CN102456280A - 使用人类生物逼真模型和座椅压力分布传感器阵列的车辆动态乘坐模拟系统 - Google Patents

使用人类生物逼真模型和座椅压力分布传感器阵列的车辆动态乘坐模拟系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及使用人类生物逼真模型和座椅压力分布传感器阵列的车辆动态乘坐模拟系统。产生动态就座主体的压力分布数据的系统包括座椅和适合于对座椅施加刺激的刺激施加机构。人类生物逼真模型被设置在座椅上。座椅压力分布传感器阵列能对人类生物逼真模型作出响应以便当刺激施加机构对座椅施加刺激时，产生动态就座主体的压力分布数据。

Description

使用人类生物逼真模型和座椅压力分布传感器阵列的车辆动态乘坐模拟系统
发明背景
本发明大体上涉及用于精确模拟车辆内的就座环境和用于响应于车辆的模拟运行来测量座椅压力数据的测试装置。特别是，本发明涉及车辆动态乘坐模拟系统，其包括人类生物逼真模型(human biofidelic manikin)和在一段时间和多种运行条件下收集和显示动态压力分布数据的座椅压力分布传感器阵列两者。
实际上，所有的车辆都包括至少一个在车辆运行期间车辆的乘员可以坐在上面的座椅。这样的座椅是乘员和车辆之间的主要界面。因此，座椅不但要以安全和可靠的方式发挥作用而且它还要对其上的乘员提供最大的舒适度是非常重要的。正因为如此，座椅生产商投入大量资源来设计车辆内部使用的舒适的座椅。
为了简化设计过程，收集关于车辆运行期间座椅运行的精确数据是重要的。在一个已知的数据收集方法中，人类测试主体坐在被设置在好像在路面上运行的实际车辆内部的座椅上。在类似的已知的数据收集方法中，人类测试主体坐在被设置在测试装置内部的座椅上，测试装置受到模拟在路上的车辆运行的多种力学刺激。在这两种已知的数据收集方法中，设置了测量响应于车辆的运行(不论实际是在路上还是模拟的)而施加在整个座椅上的压力总量的单独的压力传感器。尽管这些总压力检测系统能对座椅设计者提供一些有用的信息，但它们缺乏提供关于座椅的单个区域将如何在高动态条件下发挥作用的足够详细的信息的能力。
测量在座椅上的人类测试主体的静态就座压力分布特征也是已知的。这样的静态就座压力分布特征实质上是由人类测试主体在单一的时间点上施加在座椅上限定的多个单个区域中的每一个上的压力数量的二维表示。使用包含多个布置在二维阵列中的单独的压力传感器的相对平坦的垫 子来完成对该静态就座主体的压力分布特征的测量。在垫子内部的单独的压力传感器中的每一个代表座椅上的单个研究区域(individual area of interest)。首先，垫子被放在座椅的表面上便于所需要进行的测量。然后，人类测试主体以静止方式坐在垫子上。垫子的单独的压力传感器产生多个用于产生静态就座主体的压力分布特征的单独的压力信号。尽管该静态就座主体的压力分布能提供快速而经济的检查以确定是否相对于解剖学标志存在过多的静态压力点，但已经发现在静态条件下座椅可以具有舒适的压力水平，但在诸如当车辆在相对不平的路面上运行时的高动态条件下，仍不合期望地允许乘员的某些部分撞击“硬”表面(如座椅的基本框架)。
车辆座椅中采用新的、较薄的泡沫技术已经被担心当车辆运行在相对不平的路面时座椅的乘员的一部分可能意外地“达到底部”基本的框架上所限制。常规的诸如上面描述的那些的数据收集方法，已经证明不足以提供解决这种担心所需要的动态就座主体的压力分布数据。因此，提供车辆的动态乘坐模拟系统是所期望的，车辆动态乘坐模拟系统包括人类生物逼真模型和用于在一段时间和多种运行条件下收集压力分布数据的压力分布传感器阵列。
发明概述
本发明涉及模拟车辆内部的动态乘坐环境的系统，该系统包括人类生物逼真模型和座椅压力分布传感器阵列两者，人类生物逼真模型可以将类似人的压力分布施加到座椅上，并且以类似人的方式对由测试装置产生的动态运行刺激作出反应，座椅压力分布传感器阵列可以在那些动态运行刺激和多种运行条件期间检测和测量该人类生物逼真模型在座椅上的动态就座压力分布特征。
当参照附图阅读时，根据下面的优选实施方式的详细描述，本发明的多个方面对于本领域的技术人员来说将变得明显。
附图的简要描述
图1是人类生物逼真模型的侧面视图，其构成根据本发明的模拟车辆内部的动态乘坐环境的系统的第一部分。
图2是具有设置在其上的压力分布传感器阵列的座椅的透视图，其构成根据本发明的模拟车辆内部的动态乘坐环境的系统的第二部分。
图3是图1中图示的被放置在图2中图示的部分座椅压力分布传感器阵列上的部分人类生物逼真模型的放大透视图。
图4是可以由根据本发明模拟车辆内部的动态乘坐环境的系统所进行的压力分布测量的第一个例子的图解图示。
图5是可以由根据本发明模拟车辆内部的动态乘坐环境的系统所进行的压力分布测量的第二个例子的图解图示。
图6是图示由图2中图示的座椅压力分布传感器阵列中的单独的压力传感器中的单独一个所检测的压力的量之间的示例性关系的图。
优选实施方式的详细描述
现在参考附图，在图1中图示有大致在10处被指示的人类生物逼真模型，其构成根据本发明模拟车辆内部的动态乘坐环境的系统的第一部分。如果需要，人类生物逼真传声模型10可以与在美国公布的专利申请第2004/0101815号(为本发明的受让人所有)中所描述和图示的相同，并且该已公布的专利申请的公开内容通过引用并入本文。然而，如下面将明显看到的，本发明的人类生物逼真模型10不必包括该已公布的专利申请中详细描述的任何具体结构。相反，对于本发明的人类生物逼真模型10所有所需要的是其相关部分(即，与模拟车辆内部的动态乘坐环境的系统的其他部分相接合或以其他方式配合的部分)精确地代表人类。典型地，人类生物逼真模型10的那些相关部分将在尺寸、形状、重量以及对力学刺激的响应方面精确代表人类。
如在上面参考的已公布的专利申请中所详细描述的，图示的人类生物逼真模型10可以包括用于现场双声道测试的大致在12处指示的双声道检测系统。然而，双声道检测系统12可以视需要省去。图示的人类生物逼 真模型10包括生物逼真头部14，但是本发明的目的不要求有它。大致在16处指示的生物逼真躯干被连接到头部14。躯干16具有大致在18处指示的骨骼框架结构，该骨骼框架结构具有实质上与人类的骨骼框架结构一致的密度、质量、几何形状和灵活性。生物逼真皮肤20覆盖躯干16。皮肤20具有实质上与人类的皮肤在解剖学上相符合的表面几何形状、密度和灵活性。头部14、躯干16和皮肤20可以由塑料、金属或其他所需要的材料形成。
骨骼结构18包括颅骨22、连接到颅骨22的一组颈椎24和连接到颈椎24的胸廓26。胸廓26包括一组胸椎28、胸骨30以及使胸椎28和胸骨30相互连接的一组肋骨32。骨骼结构18还包括胸带34和用于连接胸廓26的相对面上的各个肱骨38(只图示了一个)的一对球窝关节36(只图示了一个)。胸带34包括连接在胸廓26的相对面处的一对肩胛骨40(只图示了一个)和连接到它们各自的肩胛骨40的一对锁骨42(只图示了一个)。大致在44处指示的一对前臂(只图示了一个)连接到它们各自的肱骨38。每一个前臂44包括铰链地连接于其各自的肱骨38的桡骨46和尺骨48。
大致在50处指示的一组腰椎使胸廓26和大致在52处指示的骨盆带相互连接。骨盆带52包括一组骶椎(sacrum vertebrae)54和一对髂骨56(只图示了一个)。尾骨58连接到骶椎54。一对球窝关节60(只图示了一个)将相应的大腿骨62(只示出一个)连接到它们各自的髂骨56。大腿骨62构成大致在64处指示的各条腿(在图1中只图示了一个)的上部部分。每一条腿64还包括胫骨66(只图示了一个)和腓骨68(只图示了一个)。每一个胫骨66铰链地连接于其各自的大腿骨62。
与在人类身体中一样，图示的人类生物逼真模型10包括多个关节70，其中一些已在上文被描述。人类生物逼真模型10的关节70具有与人类身体实质上相符合的响应特性，包括合适的质量和刚度。连同上面讨论的其他结构体构件的图示关节70提供遍及人类生物逼真模型10的合适的刚度分布。关节70可以具有各种式样、形状、类型和尺寸。这些关节70可以包括肘关节、膝关节、腕关节、指关节、踝关节及其他关节。关节70还 可以是一系列或一组关节的一部分，诸如颈部或脊柱内的椎骨。人类生物逼真模型10内的任何其中一部分可以关于相邻部分移动的部位可以被看作关节。关节70的质量和刚度可以通过调整密度、质量、材料的类型、化学组成、尺寸、形状或其他在本领域中已知的关节参数而改变。
人类生物逼真模型10的可以是弹性塑料的形式的皮肤20，优选具有与处于适度收缩状态的大量肌肉组织相同的力学性能。力学性能包括刚度、惯性和阻尼。例如，皮肤20可以具有大约在6kPa到140kPa范围内的有效刚度。这一刚度范围对于为动态振动数据的收集产生实质上正确的响应不是决定性的。因此，只要还可以调整质量来弥补变化，刚度就可以在这一范围外改变。这么做，可以获得实质上正确的响应，但人类生物逼真模型10的静态性能和冲击性能可能被降低。
图2是座椅的透视图，大致在100处指示，其包括具有外表面102a的座椅底部102和具有外表面104a的座椅背部104。尽管将连同座椅底部102和座椅背部104这两者来描述和图示本发明，但应理解，本发明可以根据需要只连同座椅底部102、只连同座椅背部104或连同座椅底部102和座椅背部104两者来实践。图示的座椅背部104以常规方式连接到座椅底部102以便相对座椅底部102旋转运动，但是这不是必须的。图示的座椅100旨在提供车辆的乘员可以坐在其上的任意类型的座椅。因此，本发明不限于图示的座椅100的具体形状和结构。
优选的是座椅100作为测试装置的部件，测试装置此外还可以包括用于对座椅底部102和座椅背部104中的任何一个或两者施加一个或多个刺激的刺激施加机构106。刺激施加机构106可以实施为可以对座椅底部102和座椅背部104中的任何一个或两者施加诸如力学冲击、振动或其他运动的刺激的任何所需要的结构。例如，刺激施加机构106可以实施为具有能将所需要的刺激施加到座椅100的机械的、液压的或气动的致动器的常规六轴振动台。可选择地，座椅100可以被设置为能在路面上运行的实际车辆的部件。
图2还图示了大致在110处指示、被安装在座椅100上的压力分布传感器阵列，其构成根据本发明的模拟车辆内部的动态乘坐环境的系统的第 二部分。图示的压力分布传感器阵列110包括与座椅底部102相关的座椅底部压力分布传感器阵列112。如下面将更加详细解释的，座椅底部压力分布传感器阵列112被设置成在本发明的用于模拟车辆内部的动态乘坐环境的系统的运行期间检测座椅底部102的一部分或全部上的压力分布。在图示的实施方式中，座椅底部压力分布传感器阵列112被支撑在座椅底部102的外表面102a上。然而，应该理解，座椅底部压力分布传感器阵列112可以设置在座椅底部102外部上任何所需要的位置。此外，如果需要，座椅底部压力分布传感器阵列112可以被设置在座椅底部102的内部。
在图示的实施方式中，座椅底部压力分布传感器阵列112被实施为相对平坦的垫子，该相对平坦的垫子为相对柔性的。如图2所示，多个单独的压力传感器112a遍及座椅底部压力分布传感器阵列112间隔开。单独的压力传感器112a的数目和相对位置可以视需要而定。单独的压力传感器112a分别在座椅底部压力分布传感器阵列112内限定多个单独的研究区域。座椅底部压力分布传感器阵列112中的单独的压力传感器112a本身在本领域是常规的并且产生各自的表示施加于其上的压力的量的多个单独的压力信号，如下面将更加详细描述的。然而，座椅底部压力分布传感器阵列112可以实现为能够在本发明的用于模拟车辆内部的动态乘坐环境的系统运行期间检测座椅底部102的一部分或全部上的压力分布的任意所需要的结构。
类似地，图示的压力分布传感器阵列110还包括与座椅背部104相关的座椅背部压力分布传感器阵列114。如下面将更加详细解释的，设置座椅背部压力分布传感器阵列114来在本发明的用于模拟车辆内部的动态乘坐环境的系统运行期间检测座椅背部104的一部分或全部上的压力分布。在图示的实施方式中，座椅背部压力分布传感器阵列114被支撑在座椅背部104的外表面104a上。然而，应该理解，座椅背部压力分布传感器阵列114可以设置在座椅背部104的外部上任意所需要的位置。此外，如果需要，座椅背部压力分布传感器阵列114可以设置在座椅背部104的内部。
在图示的实施方式中，座椅背部压力分布传感器阵列114被实现为相对平坦的垫子，该相对平坦的垫子是相对柔性的。如图2所示，多个单独 的压力传感器114a被遍及座椅背部压力分布传感器阵列114间隔开。单独的压力传感器114a的数目和相对位置可以视需要而定。单独的压力传感器114a分别在座椅背部压力分布传感器阵列114内限定多个单独的研究区域。座椅背部压力分布传感器阵列114中的单独的压力传感器114a本身在本领域是常规的，并且产生各自的表示施加于其上的压力量的多个单独的压力信号，如下面将要更加详细描述的。然而，座椅背部压力分布传感器阵列114可以实现为能够在本发明的用于模拟车辆内部的动态乘车环境的系统运行期间检测座椅背部104的部分或全部上的压力分布的任何所需要的结构。可以作用成座椅底部压力分布传感器阵列112和/或座椅背部压力分布传感器阵列114的一个设备实例是市场上有售的来自马萨诸塞州的南波士顿的Tekscan公司的商标名为
Figure BDA0000100469490000071
的就座/定位压力制图系统。
图3示出了图1中图示的人类生物逼真模型10的一部分被放置在图2图示的压力分布传感器阵列110的一部分上，来提供根据本发明的模拟车辆内部的动态乘坐环境的系统。当位于座椅上时，人类生物逼真模型10的重量自然地将压力分布施加在座椅底部102或座椅背部104(或两者)上。可以通过座椅底部压力分布传感器阵列112和/或座椅背部压力分布传感器阵列114测量静态就座的压力分布特征。然而，如上面所讨论的，这样的静态就座的压力分布特征不能提供关于座椅的单独的区域将如何在高动态条件下发挥作用的足够详细的信息。
图4是当刺激施加机构106不运行或被操作来施加相对小幅度的力学刺激时，系统所做出的第一压力分布测量的示意性图示。如其中所示，图4中图示的第一压力分布测量表示由人类生物逼真模型10响应于相对小幅度的力学刺激而施加到座椅底部102(或者，可选的座椅背部104)上的较小量的力的压力分布测量。如其中所示，被单独的压力传感器112a和114a中的每一个检测到的压力的量是相对小的。
另一方面，图5是当刺激施加机构106运行或被操作来施加相对大幅度的力学刺激时，系统所做出的第二压力分布测量的示意性图示。如其中所示，图5中图示的第二压力分布测量表示由人类生物逼真模型10响应 于相对大幅度的力学刺激而施加到座椅底部102(或者，可选的座椅背部104)上的较大量的力的压力分布测量。如其中所示，被单独的压力传感器112a和114a中的每一个检测到的压力的量是相对大的。
如图4和图5所示，第一压力分布测量和第二压力分布测量中的每一个都可以图示为单独的压力测量区域的二维阵列。在二维阵列内的单独的压力测量区域中的每一个表示分别设置在压力分布传感器阵列112和114内的单独的压力传感器112a和114a中相关一个上的相应区域。因此，单独的压力测量区域中的每一个表示由人类生物逼真模型10在任意给定的时间点施加的压力的大小。这些实际压力测量的大小可以以任何需要的方式表示。例如，这些实际压力测量的大小可以用不同的灰度阴影(如图示的实施方式所示)、不同的颜色或任何其他可区分的方式示出。
本发明的系统测量座椅底部102和/或座椅背部104上的在不同时间点和响应于由刺激施加机构106施加的不同力学刺激的压力分布变化，以及产生根据这些测量的压力分布测量。因此，如上所述，本发明的系统提供动态就座主体的压力分布数据已经被认为在车辆的座椅设计中是非常有用的。通过在一段时间对座椅100施加多种力学刺激，压力分布传感器阵列110可以做出多种动态压力测量以提供所需要的动态就座主体的压力分布数据。应该注意到，图4和图5中图示的压力分布测量本质上仅仅是示例性的，因此，不旨在以任何方式限制本发明的范围。
已知所有的力学物体都具有固有共振频率，当受到周期性的力学刺激时，力学物体往往以此固有共振频率振动。该固有共振频率是力学物体的固有特性，并且基于包括力学物体的组分、尺寸和形状的许多因素。在本发明的上下文中，人类生物逼真模型10和人类生物逼真模型10放置在其上的座椅100的组合系统具有这种固有共振频率。更重要的是，座椅100上的单独的研究区域中的每一个(由单独的压力传感器112a和114a限定的)将具有(此外)基于放置在其上的人类生物逼真模型10的局部部分的具体重量和几何形状的唯一固有共振频率。
图6是由图2中图示的座椅压力分布传感器阵列的单独的压力传感器112a和114a中的单独一个检测到的随施加于座椅上的力学刺激的频率而 变的压力量之间的示例性关系的图表。该图表旨在图示在座椅100上的该单一的单个研究区域中，人类生物逼真模型10响应于施加的某些频率的力学刺激(在图上通过相对长的竖直线指示)比响应于施加的其他频率的力学刺激(在图上通过相对短的竖直线指示)反应更显著。例如，该图表明在座椅100上的该单一的单个研究区域中，人类生物逼真模型10响应于施加的具有大约4.0赫兹频率的力学刺激比它响应于施加的具有大约5.0赫兹频率的力学刺激反应更显著。然而，在座椅100上不同的单个研究区域中，人类生物逼真模型10可能响应于施加的具有大约5.0赫兹频率的力学刺激比它响应于施加的具有大约4.0赫兹频率的力学刺激反应更显著。
组合使用本发明的人类生物逼真模型10和压力分布传感器阵列110产生之前不可得到的压力分布数据。如上所述，在座椅(如图示的座椅底部102)中采用新的、较薄的泡沫技术已经由于担心当车辆在不平的路面上运行时座椅的乘员将可能“达到底部”基本的框架上而被限制。对于座椅100上的每一个单个研究区域(此外，通过单独的压力传感器112a和114a限定)的固有共振频率的确定是重要的，因为每一个单个研究区域不但响应于被施加到人类生物逼真模型10的相关部分的力学刺激的幅度，而且响应于这些力学刺激的频率会作不同反应。因此，本发明的系统提供产生有价值的数据的动态就座的压力分布特征来帮助设计在各种运行条件下都舒适的座椅。
因此，可以看出本发明使得帮助预测座椅设计的完整动态要求的快速的、安全的以及成本有效的路面乘坐模拟成为可能。人类生物逼真模型10(具有与典型的人类相匹配的生物逼真质量、质量分布、形状、骨骼几何学和动力学、机械顺从性及其他标准)提供了实际的人体压力分布痕迹和类似于人类主体的对振动的响应两者。人类生物逼真模型10也使与工程模型相关的可取的重复性成为可能。
本发明的原理和操作模式已经在其优选实施方式中进行解释和图示。然而，必须理解，本发明可以以与具体解释和图示的方式不同的方式来实践，而没有背离其精神或范围。

Claims (17)

1.一种产生动态就座主体的压力分布数据的系统，包括：
座椅；
刺激施加机构，其适合于对所述座椅施加刺激；
人类生物逼真模型，其设置在所述座椅上；以及
座椅压力分布传感器阵列，所述座椅压力分布传感器阵列能对所述人类生物逼真模型作出响应以便当所述刺激施加机构对所述座椅施加刺激时，产生动态就座主体的压力分布数据。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述座椅压力分布传感器阵列被设置在所述座椅的表面上，并且其中所述人类生物逼真模型被设置在所述座椅压力分布传感器阵列上。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述座椅压力分布传感器阵列被设置在所述座椅内，并且其中所述人类生物逼真模型被设置在所述座椅上。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述座椅包括座椅底部和座椅背部，所述人类生物逼真模型被设置在所述座椅底部和所述座椅背部中的一个上，并且所述座椅压力分布传感器阵列能对在所述座椅底部和所述座椅背部中的所述一个上的所述人类生物逼真模型作出响应。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述座椅包括座椅底部和座椅背部，所述人类生物逼真模型被设置在所述座椅底部和所述座椅背部中的两者上，并且所述座椅压力分布传感器阵列能对在所述座椅底部和所述座椅背部中的两者上的所述人类生物逼真模型作出响应。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述座椅压力分布传感器阵列包括多个单独的压力传感器。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述单独的压力传感器被布置在二维阵列中。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述动态就座主体的压力分布数据被表示为单独的压力测量区域的二维阵列。
9.一种产生动态就座主体的压力分布数据的方法，包括下列步骤：
(a)提供座椅；
(b)在所述座椅上设置人类生物逼真模型；
(c)对所述座椅施加刺激；
(d)当刺激施加机构对所述座椅施加刺激时，产生动态就座主体的压力分布数据。
10.如权利要求9所述的方法，其中，通过在所述座椅的表面上设置座椅压力分布传感器阵列来执行步骤(a)，并且其中通过在所述座椅压力分布传感器阵列上设置所述人类生物逼真模型来执行步骤(b)。
11.如权利要求9所述的方法，其中，通过在所述座椅内设置座椅压力分布传感器阵列来执行步骤(a)，并且其中通过在所述座椅上设置所述人类生物逼真模型来执行步骤(b)。
12.如权利要求9所述的方法，其中，通过提供包括座椅底部和座椅背部的座椅来执行步骤(a)，通过在所述座椅底部和所述座椅背部中的一个上设置所述人类生物逼真模型来执行步骤(b)，并且通过当所述刺激施加机构对所述座椅底部和所述座椅背部中的所述一个施加刺激时产生动态就座主体的压力分布数据来执行步骤(d)。
13.如权利要求9所述的方法，其中，通过提供包括座椅底部和座椅背部的座椅来执行步骤(a)，通过在所述座椅底部和所述座椅背部中的两者上设置所述人类生物逼真模型来执行步骤(b)，并且通过当所述刺激施加机构对所述座椅底部和所述座椅背部中的两者施加刺激时产生动态就座主体的压力分布数据来执行步骤(d)。
14.如权利要求9所述的方法，其中，通过提供包括多个单独的压力传感器的座椅压力分布传感器阵列来执行步骤(a)。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述单独的压力传感器被布置在二维阵列中。
16.如权利要求9所述的方法，其中，通过将所述动态就座主体的压力分布数据表示为单独的压力测量区域的二维阵列来执行步骤(d)。
17.如权利要求9所述的方法，其中，通过响应于不同频率的刺激而产生所述动态就座主体的压力分布数据来执行步骤(d)。
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