CN109900429B - 一种安全带试验用假人重心测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种安全带试验用假人重心测量装置及测量方法，其中，椅面(1.1)与水平呈一定夹角，靠背(1.2)与椅面垂直；被测假人臀部放在椅面(1.1)上，背靠贴合靠背(1.2)；椅踏板设在椅腿下方，被测假人(7)的脚搭载在椅踏板上；座椅(1)重心位于GB14166‑2013标准所要求的假人理论重心位置；座椅(1)通过两套轴承组件(2)与支架(3)相连，座椅(1)能绕轴承组件(2)的轴线在一定范围内旋转；两套轴承座组(2.1)的轴线共线且穿过座椅(1)重心；脚撑(6)设在支架(3)下方四个角位置，每个脚撑(6)各连一个力传感器(5)。本发明结构简单，且能在测量实验中减少变量，得出的结果更具说服力。

Description

一种安全带试验用假人重心测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及汽车安全检测领域，尤其涉及一种安全带试验用假人重心测量装置及测量方法。

背景技术

在汽车安全检测领域，安全带试验用假人是最常用的假人之一，其中最为常见的是TNO-10假人，主要用于汽车碰撞模拟实验中安全带动态测试及其研发试验，其物理质量与外形尺寸是按照50％的人体分布设计的。该假人在碰撞试验中为适用配重，设计中去除了前臂，并仅有一只小腿。

标准GB14166-2013附录D中对安全带试验用假人坐姿时重心的空间位置做出了规定，并且，在标准的不断修改完善过程中，假人重心的高度也有一系列变化，重心高从77版、82版的464±4mm变为464±10mm，到2000年变为454±10mm，一直沿用到现在。这些数据的变化对我们假人的生产制造就会产生一定的影响。

在安全带动态测试试验中，通过调整假人配重的位置，改变假人重心进行安全带动态测试时，试验数据会有明显差异。假人重心位置的改变，会对安全带动态测试所得到的胸部位移和臀部位移产生影响，从而影响安全带的测试结论，由此说明，假人重心的位置对安全带性能的判定是有较大影响的。

GB14166-2013标准中虽然对安全带试验用假人的重心做出了要求，试验中也发现假人重心对安全带测试结果有影响，但目前国内还没有合适的方法和装置对假人重心进行测量，评判其是否在GB14166-2013标准要求的范围内。因此，迫切需要一种安全带试验用假人重心的测量技术。

发明内容

针对目前匮乏安全带试验用假人重心测量技术的技术缺陷，本发明提供一种安全带试验用假人重心测量装置及测量方法，利用本发明可以检测出假人重心的空间位置，评判其是否满足GB14166-2013标准要求，同时用于指导假人的生产；并且，利用该测量装置和方法测出的数据可以为安全带测试及其研究试验提供参考。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

本发明提供一种安全带试验用假人重心测量装置，其包括：

座椅、轴承组件、支架、力传感器、脚撑及被测假人；

所述座椅包括椅面、靠背、椅踏板和脚垫，所述椅面与水平呈一定夹角，所述靠背与椅面垂直；所述被测假人的臀部放置在座椅的椅面上，背靠贴合靠背；所述椅踏板设置在椅腿下方，所述被测假人的脚搭载在所述椅踏板上；所述座椅的重心位于GB14166-2013标准所要求的标准假人理论重心位置；

所述座椅通过两套所述轴承组件与支架相连，座椅能绕轴承组件的轴线在一定范围内旋转；两套所述轴承座组的轴线共线且穿过所述座椅重心；

所述脚撑设置在所述支架下方四个角位置，每个脚撑各连一个所述力传感器。

更优选地，所述座椅还包括：

脚垫；

所述脚垫倾斜布置所述椅踏板上，所述被测假人的脚贴合在所述脚垫上。

更优选地，所述测量装置还包括：

角度调节尺；

所述角度调节尺固定在支架上，其中间有一段弧形槽孔，所述弧形槽孔所对应的中心与座椅重心在一条直线上。

更优选地，

所述轴承组件包括轴承座组和转轴，所述轴承座组安装于支架的立柱上，并通过转轴与所述假人座椅上设置一端带有轴套的连杆相连。

更优选地，所述椅面与水平之间的夹角为10°。

本发明还提供一种安全带试验用假人重心测量方法，其应用于上述的安全带试验用假人重心测量装置上，所述测量方法包括：

步骤S101，调节脚撑，使支架的横撑水平且共面，将四个力传感器的示数归零；

步骤S102，将被测假人按照要求的坐姿放置在座椅上，使假人背部与靠背贴合，臀部与椅面贴合，脚部登在座椅脚垫上；

步骤S103，调整座椅到初始位置，使椅面与水平面所成夹角呈一定角度并锁紧，记录四个所述力传感器的示数，分别记为F₁、F₂、F₃、F₄；

步骤S104，将座椅旋转α角，改变被测假人坐姿，再次记录力传感器的示数，分别为F₁'、F₂'、F₃'、F₄'；

步骤S105，将上两次记录的数据对应代入如下公式，求得被测假人重心在工件坐标中的坐标值G₀(x₀，y₀，z₀)：

式中：

x₀、y₀、z₀—假人重心工件坐标系中X₀轴、Y₀轴和Z₀轴对应的坐标值；

L₁、L₂—力传感器在绝对坐标系中X轴和Y轴方向对应的距离；

F₁、F₂、F₃、F₄—假人在初始位置时，四个力传感器S₁、S₂、S₃、S₄对应的示数；

F₁'、F₂'、F3'、F₄'—假人转动α角时，四个力传感器S₁、S₂、S₃、S₄对应的示数；

α—座椅的转动角度；

步骤S106，将所求得的被测假人重心在工件坐标中的坐标值G₀(x₀，y₀，z₀)与GB14166-2013标准要求范围进行对比，并根据对比结果判断假人重心是否满足GB14166-2013标准要求。

由上述本发明的技术方案可以看出，本发明具有如下优点：

1.本发明提供的测量装置结构简单，易于实现，制造成本较低；

2.本发明中设计的座椅重心与被测假人的理论重心重合，结构与GB14166-2013标准要求一致，通过测量旋转座椅前后的两组数据即可得出被测假人的真实重心，因此能够在测量实验过程中减少测量中的变量，得出的结果更具说服力；

3.本发明提供的测量方法原理清晰，操作简单；

4.本发明既可用于检测安全带试验用假人是否合格，又可为研究假人重心对安全带试验的影响提供数据依据。

附图说明

图1为本发明的安全带试验用假人重心测量装置的主视图；

图2为本发明的安全带试验用假人重心测量装置的轴测图；

图3为本发明中的传感器分布示意图；

图4为本发明中的座椅旋转α角时坐标系变化示意图；

图5为标准GB14166-2013中对安全带试验用假人重心要求示意图；

附图中：

1-假人座椅、2-轴承组件、3-支架、4-角度调节尺、5-力传感器、6-脚撑、7-被测假人；1.1-椅面、1.2-靠背、1.3-脚垫；2.1-轴承座、2.2-轴承；3.1-立柱、3.2-横撑；5.1-S₁力传感器、5.2-S₂力传感器、5.3-S₃力传感器、5.4-S₄力传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

本发明提供一种安全带试验用假人重心测量装置，其结构如图1、图2、图4所示，包括：座椅1、轴承组件2、支架3、角度调节尺4、力传感器5、脚撑6及被测假人7。

上述座椅1通过轴承组件2与支架3相连，座椅1可绕轴承组件2的轴线在一定范围内旋转，改变被测假人7的坐姿，以此来获得多组测量数据。

上述安全带试验用假人重心测量装置中的各个零部件的功能和结构具体如下：

座椅1：

座椅1是按照GB14166-2013附录D中安全带试验中假人坐姿要求设计，其包括椅面1.1、靠背1.2、椅腿、椅踏板和脚垫1.3，椅面1.1平面与靠背1.2平面相互平垂直，椅面1.1与水平面的夹角为10°；椅腿位于椅面1.1的四个角的下方，下端与椅踏板相连，该椅踏板用于搭载被测假人的脚部；为了更稳定地固定好被测假人，该椅踏板上倾斜连接有脚垫1.3，被测假人的脚贴合在该脚垫1.3上；为了适合不同的假人，该脚垫1.3的水平位置可调，如通过丝杆螺母方式调节、或者通过滑道滑块组合方式调节脚垫的位置。该假人座椅1还包括一端带有轴套、另一端连接在椅面两侧的连杆。被测假人7臀部放置在椅面1.1上，背部贴合靠背1.2，座椅1的重心(图中的g点)位于GB14166-2013标准中所要求的标准假人理论重心位置。

支架3：

支架3由两个倒T字型组件组成，每个倒T字型组件包括立柱3.1和横撑3.2，分别位于座椅1两侧，用于支撑座椅1。

轴承组件2：

轴承组件2有两套，每一套均包括轴承座组2.1和转轴2.2，轴承座组2.1安装于支架3的立柱3.1上，并通过转轴2.2与座椅1上的连杆的轴套相连；两个轴承座组2.1的轴线共线且穿过座椅1重心(图1中的g点)；假人座椅1可绕其轴承座组2.1的轴线进行旋转；

角度调节尺4：

角度调节尺4为一段弧形板材，中间是一段弧形槽孔，用于调节和固定假人座椅1的位置，改变被测假人7的坐姿；该角度调节尺4固定在支架3上，其弧形槽孔所对应的中心与假人座椅1重心在一条直线上；该角度调节尺4上标有角度刻度。调节被测假人7坐姿时，安装于假人座椅1上的锁紧螺栓随座椅1沿角度调节尺4的弧形槽孔移动，到指定角度时拧紧锁紧螺栓，固定假人座椅1；

力传感器5：

力传感器5共有四个，分别对称安装于支架3的四角的下部，用以测量被测假人7不同坐姿时对支架3四角的压力；

脚撑6：

脚撑6共有四个，用于支撑整个装置，其设置在支架3的横撑3.2底部四个角位置。通过调节该脚撑6的高度可调节支架3的高度，以便用于调平支架3。该脚撑6分别与力传感器5相连，通过力传感器5能够测量

在利用上述安全带试验用假人重心测量装置来实施测量时，需要在所述重心测量装置中建立两个笛卡尔坐标系，如图3中的绝对坐标系(O-XYZ)和工件坐标系(O₀-X₀Y₀Z₀)。绝对坐标系O-XYZ位于支架上，相对地面保持不动；工件坐标系O₀-X₀Y₀Z₀位于假人座椅1上，随假人座椅1转动，即被测假人7在工件坐标系中的坐标G₀(x₀，y₀，z₀)是不变的；如图2所示，工件坐标系是由绝对坐标系绕X轴旋转一固定角度α得到的，两坐标系原点O与O₀为空间内同一点，即假人座椅1的重心g点；绝对坐标系的X轴与工件坐标系的X₀轴为空间内同一直线，即假人座椅1的旋转轴线。

如图3所示，在上述重心测量装置中，测量得到四个力传感器5(分别标记为：S₁力传感器5.1、S₂力传感器5.2、S₃力传感器5.3、S₄力传感器5.4)在X方向的距离为L₁，在Y方向的距离为L₂；四个传感器的中心在XOY平面的投影与原点O重合。

建立好上述两个坐标系后，可以利用本发明中的测量装置结合上述坐标系得到被测假人重心在工件坐标中的坐标值G₀(x₀，y₀，z₀)。

实施例一的工件原理具体如下：

当座椅1处于初始位置时，即使椅面1.1与水平面所成夹角θ₀＝10°，此时被测假人的绝对坐标系与工件坐标系重合，被人假人的绝对坐标G(x，y，z)与工件坐标G₀(x₀，y₀，z₀)有如下关系：

当座椅绕X轴旋转一定角度α后，结合如下圆心过原点圆的参数方程

其中，R为圆的半径；x，y分别表示圆上的点在X轴和Y轴上的坐标值；θ为参数，即圆上点和圆心的连线与X轴所形成的的夹角。

可以推导得出当座椅1绕X轴旋转一定角度α后，此时的被测假人绝对坐标G'(x'，y'，z')与工件坐标G₀(x₀，y₀，z₀)有如下关系：

此时，以被测假人为研究对象，分别对X轴和Y轴列力矩平衡方程：

式中：

L₁、L₂—力传感器在绝对坐标系中X轴和Y轴方向对应的距离；

F₁、F₂、F₃、F₄—座椅在初始位置时，四个力传感器S₁、S₂、S₃、S₄对应的示数；

G₀—假人总重力；

F₁'、F₂'、F3'、F₄'—座椅转动α角后，四个力传感器S₁、S₂、S₃、S₄对应的示数。

由此算得：

其中的参数含义与公式4中的相同，这里不再描述。

此时，以被测假人为研究对象，同理可得：

其中的L1、L2参数的含义与公式(4)中的相同，这里不再描述。

F₁'、F₂'、F3'、F₄'—座椅1转动α角时，四个力传感器S₁、S₂、S₃、S₄对应的示数。

综合(3)(5)(6)式，可求得被测假人重心在工件坐标中的坐标值G₀(x₀，y₀，z₀)：

其中的参数与上述公式中的相同，这里不再详细描述。

由此可以推导出，只要测量出假人座椅1在初始位置时的四个力传感器的数据，以及假人座椅1旋转一定角度α后的四个传感器的数据，即可计算出被测假人重心在工件坐标中的坐标值G₀(x₀，y₀，z₀)。

由此测量计算出的被测假人7重心在工件坐标中的坐标值G₀(x₀，y₀，z₀)即为被测假人的理论重心相对坐标，将其与GB14166-2013标准要求范围(如图5所示的尺寸和参数，其中的G点为人体模型的重心；T点为人体模型的躯干参考点，其位于人体模型中心线后方；P点为人体模型骨盆参考点，其位于人体模型中心线后方，该P点位移的测量不包括绕臀部轴和垂直轴的旋转部分；图5中的尺寸单位为毫米)进行对比，即可求得被测假人在GB14166-2013标准要求的坐姿时对应重心的真实坐标(x_g，y_g，z_g):

根据求得的被测假人在GB14166-2013标准要求的坐姿时对应重心的真实坐标(x_g，y_g，z_g)值，判断假人重心是否满足GB14166-2013标准要求，即y_g在396±10mm范围内，同时z_g在454±10mm范围内，则说明被测假人7的重心满足要求，否则不满足。

实施例二：

本发明实施例二提供一种安全带试验用假人重心测量方法，其利用图1、图2、图4所示的一种安全带试验用假人重心测量装置来实现。该安全带试验用假人重心测量方法的具体实施步骤如下：

步骤S101，将四个力传感器的示数置零。

调节脚撑6，使支架3的两横撑3.2上表面水平且共面，将四个力传感器的示数归零。

步骤S102，放置被测假人7。

将被测假人7按照GB14166-2013标准要求的坐姿放置在假人座椅1上，使假人背部与靠背1.2贴合，臀部与椅面1.1贴合，脚部登在座椅脚垫1.3上。

步骤S103，调整假人座椅1到初始位置，记录力传感器5的示数。

调整假人座椅1，使椅面1.1与水平面所成夹角θ₀＝10°，锁紧角度调节尺4的螺栓，使被测假人7和假人座椅1保持静止，此位置即为初始位置；记录四个力传感器5的数据，分别为F₁、F₂、F₃、F₄。

步骤S104，将假人座椅1旋转α角，改变被测假人7坐姿，再次记录力传感器5的示数。

松开角度调节尺4的螺栓，逆时针旋转假人座椅1一定角度α，锁紧角度调节尺4的螺栓，此时，椅面1.1与水平面所成夹角为θ₁，即α＝θ₁-θ₀；待被测假人7和假人座椅1稳定后，记录四个力传感器5的数据，分别为F₁'、F₂'、F₃'、F₄'；

步骤S105，将上两次记录的数据对应代入上面公式(7)，可求得被测假人7重心在工件坐标中的坐标值G₀(x₀，y₀，z₀)。

步骤S106，由此测量计算出的被测假人7重心在工件坐标中的坐标值G₀(x₀，y₀，z₀)即为被测假人的理论重心相对坐标，将其与GB14166-2013标准要求范围进行对比，即可求得被测假人在GB14166-2013标准要求的坐姿时对应重心的真实坐标(x_g，y_g，z_g):

根据求得的被测假人7在GB14166-2013标准要求的坐姿时对应重心的真实坐标(x_g，y_g，z_g)值，判断假人重心是否满足GB14166-2013标准要求，即y_g在396±10mm范围内，同时z_g在454±10mm范围内，则说明被测假人7的重心满足要求，否则不满足。

总而言之，利用本发明可以有效测出安全带试验用假人按照GB14166-2013要求的坐姿时的重心。同时，利用该测量方法，通过改变座椅结构，还可以用于测量其他假人相应坐姿时的重心位置，为汽车安全碰撞模拟试验提供更多的数据参考。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种安全带试验用假人重心测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：

座椅(1)、轴承组件(2)、支架(3)、力传感器(5)、脚撑(6)及被测假人(7)；

所述座椅(1)包括椅面(1.1)、靠背(1.2)、椅踏板和脚垫(1.3)，所述椅面(1.1)与水平呈一定夹角，所述靠背(1.2)与椅面垂直；所述被测假人的臀部放置在座椅(1)的椅面(1.1)上，背靠贴合靠背(1.2)；所述椅踏板设置在椅腿下方，所述被测假人(7)的脚搭载在所述椅踏板上；所述座椅(1)的重心位于GB14166-2013标准所要求的假人理论重心位置；

所述座椅(1)通过两套所述轴承组件(2)与支架(3)相连，座椅(1)能绕轴承组件(2)的轴线在一定范围内旋转；两套所述轴承座组(2.1)的轴线共线且穿过所述座椅(1)重心；

所述脚撑(6)设置在所述支架(3)下方四个角位置，每个脚撑(6)各连一个所述力传感器(5)。

2.根据权利要求1所述的一种安全带试验用假人重心测量装置，其特征在于，所述座椅(1)还包括：

脚垫(1.3)；

所述脚垫(1.3)倾斜布置所述椅踏板上，所述被测假人(7)的脚贴合在所述脚垫(1.1)上。

3.根据权利要求1所述的一种安全带试验用假人重心测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括：

角度调节尺(4)；

所述角度调节尺(4)固定在支架(3)上，其中间有一段弧形槽孔，所述弧形槽孔所对应的中心与座椅(1)重心在一条直线上。

4.根据权利要求1所述的一种安全带试验用假人重心测量装置，其特征在于，

所述轴承组件(2)包括轴承座组(2.1)和转轴(2.2)，所述轴承座组(2.1)安装于支架(3)的立柱(3.1)上，并通过转轴(2.2)与所述假人座椅(1)上设置一端带有轴套的连杆相连。

5.根据权利要求1所述的一种安全带试验用假人重心测量装置，其特征在于，

所述椅面(1.1)与水平之间的夹角为10°。

6.一种安全带试验用假人重心测量方法，其特征在于，所述测量方法应用于根据权利要求1至5任意一项所述的安全带试验用假人重心测量装置上，所述测量方法包括：

步骤S101，调节脚撑(6)，使支架(3)的横撑水平且共面，将四个力传感器的示数归零；

步骤S102，将被测假人(7)按照要求的坐姿放置在座椅(1)上，使假人背部与靠背(1.2)贴合，臀部与椅面(1.1)贴合，脚部登在座椅脚垫(1.3)上；

步骤S103，调整座椅(1)到初始位置，使椅面(1.1)与水平面所成夹角呈一定角度并锁紧，记录四个所述力传感器(5)的示数，分别记为F₁、F₂、F₃、F₄；

步骤S104，将座椅(1)旋转α角，改变被测假人(7)坐姿，再次记录力传感器(5)的示数，分别为F₁'、F₂'、F₃'、F₄'；

步骤S105，将上两次记录的数据对应代入如下公式，求得被测假人(7)重心在工件坐标中的坐标值G₀(x₀，y₀，z₀)：

式中：

x₀、y₀、z₀—假人重心工件坐标系中X₀轴、Y₀轴和Z₀轴对应的坐标值；

L₁、L₂—力传感器在绝对坐标系中X轴和Y轴方向对应的距离；

F₁、F₂、F₃、F₄—假人在初始位置时，四个力传感器S₁、S₂、S₃、S₄对应的示数；

F₁'、F₂'、F3'、F₄'—假人转动α角时，四个力传感器S₁、S₂、S₃、S₄对应的示数；

α—座椅的转动角度；

步骤S106，将所求得的被测假人(7)重心在工件坐标中的坐标值G₀(x₀，y₀，z₀)与GB14166-2013标准要求范围进行对比，并根据对比结果判断假人重心是否满足GB14166-2013标准要求。

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