור הצעדה-variant הזמן מאפשר להיחרךacterize עומסי הנגרמת אדם. בנוסף, סינכרון הזמן בין גששי התנועה האלחוטיים מאפשר זיהוי שיעור הסנכרון בין המשתתפים. בהמשך לכך, הטכניקה משמשת על גשר אמיתי שבו הן התנועה של אנשים ואת התנודות המבניות המושרות רשומות. הוא הראה כיצד התנהגות הולכי רגל השדה המאופיינת ניתן ליישם כדי לדמות את התגובה המבנית המושרית. זה הוכח כי באתרו המזוהה צעדת שיעור ושיעור סנכרון מהווים תשומה חיונית עבור הסימולציה והאימות של עומסי הנגרמת אדם. היישומים הפוטנציאליים העיקריים של המתודולוגיה המוצעת הם להערכת תופעות אינטראקציה אנושי מבנה ואת פיתוח המודלים מתאימים המתאם בין הולכי רגל בתנאי תנועה אמיתיים.

Introduction

מונע על ידי הביקוש של יעילות כלכלית ואת ההתעצמות (חדשים) חומרים, אדריכלים ומהנדסים מרחיבים את הגבולות לבנות אי פעם יותר, גבוהים יותר וקלים מבנים. בדרך כלל, אור ומבנים רזים יש אחד או יותר תדרים טבעיים המצויים בתוך הספקטרום הדומיננטי של פעילות אנושית נפוצה כגון הליכה, ריצה או קפיצה. צפוי להיות כפוף (הכמעט מוחלטת) עירור תהודה, לעתים קרובות הם מגיבים יתר על מידה כדי תנועה אנושית, וכתוצאה מכך תנודות מטרידות ואף מזיקה ^1. עבור מבנים רזים וקלים משקל אלה, על שמישות הרטט היא עניין של דאגה גוברת, לעתים קרובות המהווה את הדרישה לעיצוב הקריטית.

התנועה האנושית ואת כוחות תגובת קרקע הגורם (GRFs) בדרך כלל מזוהים באופן ניסיוני בתנאי מעבדה. נכון לעכשיו, מעצבים נאלצים להסתמך על - מה הם הניחו להיות 'שמרניים' - l המקבילהמודלים oad, משודרג ממדידות כוח יחיד אדם. עם עיצובים נשלטים על ידי הביצועים הדינמיים תחת צפיפות גבוהה קהל, דרישה חזקה קיימת עבור האימות והעידון של מודלי העומס הזמינים כרגע.

הפרוטוקול הנוכחי מעסיק טכניקת הצעת מעקב 3D אינרציה לאפיון של התנועה הטבעית של הולכי רגל. הוא הראה כיצד מידע זה יכול לשמש כדי להגדיר את המתאם בין הולכי הרגל, כמו גם את עומסי מושרה המקבילים. בצעד בא, התנהגות הולכי הרגל המאופיינת משמשת כדי לדמות את התגובה המבנית המושרית מספרי. השוואה עם התגובה המבנית הרשומה מאפשרת לכמת את השפעת תופעות אינטראקציה אנושי מבנה נעדרות, למשל, הוסיפו דעיכה בשל נוכחותם של הולכי הרגל. המתודולוגיה מודגם עבור ניסויים בקנה מידה מלא על גשר אמיתי שבו התגובה המבנית את ההצעה של הנקובticipants רשום בו זמנית.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

כל ההליכים אושרו על ידי ועדת האתיקה של בית החולים האוניברסיטאי של לובן KU וכל נושא נתן הסכמה מדעת בכתב לפני ההשתתפות.

3D Motion מעקב 1.: תצורה קליטת נתונים

1. ודא כי החיישנים הבודדים טעונים במלואה (איור 1 א). שלב זה לוקח בערך שעה 1 אבל יכול להתבצע על הימים לפני המדידות בפועל. פעל על פי פרוטוקול הטעינה של היצרן.
2. מנהל MT - רכישת נתונים ^2:
   1. הפעל את החיבור האלחוטי עם החיישנים לציין את קצב דגימה הרצוי (תצורה אלחוטית> אפשר את כל המאסטרים האלחוטיים).
      הערה: כדי לאפשר אפיון מדויק של התנהגות הולכי הרגל, קצב דגימה של רץ 60 לפחות מומלץ. ההאצה ליניארי פרט חיישני שיא 3D, מהירות הזוויתית (אדמה) שדה מגנטי ונתונים בלחץ אטמוספרי.
   2. הפעל את המצב המבצעי וליזום במצב המדידה: לעשות תנועות איטיות עם החיישנים עבור דקות על 1 (תצורה אלחוטית> התחל מדידה על כל המאסטרים האלחוטיים).
   3. הצגת נתוני אינרציה ומגנטיות של כל חיישנים פעילים (צפו התצוגה <> הנתונים אינרציאליות). ודא כי, בעוד נייח, הכיוון של החיישן אינו סיכוי.
      הערה: אורינטציה משתנית של החיישן הנייח תצביע סביבה מגנטית מופרעת, ובכך מידע אורינטציה מדויק.
3. כיווני איפוס: החל אובייקט / כותרת איפוס (אובייקט / איפוס כותרת> איפוס אורינטציה) להגדיר את מערכת הייחוס העולמית של הניסויים (איור 1B) ^2.
4. מניח את החיישן הקרוב ככל האפשר למרכז הגוף של המוני (COM) ממוקם ברמה של החוליות החמישיות (התרשים 1C). הדק חיישן בודד בחוזקה וחסונה על כל משתתף עם יםpecially תוכנן לחץ-ברצועות גוף מלא (תרשים 1C).
5. נתוני שיא כנדרשים.
6. טען את הרשומות של עניין (קובץ פתוח), ציין את הגדרות הייצוא (כלים> העדפות> יצואנים) ולייצא את התאוצה (מטריצה ​​אוריינטציה) נתונים לניתוח שלאחר מכן ² (קובץ> ייצוא).

2. פלייט חיל: הגדרה וקביעת תצורה

הערה: השלב הנוכחי דן ביישום של צלחת כוח לרשום את GRFs. במקרה שאדם הליכה / ריצה מעורב, סדרה של צלחות בכוח או הליכון מאובזר הוא לשמש כדי לרשום את טעינת מושרה על ידי הצעדים הבאים ^3, הפרוטוקול עצמו משול.

1. ודא כי הצליח הכח קבוע היטב לרצפת המעבדה (איור 2).
2. קביעת גדרות המכשיר ורכישת ⁴ (לכיד להרחיב NDI> נתונים> הגדרות התקן> סטיםNGS). בחר את "קצב דגימה" הראוי "רווח" ו. להגדיר ולבדוק את גדרות טריגר החיצוניות, אם נדרש ^4.
   1. בחר את שבח קצב דגימה בהתאם הדיוק הרצוי ואת סוג הטעינה המעורב. עבור היישום הנוכחי, להשתמש רווח של 128 (כוח מרבי 4,879 N) וכן רץ קצב דגימה 200.
3. התחלה וסיום כל ניסוי עם צלחת כוח ריקה: טרה את צלחת הכח כאשר הוא ריק (לכיד להרחיב NDI> נתונים> מכשיר הגדרות> הגדרות> טרה).
4. לשם אימות: מניחים משקל ידוע על גבי צלחת בכוח לפני ואחרי כל ניסוי.
   הערה: בבקשה הנוכחית מסה של 5 ק"ג משמש, לעומת זאת, השימוש ידועים עוד המוני נוקשה (> 2 ק"ג) יכול באותה מידה לשמש מבחן אימות זה.
5. שיא ולשמור את הנתונים GRF כנדרש. יצאת את GRFs לניתוח ⁴ עוקב.

3. מדידה של מבני Acceleמנות

הערה: השלבים הנוכחיים שואפים לאסוף את התנודות המבניות במקומות אחד או יותר רלוונטי על המבנה. היישום הנוכחי מעסיק GeoSIG GMS חליליות (איור 3) לרשום את התאוצות המבניות. סוגי חיישנים אחרים בעלי מאפיינים נכונים עבור היישום המעורב, יכולים להיות מיושמים באופן שווה.

1. ודא כי החיישנים הבודדים טעונים במלואה. שלב זה יכול להימשך מספר שעות, אך ניתן לבצע על הימים לפני המדידות בפועל. פעל על פי פרוטוקול הטעינה של היצרן.
2. התקן את החיישנים על במקומות הרצויים של המבנה הראשוני: רמת החיישנים, ואם יש צורך, לספק קיבעון ראוי למבנה העיקרי (למשל, באמצעות מגנטים).
   הערה: בהתחשב המסה הגבוהה של הפרט GMS חליליות (> 6 קילו) ואת התנודות בתדירות נמוכה המעורבות (<6 הרץ), לא קיבעון נוסף היה הכרחי במקרה זה.
3. עבור גיאוDAS נתוני רכישה ^5: גדר ויפעיל את רשת GMS האלחוטית וחיבור עם החיישנים ^5. בדוק את הגדרות זמן והגדרות סנכרון (במידת הצורך) (קליק ימני על החיישן> מידע נוסף).
4. מקם את החיישנים על המיקום הרצוי ואת הרמה עצמן בהסכם עם הייחוס העולמי.
5. לרכישת GeoDAS נתוני ^5: יצא את הנתונים שנרשמו לניתוח שלאחר מכן (קליק ימני על החיישן שלח בקשת בקשה> משתמש> GETEVT ^5).

4. ניסויים בסביבת מעבדה מבוקרת

1. Configure / Setup 3D הצעת מעקב (כפי שפורט בסעיף 1).
2. הגדר / צלחת כוח Setup (כפי שפורט בסעיף 2).
3. במהלך מבצע: לבדוק חזותי את מדידות בזמן האמת של שני חיישנים האלחוטיים אינרציה ואת צלחת הכח לאמת המצב המבצעי שלהם.
4. שאל את participנמלה לשלב לצלחת הכח לעמוד דום במשך 30 שניות לפחות: זה מאפשר לזהות את המשקל של כל אדם.
5. הגדר את אות מטרונום: לבחור את הקצב הרצוי, כלומר, תדר מכריח יסוד.
   הערה: אות מטרונום ניתן להגדיר בקלות באמצעות יישומים מקוונים או טלפון חכם חינם.
6. להתחיל להקליט את הנתונים של שתי הצלחת הכח וחיישני האינרציה האלחוטיים.
7. שאל המשתתף ליזום לפעילות הרצויה: הליכה, קפיצה או קיצוץ בשיעור (הצעדה ממוקדת) כפי שצוין על ידי אות מטרונום (ראה איור 4).
8. רשום את מספר הנבחר של מחזורי טעינה, למשל, צעדים, קופץ או מחזורים מתנדנדים. שאל המשתתף לרדת הצלחת הכח.
   הערה: לשם אימות מומלץ לשקול כמה זמן הקלטה נוסף בתנאים פרקו אלה. בספרות, אין הסכמה ברורה על מחזורי טעינה המספר המזערי הנדרש כדי גharacterize מחזור ל-מחזור variabilities ^6. בהתבסס על ניסיון העבודה הציגה ב ^[6], המחקר המוצג כאן רואה 60 מחזורים רצופים לפיה מחזור טעינת החמש הראשונה ואחרון הם נכללים בניתוח הנוסף להוציא סדרי דפוס טעינת ההתחלה והסיום של הניסוי.

5. ניסויים באתרו

1. הגדרת תצורה של / הרשת של חיישני אינרצית 3D, העוקבים אחר התנועה של המשתתפים (ראה סעיף 2 ו איור 5).
2. גדר / הגדרת רשת GMS תאוצה אלחוטית לרשום את התאוצות המבניות (ראה סעיף 4).
3. במהלך מבצע: (ויזואלית) לבדוק את המידות בזמן האמת של חיישני אינרציה האלחוטיים לאמת המצב המבצעי שלהם.
4. גדר פרוטוקול ברור המאפשר לסנכרן את המערכות למדידה המעורבות, אם נדרש.
   הערה: שלב זה הוא הכרחי כאשר מעורביםרכישת מערכות נתונים אינן מאפשרות סנכרון ישיר בשל חוסר טריגר או ערוץ משותף. זו האחרונה הוא המקרה של מערכות מדידה האלחוטיות שיושמו בניסויים באתרו (5.1 ו -5.2). לכן, פרוטוקול ברור אומצה על אתר המאפשר לסנכרן את מחובר מערכי נתונים. ביישום הנוכחי, מערכות המדידה המעורבות מסונכרנות באמצעות רישום של אירוע זהה, כלומר, השפעה, על ההתחלה ואת הסוף של כל ניסוי, שנרשמו על-ידי לפחות חיישן אחד מכל סוג של מערכות מדידה המעורבות. כראוי וקטורי זמן מיושר מכן מתקבלים באמצעות יישור מקוון של אירועים אלה.
5. הגדר את אות מטרונום: באתרו, שימוש מגפון כדי להגביר נדרש הקצב הממוקד.
6. אסוף מספר מספיק של ניסויים כדי לבדוק את הדירות של הניסוי. בהתבסס על ניסיון, החוקרים ממליצים לרשום לפחות 3 או אפילו 4, TRials.

6. ניתוח נתונים

1. תהליך קדם את הנתונים הגולמיים של הציוד המעורב כנדרשת: יישמו את המסננים הראויים להסיר השפעות בלתי רצויות כגון תרומות ורעש מדידה בתדירות גבוהה רלוונטיות, ולשמר את חלון הזמן הרלוונטי על פי הפרוטוקול של היצרן.
   הערה: מאפייני הסינון צריכים להיבחר בהתאם ליישום. במחקר הנוכחי, בארגז כלי עיבוד אותות MATLAB ⁷ מוחל לבצע נמוך לעבור סינון עם תדר חתוך ב 20 הרץ עבור כל האותות המעורבים.
2. לכל משתתף: חשבתי את פורייה הדיסקרטית מרה של התאוצות הרשומות של com באמצעות MATLAB עיבוד אותות ארגז כלים ⁷ ולזהות את תדירות טעינת ממוצע ואת תדירות השיא הדומיננטי של הרמוניות יסוד בספקטרום המתקבל.
3. לזהות בזמן בין כל שני אירועים זהים גודל של מחזור העומסs באמצעות השיטה המפורטת ב ^[3] או בכלי lc_timing של ארגז הכלים PediVib MATLAB ⁸
   1. טען את וקטור נתונים (lc_timing> Load).
   2. ציין את קצב הדגימה להעריך את תדירות טעינת הממוצע. ציין את חלון הזמן הרלוונטי, אם נדרש. שמור את העיתוי המזוהה של האירועים הנומינליים הזהים, כלומר, מחזורי טעינה (lc_timing> שמור).
4. חשב את תדירות טעינת הממוצע כמו ההופכי של הזמן הממוצע בין מחזורי הטעינה העוקבים (כפי שהוגדר ב 6.3).
5. עבור הניסויים במעבדה: החל הנוהל המפורט ב 6.3 הוא עבור כוחות תגובת קרקע גורמים ואת והאצות רשומות COM של כל אדם.
   הערה: שלב זה משמש אימות עבור ההליך שננקט גם עבור הניסויים באתר שבו GRFs לא ניתן למדוד ישירות. השיטה המפורטת ^[3] מראה כיצד שיעור צעדת גרסת הזמן שלהולך רגל יכול להיות מזוהה על ידי המאפיין את היחס בין התאוצות הרשומות ליד COM של הפרט לבין GRFs הסוגר.
6. עבור הניסויים באתרו: החל הנוהל המפורט ב 6.3 של התאוצות הרשומות COM של כל אדם.

סימולציה 7. וניתוח של התגובה המבנית

הערה: השלבים הבאים מבוצעים באמצעות MATLAB ^7. התגובה המבנית מחושבת באמצעות ארגז כלי PediVib, ארגז כלי MATLAB שפותח על ידי המחברים ⁸ (איור 6): הכוחות-induced האדם נקבעים באמצעות יישום של מודלי העומס הכלליים של שהוגדרו על ידי Li et al ⁹ (הליכה) ו בכמן. et al. ¹ (קפיצות, ריצה ונדאל טעינה), ואת המודל המבני מנוסחת מודאלית קואורדינטות ^10. המדריך המלווה כולל הדרכות כי ברור להמחיש אתביצוע שלבים.

1. סימולציה של התגובה המבנית
   1. הגדר את הפרמטרים מודאלית של מבנה המבחן: תדרים טבעיים, יחסי דעיכה מודאלית, התקות מודאלית-מנורמל המוניות, הקואורדינטות של צומת המקבילים (PediVib> פרמטרים מבניים> החדשה). ראייה לבדוק את המידע קלט מודאלית (PediVib> פרמטרים מבניים> צפה).
   2. הגדר את המאפיינים של הולכי הרגל ואת עומסי מושרה המתאימים: סוג עומס, משקל, הליכה בנתיב / מיקום, שיעור צעדה ממוצע, תחילת כל מחזור עומס (PediVib> הולך רגל יחידה> חדשה). הפעל ולשמור התגובה המבנית מדומה עבור המשתתפים המעורבים. ראייה לבדוק את התוצאות (PediVib> הולך רגל יחידה> צפה).
2. חשב את התגובה המבנית סכה באמצעות סופרפוזיציה של התגובות הבודדות, כלומר, בסיכומו של הווקטורים המתאימים, ולהשוות את התוצאה עם התגובה המבנית נמדדת,למשל, על ידי יצירת דמות אשר מציגה את התגובה המבנית המדודה מדומה.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

תוצאות

ראשית, הוא הראה כיצד האצות הרשומות ליד COM של אנשים שניתן להשתמש בם כדי לאפיין את GRFs הסוגר. התוצאות נידונות כאן עבור אדם הליכה ^3. לגמרי דומות תצפיות נעשות כאשר פעילות אדם קצבית, כלומר, קפיצות ו מתנדנד, נחשבים. איור 7 א ו 7 ב מר?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

התנועה האנושית GRFs וכתוצאה מכך בדרך כלל מזוהות על ידי היישום של צלחות כוח, מאובזרת הליכונים וכן טכנולוגיית לכידה תנועה אופטית כגון Vicon ¹⁸ CODA ^19. היישום של טכניקות אלו, לעומת זאת, מוגבל בסביבת המעבדה. בתשובת החסרון הזה, את הפוטנציאל של טכניקות חדשניות המאפשרות ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
MTw Development Kit + MT Manager Software	Xsens	MTW-38A70G20-1	Development kit with wireless, highly accurate, small and lightweight 3D human motion trackers and accompanying click-in full body straps.
True Impulse Kinetic Measurement System + NDI Open Capture Data Acquisition and Visualization System	NDI Northern Digital Inc.	791028	TrueImpulse measures reaction forces exerted by humans during a wide variety of activities.
GMS-24	GeoSIG Ltd	Rev. 03.08.2010	(Wireless) accelerometers to register the structural vibrations.
GeoDAS GeoSIG Data Acquisition System	GeoSIG Ltd	Rev. 03.08.2010	Graphical MS Windows application running under Windows 9x/NT/2000, providing a software interface between users and GeoSIG recorders GSR/GCR/GBV/GT.
PediVib toolbox	KU Leuven		Software interface/toolbox to simulate the structural vibrations induced by pedestrians.
Metronome			A device to indicate the targetted pacing rate of the activity (free applications are available online for pc/laptop/smartphone).