특성화에서 필드 보행자의 행동을 바탕으로 인간에 의한 진동의 시뮬레이션

요약

프로토콜은 - 필드 보행 동작의 특성 및 생성 된 구조적 응답의 시뮬레이션을 위해 제공된다. 현장 시험은 페이싱 식별 시츄 참가자 간의 속도 및 동기 속도가 인위적 부하의 시뮬레이션 및 검증을위한 필수적인 입력을 구성하는 것을 보여준다.

초록

슬림하고 경량의 구조에 대해서는, 진동 보수 종종 중요한 설계 조건을 구성하는 우려​​를 증가의 문제이다. 디자인 인위적 부하에서 동적 성능의 적용을 통해, 강한 요구가 현재로드 모델의 검증 및 개선에 대한 필요성이 존재한다. 본 글은 인 - 필드 보행 동작의 특성에 대한 3 차원 관성 모션 추적 기술을 사용한다. 이 기술은 먼저 해당 접지 반력의 동시 등록을 실험실 실험에서 시험된다. 실험은 걷는 사람뿐만 아니라 점프와 상하 좌우로 홱홱 움직이고 등​​의 리드미컬 한 인간의 활동을 포함한다. 이는 등록 된 모션 활동의 시간 변화 박동수의 확인을 가능하게하는 것이 도시되어있다. 함께 사람의 체중 및 문헌 가능한 일반화 힘 모델을 적용하여, 상기 식별 된 시간 간격의 변형 속도는 char 허용인간에 ​​의한 부하를 acterize. 또한, 무선 모션 추적 간의 시간 동기 참가자 간의 동기화 레이트를 식별 할 수 있습니다. 이어서, 방법은 사람과 유도 구조적 진동 모두 움직임이 등록되어 실제 도교에 사용된다. 특징 - 필드 보행 동작을 유도 구조적 응답을 시뮬레이션에 적용 할 수있는 방법을 도시한다. 이는 간격이 식별 시츄 속도와 동기 속도로 인간의 유도 부하의 시뮬레이션 및 검증을위한 필수적인 입력을 구성하는 것으로 설명된다. 제안 된 방법의 주요 응용 가능성은 인간 상호 작용 구조의 현상의 추정 및 실시간 교통 상황 보행자 사이의 상관 관계에 적절한 모델을 개발한다.

서문

효율성의 경제적 수요 (신규) 재료, 건축가와 엔지니어 적 이상, 키가 크고 가벼운 구조를 구축하는 한계를 밀고의 증가 강도에 의해 구동. 일반적으로, 가볍고 슬림 구조는 실행 중이거나 점프 걷기와 같은 일반적인 인간 활동의 지배적 인 스펙트럼 내에있는 하나 이상의 고유 진동수를 가지고있다. (근) 공진 여기의 대상이 될 가능성이, 그들은 방해 또는 유해한 진동 ^한 결과, 종종 인간의 움직임에 과도하게 반응이다. 이러한 슬림하고 경량 구조의 경우, 상기 진동 보수 종종 중요한 설계 조건을 구성하는 우려​​를 증가의 문제이다.

인간의 움직임과 결과지면 반력 (GRFs)은 일반적으로 실험을 실험실 조건에서 식별된다. '보수적'으로 간주 무엇 - - 현재, 디자이너에 의존하도록 강요 동등한 리터한 사람의 힘 측정에서 업 스케일 OAD 모델. 설계는 높은 군중 밀도 하에서 동적 성능의 적용을 통해 강하게 요구는 현재로드 모델의 검증 및 개선에 대한 필요성이 존재한다.

본 프로토콜은 보행자의 자연 운동의 특성에 대한 3D 관성 모션 추적 기술을 사용한다. 또한이 정보는 보행자뿐만 아니라 대응하는 유도 부하 사이의 관계를 정의하는 방법을 도시한다. 후속 단계에서, 특성화 된 보행 동작 수치 유도 구조적 응답을 시뮬레이션하기 위해 사용된다. 등록 구조적 응답과의 비교는 인하여 보행자의 존재 댐핑 첨가 예 불명 인간 구조 상호 작용 현상의 효과를 정량화 할 수있다. 이 방법은 실제 도교에 전면적 실험 도시된다 구조적 응답 파의 움직임참가자들 동시에 등록됩니다.

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프로토콜

모든 절차는 KU 루벤의 대학 병원의 윤리위원회의 승인을하고, 각 주제 전에 참여에 서면 동의서를 주었다.

1. 3D 모션 추적 : 구성 및 데이터 수집

1. 각각의 센서는 완전히 (그림 1A)를 충전되어 있는지 확인합니다. 이 단계는 약 1 시간이 필요하지만, 실제 측정 이전의 날에 수행 될 수있다. 제조업체의 충전 프로토콜을 따르십시오.
2. MT 관리자 - 데이터 수집 ² :
   1. (모든 무선 마스터를 사용하도록 설정> 무선 구성) 센서와 무선 연결을 사용하고 원하는 샘플 속도를 지정합니다.
      주 : 보행 동작의 정확한 특성을 허용하기 위해, 적어도 60 Hz의 샘플링 레이트가 통보된다. 개별 센서 기록 3D 선형 가속도, 각속도 (지구) 자기장과 대기 압력 데이터.
   2. 작동 모드를 활성화하고 측정 모드를 시작 : (모든 무선 마스터에서 측정을 시작> 무선 구성) 약 1 분 동안 센서와 느린 움직임을 확인합니다.
   3. 모든 활성 센서 (보기> 디스플레이> 관성 데이터)의 관성과 자기 데이터를 표시합니다. 정지 상태에서, 센서의 방향이 기회를하지 않는 것을 확인하십시오.
      참고 : 고정 센서의 변화 방향함으로써, 부정확 한 방향 정보, 자기 교란 환경을 표시하고있다.
3. 방향 재설정 : 실험 (그림 1B) ^2의 글로벌 기준 프레임을 정의하는 (방향을 재설정> 개체 / 호 재설정) 개체 / 제목 리셋을 적용합니다.
4. 다섯 번째 요추 (도 1C)의 레벨에 위치 질량 본체 중심 (COM)에 가능한 근접 센서를 배치했다. 의 각 참가자에 단단하고 견고하게 하나의 센서를 고정pecially는 클릭에 전신 스트랩 (그림 1C) 설계.
5. 기록 데이터는 필요에 따라.
6. 관심 (열린 파일)의 기록을로드, 내보내기 설정 (도구> 환경 설정> 수출)을 지정하고 이후의 분석 ² (파일> 내보내기)에 대한 데이터를 가속 (및 방향 매트릭스)를 내 보냅니다.

2. 포스 플레이트 : 설치 및 구성

참고 : 본 단계는 GRFs를 등록하는 힘 플레이트의 적용을 설명한다. 보행 / 실행하는 사람이 포함되는 경우, 포스 판의 시리즈 또는 인스트루먼트 디딜 프로토콜 자체는 유사, 후속 단계 ^(3)에 의해 유도 된 부하를 등록하는 데 사용한다.

1. 힘 판 안전하게 실험실 바닥 (그림 2)에 고정되어 있는지 확인합니다.
2. 장치와 인수 설정 ⁴ (NDI 오픈 캡쳐> 데이터> 장치 설정> Setti 구성NGS). 적절한 "이득"과 "샘플 레이트"를 선택합니다. 구성하고 ⁴ 필요한 경우, 외부 트리거 설정을 확인합니다.
   1. 원하는 정확도 및 관련로드 타입에 따라 이득 및 샘플 레이트를 선택한다. 본 출원을 위해, 128 (최대 힘 4879 N) 및 샘플 레이트를 200Hz의 이득을 사용한다.
3. 시작하고 빈 힘 플레이트 각 시험을 종료 : 힘 판을 용기 때 빈 (NDI 오픈 캡쳐> 데이터> 장치 설정> 설정> 용기).
4. 확인을 위해 : 전에 힘 판의 상단에 각 시험 후 알려진 무게를 놓습니다.
   참고 : 본원 5 kg의 질량하지만, 다른 공지 된 강성 물질 (> 2kg)의 사용이 동등 검증 테스트를 제공 할 수가 사용된다.
5. 필요에 따라 녹음하고 GRF 데이터를 저장합니다. 이후 분석 ^4의 GRFs를 내 보냅니다.

구조적에서 가속 3. 측정식료품

참고 : 본 단계는 구조에 하나 이상의 해당 위치에서 구조 진동을 수집하는 것을 목표로하고 있습니다. 본 어플리케이션은 GeoSIG이 구조 가속도를 등록 레코더 (그림 3) GMS 사용한다. 침범 애플리케이션에 적합한 특성을 가진 다른 유형의 센서가 동일하게 적용될 수있다.

1. 각각의 센서가 완전히 충전되어 있는지 확인합니다. 이 단계는 몇 시간이 걸릴 수 있지만, 실제 측정 이전의 날에 수행 될 수있다. 제조업체의 충전 프로토콜을 따르십시오.
2. (자석을 사용하여, 예) 기본 구조에 대한 적절한 고정을 제공 할 필요가있는 경우, 센서의 수평 및 다음 주요 구조의 원하는 위치에 센서를 설치한다.
   참고 : 개인의 높은 질량 레코더 (> 6kg)와 관련 저주파 진동 (<6 Hz에서) GMS 제공, 추가 고정이 경우 필요 없었다.
3. 지역에 대한DAS 데이터 수집 ⁵ : 구성 및 센서 ^(5)와 무선 GMS 네트워크와 연결을 할 수 있습니다. 시간 설정 및 동기화 설정 (필요한 경우) 확인 (오른쪽> 센서에 대한 자세한 정보를 클릭).
4. 원하는 위치에 센서를 배치하고 글로벌 기준 프레임과 일치를 수준.
5. GeoDAS 데이터 수집 ⁵ : 기록 된 데이터를 내 보냅니다 이후의 분석을 위해 (오른쪽 센서> 인스트루먼트 컨트롤> 요청> 사용자 요청> GETEVT ^{5 보내기를} 클릭).

제어 된 실험실 환경 4. 실험

1. (1 절에서 논의 된 바와 같이) 추적 구성 / 설치 3D 모션.
2. (2 절에서 논의 된 바와 같이) / 설치 포스 플레이트를 구성합니다.
3. 작동시 : 시각적으로 무선 관성 센서 및 힘 판 모두의 측정이 자신의 동작 모드를 확인하는 실시간 확인합니다.
4. particip 문의힘 플레이트에 단계로 적어도 30 초 동안 계속 서서 개미 :이 각각의 무게를 식별 할 수 있습니다.
5. 메트로놈 신호를 구성하여 원하는 리듬, 즉, 기본적인 강제 주파수를 선택합니다.
   참고 : 메트로놈 신호는 쉽게 무료 온라인이나 스마트 폰 응용 프로그램을 사용하여 구성 할 수 있습니다.
6. 힘 플레이트와 무선 관성 센서 모두의 데이터를 기록하기 시작한다.
7. 원하는 활동을 시작하는 참가자에게 질문 점프 또는 메트로놈 신호로 나타낸 바와 같이 (대상 페이싱) 속도로 만료, 도보 (그림 4 참조).
8. 로드 사이클, 예를 들어, 단계, 점프 또는 만료 사이클의 선택 수를 기록한다. 힘 판을 얻​​기 위해 참가자를 요청합니다.
   참고 : 확인을 위해 이들 언로드 조건에서 몇 가지 추가 녹화 시간을 고려하는 것이 좋습니다. 문학에서 c 필요한 최소한의로드 사이클에 대한 명확한 합의가 없다사이클 - 투 - 사이클 ⁶ 가변성 haracterize. 경험에 소개 된 연구에 기초하여 ^6] 여기에 제시된 연구는 첫 번째와 마지막 다섯 로딩 사이클 시험의 시작과 끝에서의 적재 패턴으로 요철을 배제하기 위해 추가 분석에서 제외함으로써 60 개의 연속주기를 고려한다.

제자리 5. 실험

1. 구성 / 설치 프로그램은 참가자의 움직임을 추적 3D 관성 센서 네트워크 (섹션 2와 그림 5 참조).
2. / 설치를 구조 가속도를 등록 무선 가속도계의 GMS 네트워크를 구성합니다 (4 절 참조).
3. 동작 동안 (시각) 자신의 동작 모드를 확인하는 무선 관성 센서의 실시간 측정을 확인한다.
4. 필요한 경우 관련 측정 시스템을 동기화 할 수있는 명확한 프로토콜을 정의한다.
   참고 : 포함 된 경우이 단계가 필요하다데이터 수집 시스템으로 인해 트리거 또는 공통 채널의 부족으로 직접 동기화를 허용하지 않는다. 후자는 현장 실험 (5.1 및 5.2)에인가 무선 측정 시스템의 경우이다. 따라서, 명확한 프로토콜은 데이터 세트를 오프라인으로 동기화 할 수 있습니다 사이트에 채택되었다. 본 출원에서, 관련 측정 시스템은 관련 측정 시스템의 각각의 적어도 하나의 센서에 의해 등록 시작과 각 시험의 끝에, 즉 동일한 이벤트 등록에 충격을 통해 동기화된다. 제대로 정렬 시간 벡터는 이후 이러한 이벤트의 오프라인 정렬을 통해 얻을 수있다.
5. 메트로놈 신호를 구성합니다 현장에서 확성기의 사용은 대상 비트가 필요한 증폭.
6. 실험의 재현성을 확인하기 위해 시험의 충분한 수를 수집한다. 경험을 바탕으로, 저자는 TR 적어도 3, 바람직하게는 4를 기록하도록 권장IALS.

6. 데이터 분석

1. 사전 처리는 필요에 따라 관련 장비의 원시 데이터 : 예 무관 고주파 기부 및 측정 잡음으로 바람직하지 않은 영향을 제거 할 수있는 적절한 필터를 적용하고, 제조자의 프로토콜에 따라 해당 시간 윈도우를 유지한다.
   주 : 필터링 특성은 용도에 따라 선택되어야한다. 본 연구에서, MATLAB 신호 처리 도구 ^(7)는 모든 관련 신호를 20 Hz에서 컷오프 주파수를 필터링하는 로우 패스를 수행하기 위해 적용된다.
2. 각 참가자 : 계산은 이산 푸리에 MATLAB 신호 처리 도구 ^(7)를 사용하여 컴의 등록 가속도 변환하고, 얻어진 스펙트럼의 기본 고조파의 주된 피크의 주파수와 평균 로딩 주파수를 식별한다.
3. 로드 사이클의 임의의 두 개의 명목상 동일한 이벤트 간의 시간에 파악PediVib MATLAB 도구 상자 ^{(8) [3]} 또는 lc_timing 도구에 설명 된 방법을 사용하여이야
   1. 데이터 벡터 (lc_timing>로드)를 넣습니다.
   2. 샘플링 속도를 지정하고 평균 로딩 주파수를 추정한다. 필요한 경우, 해당 시간 창을 지정합니다. 식별 즉 명목상 동일한 이벤트의 타이밍,로드 사이클 (lc_timing> 저장)를 저장합니다.
4. (6.3에서 식별 된) 이후의 부하주기 사이의 평균 시간의 역수로서 평균 로딩 빈도를 계산한다.
5. 실험실에서 실험의 경우 : 결과 지상 반력과 각 개인의 COM에 등록 된 가속도 모두 6.3에 설명 된 절차를 적용합니다.
   참고 : GRFs 직접 측정 할 수없는 현장에서 실험에 적용되는이 단계는 절차에 대한 검증 역할을합니다. 에 설명 된 방법은 ^[3] 방법을 보여줍니다의 시간 변화 페이싱 속도보행자 개인의 COM 근처 등록 가속도 및 그에 GRFs 사이의 관계의 특성을 식별 할 수있다.
6. 현장에서 실험을 위해 각 개인의 COM에 등록 된 가속도 6.3에 설명 된 절차를 적용합니다.

구조적 응답 7. 시뮬레이션 및 분석

참고 : 다음 단계는 MATLAB ^7을 사용하여 수행됩니다. ⁹ (보행) 리 등에 의해 정의의 인위적인 힘이 일반화 된 부하 모델을 적용하여 결정되며, 바크 :. 구조적 응답은 PediVib 툴박스 저자 ^(8)에 의해 개발 된 MATLAB 툴박스 (도 6)을 이용하여 계산된다 등. ¹ (점프, 실행 및 파손로드), 모달에 공식화 된 구조 모델 ^{(10)을 조정합니다.} 첨부 된 매뉴얼은 분명히을 설명 튜토리얼을 포함단계에 따라.

1. 구조 응답의 시뮬레이션
   1. 테스트 구조의 모달 매개 변수를 정의 : 자연 주파수, 모달 감쇠 비율, 대량 정규화 모달 변위를 해당 노드 (PediVib> 구조 매개 변수> 새)의 좌표. 시각 모달 입력 정보 (PediVib> 구조 매개 변수>보기)를 선택합니다.
   2. 보행자의 특성과 해당 유도 부하를 정의 부하 종류, 무게, 경로 / 위치, 평균 페이싱 속도, 각로드 사이클의 시작을 걷고 (PediVib> 단일 보행자> 새). 실행하고 관련 참가자에 대한 시뮬레이션 구조 응답을 저장합니다. 시각 결과 (PediVib> 단일 보행자>보기)를 선택합니다.
2. 대응하는 벡터, 즉 개별 응답 중첩, 합산을 통해 총 구조적 응답을 계산하고, 측정 구조 응답 결과를 비교예를 들어, 측정 및 시뮬레이션 구조 응답을 표시하는 그림을 만들어.

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결과

먼저, 개인의 COM 근처 등록 가속도가 필연적 GRFs를 특성화하는 방법을 도시한다. 결과는 도보로 각각 ³ 여기에 설명되어 있습니다. 완전 비교 관찰했다 때 리듬 인간의 활동, 즉, 점프하고 왔 거든.도 7a 및 연속 수직 다리 힘의 진폭 스펙트럼 및 보행자의 COM 근처에 등록 된 해당 가속도 수준이 질적으로 매우 유사하다는 것을 7B 쇼로...

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토론

인간의 움직임과 결과 GRFs 보통 힘 플레이트의인가에 의해 식별 등의 Vicon ¹⁸ CODA 트레드밀 ^(19)뿐만 아니라 광 모션 캡쳐 기술을 계측한다. 이들 기술의 적용은, 그러나, 실험실 환경에 한정된다. 이러한 단점에 대한 응답으로, 많은 반복 및 중단주기 동안의 자연 '인 거동의 측정을 허용하는 기술 혁신의 전위는 현재 ^20을 조사한다. 대체 기술은 감압 깔창 시스템 ⁽²¹⁾

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자료

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).