CN101978250B - 一种研究测试本体与物理结构之间碰撞的系统 - Google Patents

Abstract

一种研究测试本体与物理结构之间碰撞的装置，其中，所述装置包括：安装单元，所述安装单元用于安装测试本体；电驱动单元，所述电驱动单元适合于以机械方式驱动安装单元及安装于安装单元上的测试本体；控制单元，所述控制单元适合于控制电驱动单元以使安装于安装单元上的测试本体加速，并适合于控制测试本体从安装单元的释放从而将加速后的测试本体引导向物理结构而进行碰撞；其中所述装置适合于使安装单元及安装于安装单元上的测试本体仅由电驱动单元以机械方式驱动。

Description

一种研究测试本体与物理结构之间碰撞的系统

技术领域

本申请要求2008年2月18日提交的欧洲专利申请No.08002954.9的申请日的权益，其公开通过参引结合入本文。

本发明涉及一种研究测试本体与物理结构之间碰撞的装置。

此外，本发明涉及一种研究测试本体与物理结构之间碰撞的方法。

此外，本发明涉及一种程序单元。

此外，本发明涉及一种计算机可读介质。

背景技术

用于模拟车辆与行人之间或车辆与乘员之间碰撞的物理测试对于开发技术装置的改进是有力的工具，并且可能在产品开发和故障分析中很有帮助。

存在各种需要履行的法律和工业法规以认可车辆具有足够的安全性。示例有2003/102EG、EEVC WG17、FMVSS、ACEA、JAMA或EuroNCAP。例如规章2003/102EG就是关于行人和其他易受伤害的道路使用者在与机动车辆发生碰撞之前及碰撞之中的保护。

DE 103 39 409公开了一种在预选条件下在加速度方向抵靠固定物体使测试本体加速的发射装置，所述固定物体是车辆的一部分。测试本体具有线性运动运载器，所述测试本体用座架固定在所述运载器上。运载器与线性马达的电感凸轮相联从而允许控制其发射速度。所述凸轮沿着与运载器导轨平行的反作用棒杆运动。

DE 101 04 192公开了一种固定测试本体的固定架。所述固定架设置有能够被加速的运载器。所述运载器可以以自由飞行模式或引导模式选择性地操作。加速后的携带固定架的运载器的至少一部分可在引导模式下运动，直至测试本体与所述物体碰撞，并且可以在碰撞前在自由飞行模式中制动。

然而，常规碰撞测试系统可能不精确、费时或不便于使用。

发明内容

本发明的目标是提供一种碰撞测试系统，所述碰撞测试系统提供足够快速而准确的数据积累，还可由用户方便地操作。

为了实现上文限定的目标，提供了根据独立权利要求的一种研究测试本体与物理结构之间碰撞的装置、一种研究测试本体与物理结构之间碰撞的方法、一种程序单元和一种计算机可读介质。

根据本发明的一种示例实施方式，提供了一种研究(或控制)测试本体(例如具有与人或人体一部分类似属性的技术构件)与物理结构(例如汽车或汽车部件或任何其他车辆)之间碰撞的装置，其中，所述装置包括：用于安装测试本体(例如，可以在安装单元处以及在测试本体处设置相应装置，所述装置允许足够牢固地安装测试本体以保证测试本体跟随安装单元的运动，并且充分放松使得测试本体继续运动并在超出一定阈值力或启动各自触发器时与安装单元分开)的安装单元(如接收器)；适合于以机械方式驱动安装单元及安装于安装单元上的测试本体的电驱动单元(具体为一个或多个线性马达)；以及适合于控制所述电驱动单元从而加速安装于所述安装单元上的测试本体(例如以使测试本体在目标位置上沿目标方向具有目标速度的方式)并且适合于控制测试本体从安装单元的释放(例如以安装单元和测试本体与座架不继续连接或相互运动的方式)从而向物理结构引导加速后的测试本体进行碰撞的控制单元(例如可以根据预定工作方案或用户定制的工作方案来工作)。

根据本发明另一示例实施方式，提供了一种研究测试本体与物理结构之间碰撞的方法，其中，所述方法包括通过电驱动单元以机械方式驱动安装单元及安装于安装单元上的测试本体，并控制所述电驱动单元以加速安装于安装单元上的测试本体，并从安装单元释放测试本体从而将加速后的测试本体引导向物理结构进行碰撞。

根据本发明又一示例实施方式，设置有计算机可读介质(例如CD、DVD、U盘、软盘或硬盘)，其中存储有研究测试本体与物理结构之间碰撞的计算机程序，所述计算机程序在由处理器执行时适合于控制或执行具有上述特征的方法。

根据本发明再一示例实施方式，设置有研究测试本体与物理结构之间碰撞的程序单元(例如为源代码或者为可执行代码的软件程序)，所述程序单元在由处理器执行时适合于控制或执行具有上述特征的方法。

能够根据本发明实施方式执行的用于碰撞测试目的的数据处理可由计算机程序即通过软件实现，或通过使用一个或多个专用电子优化电路即以硬件形式实现，或以混合形式即通过软件部件和硬件部件实现。

术语“物理结构”可以具体表示正在被开发或分析并继而应通过碰撞测试研究的现实世界中的任何物体(特别是任何技术装置、构件或其一部分)。因此在分析过程中可以研究所述物理结构的物理性质。此物理结构可以是车辆，特别是会需要通过认证测试以获得批准或满足与质量或安全相关的工业或法律标准的汽车。

术语“测试本体”可以具体表示可以模拟碰撞中可能的对方或受害者的现实世界中的物理结构，比如身体或人身体的一部分或动物。因此，大小、重量、形状和/或相对于物理结构的方向可以根据解剖结构条件(anatomical frame conditions)出于现实碰撞模拟的目的而构造。

术语“电驱动单元”可以具体表示直接产生直接作用在安装单元上并继而作用在安装于安装单元上的测试本体上的力的任何电动马达，特别是没有在驱动单元和安装单元之间互连或插入液压或气动力发生器。因此，所述装置可以没有液压或气动部件。因此，此电驱动单元可以是用电做功的发动机，或是将电转换(最好直接转换)为机械功的马达。

根据本发明的一种示例实施方式，可以设置有碰撞测试装置，其使测试本体具有相对于诸如汽车或任何其他车辆(例如在空间固定的实验室系统中)之类物理结构的速度，从而执行正如可能在现实世界中行人/汽车乘员与车辆之间发生的事故那样的测试本体与物理结构之间的碰撞或撞击(在限定良好的条件下)。通过设置诸如用于执行加速的电动马达之类的电驱动单元就能对速度特性进行适当的控制或调节，从而能够获得与设置有气动或液压驱动器的常规方法相比对测试本体的运动特性更好的控制。

因此，可以设置电驱动测试工作台或测试站来提高车辆安全性测试的可靠性。通过采取这一措施可以实现受控制或受调节的速度图形，而没有限定测试矩阵或进行对比试验的必要。测试及结果会更精确而且基本与环境温度无关。能使测试程序更快捷并减少更换或重新校准系统所需的时间。工作安全性会非常高，用户操作会非常方便并且只需要非常少量的维修工作。

下面说明所述装置的另一示例实施方式。然而，这些实施方式也适用于所述方法、所述程序单元及所述计算机可读介质。

所述装置可以适合于使安装单元和安装于所述安装单元上的测试本体只由电驱动单元以机械方式驱动。换言之，能实施纯电驱动机构。在此实施方式中没有非电驱动机构。在此实施方式中用于使安装单元运动的全部驱动器能量或驱动能可以由电驱动机构提供。在此实施方式中，驱动机构可以没有任何非电驱动部件，特别是可以没有任何气驱动部件。用于以机械方式驱动安装单元和安装于所述安装单元上的测试本体的机械驱动机构可以包括电驱动单元。通过此措施就没有必要装备复杂而昂贵的气动驱动系统。在一种实施方式中，具有不同加速度特征的阶段序列的粗调和精细控制需要的所有能量可以由具有一个或多个线性马达的电驱动单元提供。

所述安装单元可以适合于安装包括模拟人头部的测试本体、模拟成人头部的测试本体、模拟儿童头部的测试本体、模拟人髋部的测试本体、模拟人腿部的测试本体及一组模拟人不同身体部位的测试本体在内的组中的至少一个测试本体。所述安装单元可以适合于安装可能为模拟成人头部的测试本体、模拟儿童头部的测试本体、模拟人髋部的测试本体和/或模拟人腿部(如一条腿)的测试本体的测试本体。为此目的，可以在安装单元处设置允许将相应的测试本体固定或附连于安装单元的特有装置。同一个安装单元可能适合于安装不同的测试本体以便使用同一个测试装置用不同的测试本体——例如可以是按照法律规定的用于批准车辆所需要的5个测试本体，即：3个头部模拟测试本体、1个髋部模拟测试本体和1个腿部模拟测试本体——进行测试。

所述装置可以包括以下组中的至少一个测试本体，所述组包括模拟人头部的测试本体、模拟成人头部的测试本体、模拟儿童头部的测试本体、模拟人髋部的测试本体、模拟人腿部的测试本体及一组模拟人不同身体部位的测试本体。所述装置还可以包括一个或多个前面提到的测试本体，所述测试本体能够特别地适合于与用于在安装单元处安装测试本体的相应紧固装置相对应。在安装单元处的所述测试本体可以安装成在受到低于阈值的力作用时，所述测试本体跟随安装单元运动。然而在超出阈值力时，测试本体则可以从安装单元释放，从而使安装单元向诸如受审查的车辆之类的物理结构运动。这种突然的力冲击可以由安装单元的突然减速引起，所述减速可以由电动马达的制动操作或碰撞时在安装单元运动方向上阻止安装单元运动的妨碍物或障碍物实现。

可选地，安装单元和测试本体也可以在加速阶段彼此牢固地固定在一起。此后测试本体从安装单元的释放可以由特定的机械或电信号触发。例如，此信号可以产生具有使安装单元与测试单元之间之前固定的连接释放的效果的电力或磁力。可选地，此信号可以产生或消除具有使安装单元和试验单元之间之前的固定连接释放的效果的机械力。此机械力可以是消除安装单元与测试本体之间之前的锁止或接合的力。

所述安装单元可以适合于以可替换的方式安装不同的测试本体。所述安装单元可以适合于以可替换的方式/以可拆卸的方式安装不同的测试本体。因此，可以设置包括不同的测试本体和构造成以每次一个的方式安装各单个测试本体的一个安装单元的成套件或构造组。因此，不同的测试可使用相同的安装单元对不同的测试本体一个接着另一个地进行。也可以设置适应测试本体中多个不同测试本体的多个安装单元。

电驱动单元可包括电动线性马达。线性马达可以是这样的多相交流(AC)电动马达，所述多相交流(AC)电动马达的定子已“展开”从而沿其长度产生线性力而非扭矩(旋转)。工作模式之一是Lorenz型致动器，其中作用力线性正比于电流和磁场。此例如高加速度线性马达之类的线性马达可以相对较短并且可以设计为将物体加速至高速然后释放所述物体。在碰撞模拟装置中使用电动线性马达时可以实现高精度。

控制单元可适合于控制电驱动单元以根据预定的速度曲线图和/或加速度曲线图使测试本体加速。控制单元可适合于控制电驱动单元以根据预定的速度曲线图(或根据预定加速度曲线图)使测试本体加速。用户可以限定各类速度曲线图从而允许根据用户爱好来操作所述装置。

具体地，控制单元可适合于控制电驱动单元以根据预定梯形速度曲线图(可能有缓慢的上升沿、接着为水平沿、之后为快速下降沿)使测试本体加速。此曲线图在图2中作为示例示出。梯形速度曲线图可以以线性增速开始；其次是其中速度在整个时间段内恒定的水平段；之后是速度线性减少，这可以具有比梯形速度曲线图中上升部分的斜度更大的斜度。此曲线图可以允许适当的加速方案从而在测试本体离开安装单元时限定精确的条件。

控制单元可适合于控制电驱动单元从而向物理结构发射加速后的测试本体以进行碰撞。因此，当测试本体从安装单元释放后，测试本体可以预定速度开始，并且只受重力影响而在空间中自由运动，从而以特定角度(可以是测试本体碰撞时的力矢量与物理结构在碰撞位置处的表面部分之间的角度)向碰撞对方即物理结构飞行。

控制单元可适合于控制电驱动单元将加速后的测试本体以可调角度引导向物理结构。因此，不一定必然是控制单元在水平方向释放测试本体这种情况，而是也可以在装置中调整相对于水平方向的任何倾斜角度以增加所进行的测试的自由度。

所述装置可包括定子或支架，所述安装单元在所述定子或支架上沿预定轨迹运动。此支架可以是台或任何其他的以基本无振动的方式静态地组装并且限定了加速后的安装单元沿其运动的(例如线性的)轨迹的基板。

具体地，所述支架可以包括导轨，安装单元可沿所述导轨依循预定轨迹运动。因此，安装单元能够沿导轨以可滑动的方式受引导，这非常准确地限定了运动方向。

所述装置可包括测量单元，该测量单元适合于测量表示安装于安装单元上的测试本体运动的数据，并且适合于将测量数据提供给控制单元作为控制电驱动单元的基础。具体地，所述测量单元可以执行对于安装于安装单元上的测试本体的测距法测量。当相应的数据集(时间和位置参数对)报告给控制单元时，控制单元可检验或监测当前运动特性是否适合或者对调节的修正是否有必要。

所述装置可包括适合于检测和估算表示测试本体与物理结构之间碰撞的碰撞数据的分析单元。此分析单元可包括拍摄用于后续估算的碰撞图像或视频的摄像头。此分析单元还可包括定位在测试本体处或测试本体中和/或定位在物理结构中的允许测量表征碰撞的参数的一个或多个传感器。这种估算或分析单元可结合在所述装置中从而为碰撞模拟系统提供综合解决方案。

电驱动单元可包括以同步的方式彼此平行(时间上和/或空间上)工作的多个线性电动马达。已经令人惊讶地认识到，对于特定的高功率发射试验，仅使用单个电动线性马达可能不足以获得所需的高功率值。因此，可设置多个——例如3个、4个或更多个——电动线性马达，多个电动线性马达要进行同步工作从而使测试本体获得充分有力的加速度。具体地，由此电驱动单元提供的加速力可至少为1000N，特别地可以至少为1500N，更特别地可以至少为2000N。此量值的力可以由多个线性马达一同提供。具体地，可特别指定用于控制电动线性马达的软件程序从而适当地同步各单体线性马达的加速度的贡献。此软件程序可构造成使单体线性马达的切换能够在时间上平行。线性马达可串联。与常规方法相反，根据本发明示例实施方式，整个加速功率或能量可由电驱动单元提供。

在一种实施方式中，控制单元可适合于控制电驱动单元从而在第一时间间隔内使测试本体加速，在第一时间间隔后的第二时间间隔内调节测试本体的定常速度，并在第二时间间隔后的第三时间间隔内使测试本体减速。在第一时间间隔内，测试本体的速度可增加，在第二时间间隔内，测试本体的速度可维持在所需目标值，在第三时间间隔内，负加速度可作用于测试本体，继而制动安装单元，从而使测试本体可以从安装单元释放。

在一种实施方式中，所述装置可适合于使得仅通过电驱动单元使述安装单元及安装于安装单元上的测试本体在第一时间间隔内加速，在第二时间间隔内匀速运动，第三时间间隔内减速。因此，所有三个周期——加速-自由运行-减速顺序——可仅由电驱动单元单独提供动力由此使得电驱动单元成为调节所述安装单元/测试本体速度的唯一动力源。在一种实施方式中，线性马达仅用于加速(a＞0)、调节速度和减速(a＜0)。在此实施方式中气动和液压部件是不必要的。

安装单元可包括第一紧固构件(如凹部或凸部)，所述第一紧固构件适合于与测试本体的相配合第二紧固构件(如凸部或凹部)接合以将测试本体安装于安装单元上。

更具体地，安装单元可包括用于容纳测试本体凸部(如销)以将测试本体安装于安装单元上的凹部。因此，安装单元中可形成有构造成容纳测试本体凸部的容纳空间，所述凸部可根据凹部成形及定尺寸。组装时，测试本体可使用设置在安装单元及测试本体处的相配合的紧固元件简单地插在安装单元上。

在一种实施方式中，测试本体可形成所述装置的一部分。

安装单元可包括磁场发生单元，所述磁场发生单元用于在凹部中产生磁场以借助于电磁引力容纳由磁性材料制成的凸部。在一种实施方式中，其中安装单元具有凹部而测试本体具有销，安装单元可包括在凹部中并可选地在凹部周围产生磁场的磁场发生单元(可位于凹部周围)。测试本体的凸部可包括磁性材料(例如永磁体)，所述磁性材料可被磁场发生单元产生的电磁引力吸引。优选地，磁场发生单元是电磁铁，其能够以可控且选择性的方式仅在电磁铁通电时产生磁场。因此，可以产生电磁引力从而使测试本体保持吸附于安装单元。

仍然参照上述实施方式，控制单元可适合于在使安装于安装单元上的测试本体加速之前(和/或期间)激活磁场发生单元以产生磁场从而在凹部中产生电磁引力。磁场发生单元可在使测试本体加速和/或从安装单元释放测试本体时被停用以关掉引力电磁场。例如，磁场可在安装单元和测试本体靠在装置上时开启，但磁场可在安装单元和测试本体相对于装置的定子运动时关闭。因此，控制单元可以例如发送电激活电流至电磁铁来产生吸引销(可由诸如铁、镍或钴等制成)的电磁场。因此，在进行试验之前和/或在加速阶段中，在此时段测试本体固定地安装于安装单元上，磁场支撑这种稳定的构造。在接近于测试本体从安装单元释放的时刻，此磁场可能会关闭，因为维持此磁场会降低测试本体离开安装单元时的速度。为了进一步促使测试本体从安装单元释放，甚至可以使由磁场发生单元产生的磁场在释放测试本体时改变正负，从而产生排斥磁力以促使测试本体从安装单元释放。

测试本体在安装单元上的安装可以只由以下两项的结合完成：1)所述凹部与所述凸部的形状闭合所产生的力，2)磁场对所述测试本体的磁性凸部的吸引。将测试本体(释放前)固定在安装单元上的安装力可只由以下两项的结合完成：1)凹部与销的形状闭合，2)磁场对测试本体的电磁销的吸引。因此，销与凹部(或任何其他两个相配合的紧固元件)之间的形状联锁并结合电磁引力对于机械稳定构造是足够的而无需其他的力分量。

在一种实施方式中，在所述装置处设置有配重，所述配重可构造成(例如仅)当沿着与安装单元及安装于安装单元上的测试本体的运动方向相反的方向的运动方向以机械方式驱动安装单元及安装于安装单元上的测试本体时被机械地驱动。换言之，所述配重可补偿使安装单元及安装于安装单元上的测试本体沿一个方向加速时作用在装置上的机械力。当朝相反的方向移动配重时，可以实现这些作用在装置上的力的平衡，从而使所述装置可以平顺地工作。此配重在安装单元和测试本体布置在装置的侧向侧表面时是特别有利的。在此情况下，将配重布置在装置的相对侧表面是有利的。当安装单元向前运动时，配重将在向后的方向运动，反之亦然。换言之，安装单元和配重两者的运动可沿(例如长方形)装置的纵向延伸方向执行。在此纵轴方向上发射，安装单元可从第一位置(安装单元的起始位置)运动到第二位置(安装单元的目标位置)，而与此同时配重可从第二位置(配重的起始位置)运动到第一位置(配重的目标位置)。通过此构造，可获得操作不受由于未补偿的力而摇动或摆动的干扰的空间上紧凑的装置。

配重的质量可以等于或相当于测试本体的质量(考虑安装单元的质量)。换言之，配重可以构造成具有能平衡由于移动测试单元/安装单元而作用在所述装置上的机械负载的质量。

所述装置可包括以机械的方式将配重与安装单元及安装于安装单元上的测试本体耦联的力转换器，从而使力转换器将作用在安装单元及安装于安装单元上的测试本体上的力转换为作用在配重上的转换力。由于安装单元与配重相应的运动耦联，因而能够由同一个驱动器即电驱动单元使安装单元和配重一起移动。因此，没有必要使用任何其他驱动器以驱动配重。这就允许实现紧凑的装置，也无需任何使配重和安装单元的运动同步的同步工作量，因为这种同步是自动实现的。

具体地，所述力转换器可包括绳缆牵拉机构，所述绳缆牵拉机构具有绳缆，所述绳缆连接安装单元与配重的绳缆从而将作用在安装单元及安装于安装单元上的测试本体的力向量转向为作用在配重上的逆向力向量。此绳缆牵拉机构是非常简单的力方向转向机构，并允许装置具有紧凑的构造而且力的转化非常可靠。

承载有允许安装单元移动的导轨的装置的定子可还包括另一导轨，配重可沿预定的另一轨迹运动在所述另一导轨上运动。两个导轨可互相平行，而两个轨迹可彼此反平行，并且以等于定子横向尺寸的距离在空间上布置。此构造允许安全引导机构引导配重和安装单元以适当补偿任何力。

此外，所述装置可包括适合于安装用于在空间上移动所述装置的机器人的机器人安装基体。换言之，可设置诸如法兰的适配装置，机器人在此处可与所述装置安装。将所述装置安装在机器人上会是有利的，因为机器人可在空间中自由地将所述装置移动到可进行发射试验的目标位置。但是，当安装在机器人上的部件趋于振荡或向机器人施加未补偿的力时，这种机器人很容易发生故障。因此，带有机器人安装基体的构造与配重相结合是特别有利的，这能够确保进行不受力的自由加速试验，而与所述装置装配在一起的机器人不受干扰的影响。这样允许试验具有适当的空间分辨率，并允许使用更简单的机器人从而降低成本。

所述装置可以包括用于使用户与装置进行通信的用户界面。所述装置可包括能够使用户与装置双向通信的用户界面。因此，用户可以通过诸如键盘、操纵杆等通过用户界面向所述装置提供控制指令。此外，研究结果可在例如液晶显示器(LCD)单元等的用户界面上向用户显示。

具体地，本发明实施方式可有利地在物理结构与行人或其乘员之间的碰撞——例如在类似于汽车之类车辆与行人或其乘员之间的碰撞——的模拟环境中应用。

本发明示例实施方式的另一应用领域是对物理结构工作完整性的模拟或测试。更一般地，本发明实施方式可应用于任何结构力学材料试验。碰撞测试结果可以根据有限元分析(FE)计算来考虑，有限元分析(FE)计算可传递补充信息。

上文限定的方面以及本发明的其他方面通过下文描述的实施方式示例会很明显，并通过参照实施方式的这些示例进行解释。

附图说明

在下文中通过参照不限制本发明的实施方式的示例来详细描述本发明。

图1图示了根据本发明示例实施方式的研究身体部位碰撞部与汽车之间碰撞的装置。

图2示出了在根据本发明示例实施方式的研究测试本体与物理结构之间碰撞的装置工作过程中安装单元和测试本体的速度曲线图。

图3图示了根据本发明示例实施方式的研究测试本体与物理结构之间碰撞的装置的三维视图。

图4是如图3图示的装置的细节图。

图5示出了碰撞测试的不同测试本体相对于物理结构的相对方向和运动。

图6示出了车辆与碰撞试验假人之间的碰撞。

图7和图8示出了根据本发明示例实施方式的研究测试本体与物理结构之间碰撞的装置的两幅三维视图。

图9至图12示出了碰撞实验4个阶段过程中的如图7和图8示出的装置。

具体实施方式

图中的图示为示意性的。

下文将参照图1描述根据本发明示例实施方式的用于模拟测试本体102与物理结构104之间碰撞的装置100。

测试本体102模拟人身体的一部分，而物理结构104则是应进行测试并在已限定的安全特性符合特定标准时可能获得批准的车辆。

所述装置100包括用于安装测试本体102的安装单元106。具体地，测试本体102的凸部108形状和尺寸设置为适合安装单元102的凹部110。

设置有线性马达112并且线性马达112直接电耦联于安装单元106从而以机械方式驱动安装单元106及安装于安装单元106上的测试本体102。

设置有控制单元114(其可以是中央处理单元、CPU或微处理器)，并且控制单元114适合于根据所需运动模式控制线性电动马达112来加速安装于安装单元106上的测试本体102并且适合于控制测试本体102在预定空间位置从安装单元106释放从而向物理结构104移动加速后的测试本体102进行碰撞。

图1以实线示出了工作模式中的测试本体102，其中所述测试本体102紧固并组装于安装单元106。图1以虚线示出了从安装单元106释放后的测试本体102。这可以通过在安装单元106有意地与空间固定块118碰撞的位置突然止动安装单元106(见表示运动方向的箭头116)来发起。在此时间点上，安装单元106突然止动，而测试本体102受惯性的影响继续向车辆104运动(见箭头120)。

测试本体102可以是模拟成人或儿童头部的测试本体、模拟人髋部的测试本体、模拟人腿部的测试本体或任何其他测试本体。

安装单元106适合于以可替换的方式或以可拆卸方式安装不同的测试本体102。

控制单元114适合于控制线性驱动马达112以根据如图2所示的预定梯形速度曲线图使测试本体加速102，所述速度曲线图将在下文详细描述。

安装单元106被块118止动后，测试本体102向物理结构104发射以执行限定了速度、碰撞位置和碰撞角度的碰撞。

安装单元106安装在支座122上(所述支座122由于保持空间固定因此也可表示为定子)，所述支座122包括导轨124，安装单元106可沿所述导轨124以预定轨迹运动。这可以从沿图1中示出的线B-B′所取的横截面视图150中看出。

设置有适合于执行对安装于安装单元106上的测试本体102进行测距法测量的测量单元126，所述测量单元126用于测量表示安装于安装单元106上的测试本体102的运动的数据并用于向控制单元114提供测量数据作为控制线性驱动马达122的基础。

此外，设置有摄像机128(例如摄影机、CCD摄像机、CMOS摄像机等)来测量或采集表示飞行的测试本体102与车辆104之间碰撞的数据。相应的数据能够被提供给控制单元114进行计算。控制单元114也能具有估算碰撞数据从而计算输出数据的能力。

设置有用户界面130，用户界面130与控制单元114进行双向(或单向)通信，而且允许用户限定用于驱动所述装置100以及用于接收表示装置100研究结果的数据的控制指令。

应当理解，在图7所示实施方式中提到的所有方面(具体是与配重及其工作、测试本体的磁性附连件、在机器人上的安装件、电驱动单元的构造相关的所有方面)也可以在图1所示实施方式中实施。

本发明者的一些基本认知——本发明的示例实施方式已基于此被开发出来——将在下文解释。

根据本发明的一种示例实施方式，可以设置有执行车辆部件测试的装置。

欧盟委员会已发布了行人安全规章。这一规章以通过对车辆前部区域的构造进行修改而减少行人在交通中的伤亡人数为目标。根据法律规定，新车型只有在成功进行数次行人保护测试后才会被批准。这可能具体包括关于大腿与车辆碰撞或髋部区域与车辆前边缘碰撞的测试。

美国国家公路交通安全管理局发布了联邦机动车辆安全标准(FMVSS)和条例，其中要求机动车辆及装备产品的制造商必须遵守并证明其符合规定。这些联邦安全标准是根据机动车辆或机动车辆装备产品的最低安全性能要求而撰写的规定。这些要求以此方式明确说明：“防止公众受到因为机动车辆的设计、构造或性能而发生碰撞的不合理风险，还防止受到在碰撞发生时不合理的伤亡风险。”乘员保护是诸如FMVSS 201(内部碰撞部)及之后标准的一部分。用于乘员保护的欧洲标准和其他国家条例有EG 74/60、ECE R21、JIS(日本)。

根据本发明的一种示例实施方式，提供了一种用于执行为行人保护和乘员保护而进行的碰撞测试——具体是用于模拟行人或乘员与车辆结构的碰撞——的装置。为进行这种试验，特定的测试本体可能被发射到车辆部件上。这可能具有的目标是：将测试本体以足够精确的速度及空间精度发射至这些部件上，以便获得可比较的且有意义的允许判断被测试车辆是否符合特定要求的数据。

与其中测试本体使用气动或液压缸加速从而在测试本体加速过程中调节测试速度的常规设备相反，本发明的示例实施方式使用线性马达，所述线性马达使测试本体以受控制或受调节的方式沿一定长度加速至相应的测试速度。在加速阶段，速度的增长可以由长度测量系统持续地监测。所述长度测量系统的信号可以由软件检测并可以进行估算。所述软件可以通过伺服调节装置为线性电动马达提供相应的电力。通过采取这一措施，能够根据可定义的梯形运动曲线图对测试本体进行加速，所述曲线图可以适合于不同的测试。

图2示出了具有时间轴横坐标202的图200。纵坐标204为速度轴。梯形速度曲线图示出为曲线206。时间轴202与根据本发明示例实施方式的装置的不同工作状态相关联，其中安装单元106示出为连接于测试本体102，在曲线206的稳定水平阶段所述测试本体102在安装单元106沿导轨124滑动时从安装单元106释放。

一个或更多个(电)驱动单元可以安装在运载器上，所述运载器又可以在一定距离内由支柱或棒杆与碰撞运载器连接。

图3示出根据本发明示例实施方式的装置300，示出导轨302、前连接构件304、侧盖或能源链导轨306、小腿碰撞部308、碰撞部运载器310和驱动单元312。

发射装置300每侧设置有精确导轨302。对于各种测试本体308，如有需要发射单元300可以通过用另一安装单元替换碰撞运载器310而快速、方便地重新组装。

图4更详细地示出了装置300。

图4示出了碰撞部运载器310，而小腿碰撞部308或任何其他测试本体安装在所述碰撞部运载器310上。碰撞部夹具用参考数字402表示。此外，还示出了用于传感器线缆的插塞式连接器404以及用于负载电流线缆的插塞式连接器406。示出了线性导轨车408以及无铁芯电动线性马达410。

应当理解，图7示出的实施方式中提到的所有方面(具体是与配重及其工作、测试本体的磁性附连件、在机器人上的安装件、电驱动单元的构造相关的所有方面)也可以在图3和图4所示的实施方式中实施。

图5示出了将车辆104的几何体与不同测试本体——即成人头部测试本体502、儿童头部测试本体504、髋部测试本体506及腿部测试本体508——相关联的测试场景500。用根据本发明示例实施方式的装置100或300，测试本体502、504、506、508可以分别以受控的速度、碰撞角度和/或与车辆104的空间关系引导，以在精确控制的条件下触发碰撞。

如图6示出的这些测试可以模拟车辆104与碰撞测试假人或人600之间的碰撞。

下文将提及一些可以用根据本发明示例实施方式的装置实现的优势。

优势之一在于此装置能够调整受调节速度，而电驱动器以+/-0.05km/h的精度或更高精度用所述受调节速度加速安装单元。在行人和乘员保护领域，可能需要具有至少五种不同的测试本体以几十种不同的重量和角度进行测试。这可能需要为每个测试确定所需的速度曲线图，这时装置便会自动调节。与此相反，在常规装置中，必须对由压力生成限定的所需速度的复杂测定进行限定，这相当费时。

此外，根据本发明示例实施方式，可以不需要测试矩阵测定和标定测试。常规测试装置以气动或液压的方式工作。因此所需的测试速度必须在测试矩阵和标定测试的基础上测定。此测试矩阵可以是基于测试构造的表格，描述所需速度、测试本体、测试质量和测试角度之间的相关性。对于特定测试序列要求有5个测试本体各自代表人体一部分(3个头部、1个髋部、1个腿部)。所述三个头部可以具有不同的质量和/或尺寸，并可以以不同的测试角度(例如在50°至65°之间的范围内)加速到35km/h或40km/h。髋部碰撞部的速度、质量和测试角度可以从要进行测试的车辆的构造得到。因此，装置前部可以根据测试程序而测量，而测试数据由此计算。

测试质量可以在介于9kg至14kg之间的范围内，而速度可以在16km/h至40km/h之间的范围内，其中，测试角度可以在20°～60°之间变化。腿部结构可以以不同角度(例如0°～6°)向待检车辆前部以40km/h的速度发射。此外，可能必须考虑测试空间温度和测试空间湿度。根据法律规定，应在18℃至26℃的温度范围和10％至70％的湿度范围内进行测试。不同的温度和湿度值可以常规地由压力容器的不同填充性质及相应的不同测试速度产生。因此，这两个部件还必须在所述测试矩阵内常规系统中执行。这可能会导致多个不同的测试格局(constellation)，这些必须在加速装置工作和维修后进行。这可能需要进行400至700次测试。

标定试验可以是要求用来测试相应发射装置的测试。在此情况下，一个或多个碰撞架或支座上的测试必须进行，以测试所述矩阵并且如有必要则对其加以纠正。这也能确保获得在可接受公差范围内的所需速度。

应防止错误的测试(超出可接受速度范围的测试、公差区域外的碰撞)，因为这些测试由于准备车辆和测试本体所需要的大量工作而花费巨大。此外，由于在行人和乘员保护开发领域中实施了有限元模拟，所以提供与测试参数非常好的一致性已变得更为重要。这还包括必须考虑速度公差。

此外，本发明示例实施方式允许进行更精确的测试，并取得更精确的结果。虽然气动和液压装置的发展或多或少没有改变，但是机动车开发中的有限元模拟则已变得如此重要以至于进行许多测试仅仅是为了确认模拟结果。为此，需要具备非常精确的测试条件以产生与有限元数据具有适当可比性的结果。在受调节的速度下，只要测试本体处于加速过程中，则传感器以一定频率检验速度是否正确。在常规装置中，可以产生达到由测试矩阵确定的值的压力，而测试本体可从发射装置上发射出来。在发射时间点处，不再可能进行调节管理。用户必须依赖于速度已经正确的事实。

此外，本发明示例实施方式没有示出对室温有很强的相关性，而这对常规装置却是个问题，举例来说，在常规装置中密封和工作流体必须调整至相应的速度。

常规测试系统对测试环境中的温度和湿度非常敏感。然而，根据本发明示例实施方式，由于速度使用电驱动单元进行实时调节，所以此温度相关性被有效地抑制。

此外，能够以更快的方式进行这些测试。电驱动器会在这方面尤为有利，因为当测试本体运载器在测试结束后立即驱动返回到初始位置时，不需要在常规方法中须手动进行的耗时的活塞驱动返回步骤。这种对手动返回运送的常规需要也是危险和伤害的来源，因为用户必须直接位于所述装置的发射区域内。

此外，电驱动器提供了每次以几毫米或更高精度定位发射装置的机会，例如以便以高精度在进行检测的装置处拍摄测试本体或探测目标(测试本体碰撞点)。

此外，消除了常规液压或气动缸所需要的用于产生压力的等待时间。这能使每次测试节省达15分钟或更久。这能使整个测试时间相应减少15％或更多。

此外，能够在很短的时间内以很小的工作量进行重新组装。频繁用于行人和乘员保护测试的五个测试本体可使用不同的发射单元(或安装单元)安装从而在所述装置上组装及从所述装置上拆卸。在此常规情况下，发射装置不能由一个人单独安装，而重新组装消耗的时间可能在1小时至8小时之间的数量级。与此相反，本发明的实施方式以此方式设计：只有一套发射装置，并且只为测试本体备有3个运载器，测试本体可以以轻松的方式互换，因为所述测试本体仅须由数个(例如8个)螺钉或任何其他紧固元件来紧固。重组的时间可能是15分钟或更少。

除此之外，能获得对于操作根据发明示例实施方式的装置的高度安全性。气动和液压装置与具有2bar至11bar之间的工作压力的不同压力容器一同工作。压力容器是危险源，因此在测试期间和之后的安全规定必须严格。根据本发明的示例实施方式，此风险不会发生。

此外，本发明示例实施方式可以以轻松的方式实施。气动和液压装置的操作则要求有很高工作技能的用户。根据本发明示例实施方式，不再需要管理或操作这类装置的这种大量知识。所述装置的控制可以通过菜单(由图片、视频和/或错误分析支持)进行。此外，测试数据的全自动采集和计算可集成在装置中。

此外，维护工作量会非常小。由于低摩擦或无摩擦传动，可以消除更换气缸活塞和密封圈时的大量工作。

由于根据本发明示例实施方式所述的装置可立即工作并提供可靠的测试结果，所以高性能可与在一系列测试中不同测试之间的很短等待时间相结合。所述装置的测试和重新组装等操作可由单人进行。因此，操作装置所需的技能和人力相对较低。此外，可避免诸如氮气或液压油的昂贵工作介质。

图7示出了根据另一示例实施方式的研究在测试本体——当前示例中为模拟人头部的测试本体102——与物理结构(未示出)之间碰撞的装置700。

另外，在本实施方式中，安装单元106和测试本体102仅由多个线性马达——例如在已述实施方式中为4个线性马达——实现的电驱动单元驱动。参考数字702示出了线性马达的次级部分。所述4个电动线性马达以同步的方式彼此平行工作。出于这个原因，控制单元(图7中未示出)基于软件程序控制4个线性马达从而使它们的工作在时间上同步。换言之，4个线性马达操作成在时间上平行切换。4个线性马达彼此串联。提供4个线性马达是因为在如图7和图8中所示的实施方式中气动或液压加速系统完全省略时对于重型物体的加速例如仅使用一个或两个线性马达可能不够。因此，本发明所述实施方式克服了在相关技术领域中普通技术人员认为不可能仅基于线性马达而不使用液压或气动加速系统操作此发射装置而仍获得所需速度和力的偏见。然而，如图7示出的多重平行线性马达的构造以非常紧凑的方式解决了现有技术中这个长期持久的问题。例如，能以约700mm或更短的长度(在116方向)制造如图7所示的装置，而在垂直于116方向的方向上的尺寸为例如200mmx200mm或更小。

如图12中最好地示出的，测试本体102包括由磁性材料制成的凸部或销1202，凸部或销1202的形状和尺寸设置为对应于安装单元106中的凹部(比较参考数字1204)，从而使此凹部可以接合凸部1202以便将测试本体102保持在安装单元106上。

此外，虽然未在图7和图8中示出，但是安装单元106已结合了用于产生包围用来容纳凸部1202的凹部的磁场的电磁铁，从而使测试本体102不仅可以通过凸部1202与凹部之间的形状闭合还可以通过电磁引力而紧固于安装单元106。控制单元(图7未示出)可以适合于激活电磁铁以产生电磁场从而在加速安装于安装单元106的测试本体102之前在凹部中产生电磁引力。控制单元可以进一步适合于在测试本体102将由安装单元106加速时停用电磁铁从而关掉吸引电磁场。可选地，也可以在加速阶段保持电磁力，并且就在测试本体102从安装单元106释放时关掉电磁场。

如图7示出的，安装单元106通过导轨302安装在装置700的支座704上。在支座704的相对侧表面上，如图8更好地示出的，安装有配重706，配重706配置为在沿着与安装单元106和安装在安装单元106上的测试本体102的运动方向116相反的运动方向708以机械方式驱动安装单元106和安装于安装单元106上的测试本体102时能够被机械地驱动。

配重706的质量被调整为测试本体102的质量(与安装单元106相结合)，由此能至少部分地平衡或均衡在沿116方向使测试本体加速102时作用在支座704上的力。因此，通过配重706可以获得近乎于不受力(force-free)的加速。

还设置有绳缆牵拉机构710，其包括绳缆转向构件712以及牵引绳索714。绳索或绳缆714将配重706与安装单元106相连接从而将作用在安装单元106及安装于安装单元106的测试本体102上的力向量转向为作用在配重706上的逆向力向量。因此，没有必要为驱动配重706设置单独的驱动单元，从而使配重706也间接地由电动线性马达驱动。

正如图8最好地示出的，设置另一导轨802从而沿方向708引导配重706。

此外，机器人安装基体716设置为法兰，机器人(图中未示出)将安装在此处。非常简单的机器人能根据示例实施方式安装，由于配重706的设置允许装置700不受力地工作，所以在加速实验过程中不会有干扰力作用在机器人上。

在配重706处设置有阻尼器或减震器804从而在配重706抵靠装置700的前构件806时吸收机械力。

测试本体102从安装单元106释放后，测试本体102自由飞行约40mm后与碰撞本体(未示出)相互作用。

虽然如图7和图8所示的实施方式构造成用于在车辆乘员舱中的头部碰撞实验，但是类似的构造对于例如如图1所示的实施方式也是可以的。

仍参照图7和图8所示的实施方式，由于配重706在加速阶段的运动，线性马达的使用允许无后坐力加速。因此，能将装置700与诸如6轴机器人之类的对振动敏感的机器人结合使用，从而允许装置700准确而简单地定位而没有使机器人的工作变差的危险。

为了满足被动车辆安全方面的法律要求(见美国规章FMVSS201、欧洲规章ECE R21等)，碰撞实验必须在车辆乘员室内进行以保护乘员避免头部与车辆内部件碰撞引起的伤害。本发明的实施方式具体是图7和图8所示的实施方式可用于这一目的。

参照图9至图12，将描述如图7所示的装置700的完整加速度顺序。

图900、1000、1100和1200图示了在实验过程中时间(横坐标)与速度(纵坐标)之间的关系。

图9示出了加速前的场景。图10示出了在加速过程中的场景，其中测试本体102受到定常加速度。图11示出了保持匀速的场景，而图12示出了测试本体102从安装单元106释放的减速过程中的场景。

如图12示出的，测试本体102的销1202位于安装单元106的凹部中心，在图12中所述凹部由参考数字1204示意性地表示。例如具有可由电流供电的线圈形式的电磁铁可以构造成包围所述凹部。

应当理解，术语“包括”不排除其他元件或特征，而“一个”或“一种”并不排除多个。与不同实施方式相关联进行描述的元件可以组合。

还应当理解，权利要求中的参考符号不应解释为对权利要求范围的限制。

Claims (16)

1.一种研究测试本体与物理结构之间碰撞的装置，其中，所述装置包括：

安装单元，所述安装单元用于安装所述测试本体；

电驱动单元，所述电驱动单元适合于以机械方式驱动所述安装单元及安装于所述安装单元上的所述测试本体，其中所述电驱动单元包括电动线性马达；

控制单元，所述控制单元适合于控制所述电驱动单元以使安装于所述安装单元上的所述测试本体加速，并适合于控制所述测试本体从所述安装单元的释放从而将加速后的所述测试本体引导向所述物理结构而进行碰撞；

其中所述装置适合于使所述安装单元和安装于所述安装单元上的所述测试本体仅由所述电动线性马达直接地以机械方式驱动。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述电驱动单元包括以同步的方式彼此平行工作的多个电动线性马达。

3.如权利要求2所述的装置，其中，所述电驱动单元包括以同步的方式彼此平行工作的至少3个电动线性马达。

4.如权利要求2所述的装置，其中，所述电驱动单元包括以同步的方式彼此平行工作的至少4个电动线性马达。

5.如权利要求1所述的装置，其中，所述控制单元适合于控制所述电驱动单元将加速后的所述测试本体向所述物理结构发射以进行碰撞。

6.如权利要求1所述的装置，包括定子，所述安装单元在所述定子上沿预定轨迹运动。

7.如权利要求6所述的装置，其中，所述定子包括导轨，所述安装单元在所述导轨上沿所述预定轨迹运动。

8.如权利要求1所述的装置，包括测量单元，所述测量单元适合于测量表示安装于所述安装单元上的所述测试本体的运动的数据，并适合于将测量数据提供给所述控制单元作为控制所述电驱动单元的基础。

9.如权利要求8所述的装置，其中，所述测量单元适合于执行安装于所述安装单元上的所述测试本体的测距法测量。

10.如权利要求1所述的装置，其中，所述安装单元包括凹部，所述凹部用于容纳所述测试本体的凸部，从而将所述测试本体安装于所述安装单元上。

11.如权利要求6所述的装置，其中，包括配重，所述配重构造成在以机械方式驱动所述安装单元及安装于所述安装单元上的所述测试本体时机械地运动，其中所述配重沿着相对于所述安装单元和安装于所述安装单元上的所述测试本体的运动方向反向定位的运动方向运动。

12.如权利要求11所述的装置，其中，所述配重的质量等于安装于所述安装单元上的所述测试本体的质量。

13.如权利要求11或12所述的装置，其中，包括力转换器，所述力转换器将所述配重与所述安装单元和安装于所述安装单元上的所述测试本体以机械方式耦联，从而使所述力转换器将作用在所述安装单元和安装在所述安装单元上的所述测试本体上的力转换为作用在所述配重上的转换力。

14.如权利要求13所述的装置，其中，所述力转换器包括绳缆牵拉机构，所述绳缆牵拉机构具有绳缆，所述绳缆将所述配重连接于所述安装单元以将作用在所述安装单元和安装于所述安装单元上的所述测试本体的力向量转向为作用在所述配重上的逆向力向量。

15.如权利要求11、12、14中任一项所述的装置，其中，所述定子还包括另一导轨，所述配重在所述另一导轨上沿预定的另一轨迹运动。

16.一种研究测试本体与物理结构之间碰撞的方法，其中所述方法包括：

仅由电驱动单元以机械方式直接驱动安装单元及安装于所述安装单元上的测试本体，所述电驱动单元包括电动线性马达；

控制所述电驱动单元以使安装于所述安装单元上的所述测试本体加速，并从所述安装单元释放所述测试本体从而向所述物理结构引导加速后的所述测试本体以进行碰撞。

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