CN112729744A - 一种用于碰撞实验的整体式行人保护假人设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于碰撞实验的整体式行人保护假人设计方法，包括基于国际通行正面碰撞假人的上半身撞击结构特征，采用计算机数字模型设计或采用实体物件制作法，分别设计或制作行人保护假人的头部、胳膊、手臂、颈部、胸部、骨盆结构，包括骨盆内部的金属部件、髋关节铰连接件、骨盆表面橡胶部件，在髋关节铰连接件上设置有角速度传感器、腿部撞击结构件，腿部撞击结构件包括大腿结构件、小腿结构件以及脚部结构件，然后将上述结构件整合成正面碰撞假人的整体撞击结构体。该方法通过整体式假人，不仅可以用实验测量来识别车辆碰撞行人过程中腿部和头部受到的冲击状态及损伤，还可以测量整个人体关键部位在撞击过程中的变形及假人受到的损伤。

Description

一种用于碰撞实验的整体式行人保护假人设计方法

技术领域

本发明涉及车辆与行人碰撞实验技术领域，具体涉及一种用于碰撞实验的整体式行人保护假人设计方法。

背景技术

目前，世界各国现行的行人保护法规以及NCAP行人保护测试评价程序，基本都采用了欧洲EEVC(European Enhanced Vehicle-Safety Committee)WG10工作组提出的人体模块撞击测试方法，将人体头部和腿部分成两个不同的模块，头部冲击模块(分为成人与儿童)与发动机罩和风挡玻璃的撞击，大腿冲击模块与发动机罩前端撞击，腿部冲击模块与前保险杠和车辆前端其他部件发生撞击。

但是，在实际道路发生人和车的碰撞事故过程中，行人被撞击后发生的旋转、弯曲、倾斜以及撞击等一系列连续的过程，与人体的高矮、上躯干在翻转过程中的惯性力等因素有非常密切的关系。单纯将人的头部和腿部独立出来，进行试验测量和评价有一定的科学评价依据，也简化了评测的过程。但是，这样的评测也具有一定的局限性。首先，忽略上躯干以及人体高度对行人碰撞过程中的影响，会造成腿部损伤的评测结果与实际不符。其次，单纯的用头部撞击器来撞击车顶盖的实验方法，无法识别由于人体撞击后姿态的变化引起头部撞击部位和撞击力的变化。故而，有必要建立一个完整的行人保护假人，来更为真实的模拟实际交通事故中的行人撞击过程。

汽车的安全性能往往是人们关注的焦点，而汽车的安全配置要保护的是车内的成员和车外的行人。近年来，随着科技的日新月异，汽车对于车内成员的保护已经有了很大的进步，安全带，安全气囊等汽车安全装备的越来越完备，驾乘者的安全是得到了更多的保护。然而大部分的交通事故，“受伤”的往往是无辜的行人，身处车外的行人不仅处于被动地位，而且往往被忽视。

为了再现车辆碰撞行人的过程，研究行人的受伤情况，本田在 1998年研究出可再现事故中人体举动的行人假人，研究怎样减轻撞击事故中对行人头部的伤害及确定车身撞击行人时的具体部位。2000 年，本田进一步扩大了减轻对行人伤害的研究范围，在高度模拟解析人体举动和伤害的同时，开发出在头部、颈部等8处设置了内置式伤害值监测器的第二代行人假人“POLARII”。现在，假人已经研发到了第三代“POLARIII”，它着眼于近年来呈增加趋势的SUV和微型厢式车等车身较高的车辆撞击行人的事故中，行人易受伤的腰部和大腿部。为了能进一步扩大数据解析的范围，本田选择与人体特性相近的材料并改进了假人外形，根据对人体各部位特性的验证，使假人的腰部、大腿部等下半身结构更加科学。

在我国的行人交通事故中，很大一部分的确是因为行人违章引起，但是根据交通安全3E理论(工程，教育，法规)，行人保护的客观条件创造是先决条件之一，这曾经一度仅仅几年是厂商的社会责任，通过法规和Euro-NCAP等测试，关于行人保护的工程成为了汽车行业不得不面对的问题。2019年11月27日～28日，“2019第二届中国汽车行人保护国际研讨会”在山东省青岛市成功召开，2021版的C-NCAP将采用apli行人保护腿型。2021版行人保护评价方案对国人行人事故特征进行了针对性研究，提出了适合国内行人体貌特征的评价方案。一改过去跟随E-NCAP评价方案的惯例，不仅测试方案与E-NCAP有差异，部分评价指标也先于E-NCAP公布：

1)头部测试区C-NCAP增加WAD2100～WAD2300，采用60度角进行冲击，而依据E-NCAP路线图，则计划增加到WAD2500，采用70 度进行冲击；

2)腿部由现行的采用FLEXPLI腿型进行测试切换为直接采用 APLI进行测试，可谓是跨越了一大步，评价指标也先于E-NCAP进行公布。

上述差异在实施时间上也早于E-NCAP，依据E-NCAP路线图，考虑新APLI腿型的测试和二轮车骑行者保护的评价方案计划于2022 年进行实施，而依照惯例2021版C-NCAP可能会在2021年7月就开始正式实施。这也对国内车企提升行人保护研发能力方面提出了更高要求。行人保护中腿型的发展经历了如下的过程，在腿碰试验中，最早采用的是TRL刚性下腿，并使用膝关节加速度、弯曲角度和剪切位移三个指标来评价行人下肢伤害。由于TRL刚性下腿难以反映真实人体下肢在碰撞中的运动状态，评价指标也只是间接反映人体组织的受伤风险，所以逐渐被FlexPLI腿型所取代。FlexPLI腿型使用柔性关节来模拟具有真实刚度的股骨和胫骨的变形，并增加四条金属线来模拟膝盖部位韧带的变形，评价指标为四个小腿弯矩、内侧副韧带(MCL)、前交叉韧带(ACL)和后交叉韧带(PCL)的伸长量。尽管FlexPLI腿型在仿生属性上有了巨大的进步，但由于没有考虑碰撞过程中人体上半身对下肢的影响等问题，其响应与真实人体下肢碰撞响应存在差异，在高前保车型的碰撞试验中表现尤为明显。因此，新一代aPLI腿型呼之欲出。新一代aPLI腿型在上部增加了一个可以转动和滑动的质量块——SUBP模块，该模块考虑了盆骨的形状、盆骨与股骨的连接和运动关系以及臀点以上的身体对下肢的弯矩作用，以模拟臀点以上的身体在碰撞过程中对下肢的作用。

但是，在实际道路发生人和车的碰撞事故过程中，行人被撞击后发生的旋转、弯曲、倾斜以及撞击等一系列连续的过程，与人体的高矮、上躯干在翻转过程中的惯性力等因素有非常密切的关系。单纯将人的头部和腿部独立出来，进行试验测量和评价有一定的科学评价依据，也简化了评测的过程。但是，这样的评测也具有一定的局限性。首先，忽略上躯干以及人体高度对行人碰撞过程中的影响，会造成腿部损伤的评测结果与实际不符。其次，单纯的用头部撞击器来撞击车顶盖的实验方法，无法识别由于人体撞击后姿态的变化引起头部撞击部位和撞击力的变化。故而，有必要建立一个完整的行人保护假人，来更为真实的模拟实际交通事故中的行人撞击过程。

目前人体尺寸多是以百分位的形式给出的，SAE将人体尺寸百分位分为三档：第5百分位，第50百分位，第95百分位，分别对应小个子身材，中等个子身材，大个子身材。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种针对现有行人保护设计上存在的问题，对行人保护研究提出了一种整体式的行人保护假人设计方法。基于现有国际通行的腿部撞击器(aPLI)和改进的头部撞击器，设计了一种整体式行人保护假人。通过这种整体式的行人保护假人，不仅可以通过实验测量来识别车辆碰撞行人发生过程中腿部和头部受到的冲击状态及损伤，还可以测量整个人体关键部位在撞击过程中的变形及假人受到的损伤的一种用于碰撞实验的整体式行人保护假人设计方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是提供了一种用于碰撞实验的整体式行人保护假人设计方法，所述假人设计方法包括如下步骤：

步骤一，基于国际通行正面碰撞假人的上半身撞击结构特征，采用计算机数字模型设计或采用实体物件制作行人保护假人的头部、胳膊、手臂、颈部、胸部；

步骤二，基于国际通行正面碰撞假人的髋部撞击结构特征，采用计算机数字模型设计或采用实体物件制作行人保护假人的骨盆结构，包括骨盆内部的金属部件、髋关节铰连接件、骨盆表面橡胶部件，在髋关节铰连接件上设置有角速度传感器，角速度传感器用于采集假人发生反转过程中腿部转动角速度的变化；

步骤三，基于国际通行正面碰撞假人的腿部撞击结构特征，采用计算机数字模型设计或采用实体物件制作行人保护假人的腿部撞击结构件，腿部撞击结构件包括大腿结构件、小腿结构件以及脚部结构件；

步骤四，采用计算机数字模型设计或采用实体物件制作将步骤一至步骤四采用计算机数字模型设计或采用实体物件制作行人保护假人的头部、手臂、颈部、胸部、金属部件、髋关节铰连接件、骨盆表面橡胶部件和腿部撞击结构件整合成正面碰撞假人的整体撞击结构体。

优选的技术方案是，所述步骤一中在假人头部的内部设有X、Y、 Z三个方向加的速度传感器，用于监测假人头部受到冲击过程中碰撞力，在假人胸腔的内部设有线位移传感装置，在假人胳膊上的关节部位设置有弯曲扭力传感器，用于监测弯曲变形过程中的受到的弯曲力作用；

优选的技术方案还有，所述步骤二中首先设计或制作骨盆结构内的金属部件，使得金属部件与通用假人的腰椎结构件相适配，然后再设计或制作骨盆金属部件中的髋关节铰接结构件，最后设计或制作假人骨盆结构件外部的骨盆表面橡胶部件，假人骨盆结构外部的骨盆表面橡胶部件，用于模拟肌肉动态力学特性。

优选的技术方案还有，所述二、三中在骨盆髋关节区域、膝盖区域设有加速度传感器，大腿部位设有上、中、下三个扭矩传感器、小腿从下到上设有四个扭矩传感器，骨盆铰接件部位设有X、Y、Z三个方向的角速度传感器，膝盖区域在转动方向设有一个角速度传感器，在膝盖区域的十字韧带处设有X、Y、Z三个向的移动变形传感器。

优选的技术方案还有，所述方法适用于05、50和95百分位特征男人或女人的人体模型设计或制作。

优选的技术方案还有，所述步骤二中在髋关节部位设有铰接球，铰接球中设有橡胶阻尼垫片，铰接球与步骤三中大腿结构件的大腿根部铰接，橡胶阻尼垫片用于模拟大腿髋关节在转动过程中的阻力。

本发明的优点和有益效果在于，本发明用于碰撞实验的整体式行人保护假人设计方法主要针对现有行人保护设计上存在的问题，对行人保护研究提出了一种整体式的行人保护假人设计方法。基于现有国际通行的aPLI腿部撞击器，和被广泛应用于正面碰撞测试的混三型 50％男性假人，5％女性假人及95％男性假人为基础，改造设计了一种整体式的行人保护假人。行人保护假人拥有类似人类的生物学特性，这使得行人保护假人可以被广泛应用于除了汽车碰撞领域之外的其他伤害值测量试验。行人保护假人不仅可以应用于行人保护领域，还能应用于其他的测试领域。例如摩托车驾驶员保护测试，机器人安全评估测试，建筑工地跌落事故测试等。本设计方法提供的3种型号的行人保护假人，50％男性，5％女性和95％男性。每个行人保护假人型号都可以被应用于模拟任何一种可能对人类造成伤害或导致死亡的情况。除此之外，此行人保护假人的部件也可以非常容易地和混合三型正碰假人互换，这对实验室节省成本有。

通过这种整体式的行人保护假人设计方法，不仅可以用来生产和制造实验用测量假人，还可以设计数字化假人模型，用于整车安全开发仿真模拟。提升车辆的安全水平。

通过这种新的设计方法制作的实验假人和搭建的数字化假人模型，不仅可以通过实验测量来识别车辆碰撞行人发生过程中腿部和头部受到的冲击状态及损伤，还可以测量整个人体关键部位在撞击过程中的变形及假人受到的损伤。数字化假人模型可以用来指导整车的设计与开发，提高车辆在发生人车事故中的行人保护能力。

附图说明

图1是本发明用于碰撞实验的整体式行人保护假人的结构示意图；

图2是图1中人体上躯干的结构示意图；

图3是图1中人体骨盆表面橡胶部件的结构示意图；

图4是图1中人体髋关节铰连接件与大腿结构件的大腿根部铰接的结构示意图；

图5是图1中人体髋部与腿部的结构示意图。

图中：1、头部；2、颈部；3、胸部；4、胳膊；5、手臂；6、骨盆结构；6.1、金属部件；6.2、髋关节铰连接件；6.3、骨盆表面橡胶部件；6.4、有铰接球；7、腿部撞击结构件；7.1、大腿结构件；7.2、小腿结构件；7.3、扭矩传感器；7.4、扭矩传感器；8、脚部结构件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

为了解决现有行人保护设计方法中，单独将人体头部和腿部进行设计测量而带来的缺陷。在综合考虑整个人体在行人碰撞事故中的运动状态下，可基于50百分位人体特征的参数，设计了一种整体式行人保护假人。

本发明的设计方法主要针对现有行人保护设计上存在的问题，对行人保护研究提出了一种整体式行人保护假人设计方法。它是基于现有国际通行的腿部撞击器(aPLI)和目前国际通行的证明碰撞假人，设计了一种整体式行人保护假人。

如图1～5所示，本发明是一种用于碰撞实验的整体式行人保护假人设计方法，所述假人设计方法包括如下步骤：

步骤一，基于国际通行正面碰撞假人的上半身撞击结构特征，采用计算机数字模型设计或采用实体物件制作行人保护假人的头部1、胳膊4、手臂5、颈部2、胸部3；

步骤二，基于国际通行正面碰撞假人的髋部撞击结构特征，采用计算机数字模型设计或采用实体物件制作行人保护假人的骨盆结构6，包括骨盆内部的金属部件6.1、髋关节铰连接件6.2、骨盆表面橡胶部件6.3，在髋关节铰连接件6.2上设置有角速度传感器，角速度传感器用于采集假人发生反转过程中腿部转动角速度的变化；

步骤三，基于国际通行正面碰撞假人的腿部撞击结构特征，采用计算机数字模型设计或采用实体物件制作行人保护假人的腿部撞击结构件7，腿部撞击结构件7包括大腿结构件7.1、小腿结构件7.2以及脚部结构件8；

步骤四，采用计算机数字模型设计或采用实体物件制作将步骤一至步骤四采用计算机数字模型设计或采用实体物件制作行人保护假人的头部1、手臂5、颈部2、胸部3、金属部件6.1、髋关节铰连接件 6.2、骨盆表面橡胶部件6.3和腿部撞击结构件7整合成正面碰撞假人的整体撞击结构体。

本发明优选的实施方案是，所述步骤一中在假人头部1的内部设有X、Y、Z三个方向加的速度传感器，用于监测假人头部受到冲击过程中碰撞力，在假人胸腔的内部设有线位移传感装置，在假人胳膊上的关节部位设置有弯曲扭力传感器，用于监测弯曲变形过程中的受到的弯曲力作用；

本发明优选的实施方案还有，所述步骤二中首先设计或制作骨盆结构6内的金属部件6.1，使得金属部件与通用假人的腰椎结构件相适配，然后再设计或制作骨盆金属部件6.1中的髋关节铰接结构件6.2，最后设计或制作假人骨盆结构件6外部的骨盆表面橡胶部件6.3，假人骨盆结构6外部的骨盆表面橡胶部件，用于模拟肌肉动态力学特性。

本发明优选的实施方案还有，所述二、三中在骨盆髋关节区域、膝盖区域设有加速度传感器，大腿部位设有上、中、下三个扭矩传感器7.3、小腿从下到上设有四个扭矩传感器7.4，骨盆铰接件部位设有 X、Y、Z三个方向的角速度传感器，膝盖区域在转动方向设有一个角速度传感器，在膝盖区域的十字韧带处设有X、Y、Z三个向的移动变形传感器。

本发明优选的实施方案还有，所述方法适用于05、50和95百分位特征男人或女人的人体模型设计或制作。

本发明优选的实施方案还有，所述步骤二中在髋关节部位设有铰接球6.4，铰接球6.4中设有橡胶阻尼垫片，铰接球6.4与步骤三中大腿结构件7的大腿根部铰接，橡胶阻尼垫片用于模拟大腿髋关节在转动过程中的阻力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于碰撞实验的整体式行人保护假人设计方法，其特征在于，所述假人设计方法包括如下步骤：

步骤一，基于国际通行正面碰撞假人的上半身撞击结构特征，采用计算机数字模型设计或采用实体物件制作行人保护假人的头部、胳膊、手臂、颈部、胸部；

步骤二，基于国际通行正面碰撞假人的髋部撞击结构特征，采用计算机数字模型设计或采用实体物件制作行人保护假人的骨盆结构，包括骨盆内部的金属部件、髋关节铰连接件、骨盆表面橡胶部件，在髋关节铰连接件上设置有角速度传感器；

步骤三，基于国际通行正面碰撞假人的aPLI腿部撞击结构特征，采用计算机数字模型设计或采用实体物件制作行人保护假人的腿部撞击结构件，腿部撞击结构件包括大腿结构件、小腿结构件以及脚部结构件；

步骤四，采用计算机数字模型设计或采用实体物件制作将步骤一至步骤四采用计算机数字模型设计或采用实体物件制作行人保护假人的头部、手臂、颈部、胸部、金属部件、髋关节铰连接件、骨盆表面橡胶部件和腿部撞击结构件整合成正面碰撞假人的整体撞击结构体。

2.根据权利要求1所述用于碰撞实验的整体式行人保护假人设计方法，其特征在于，所述步骤一中在假人头部的内部设有X、Y、Z三个方向加的速度传感器，在假人胸腔的内部设有线位移传感装置，在假人胳膊上的关节部位设置有弯曲扭力传感器。

3.根据权利要求1所述用于碰撞实验的整体式行人保护假人设计方法，其特征在于，所述步骤二中首先设计或制作骨盆结构内的金属部件，使得金属部件与通用假人的腰椎结构件相适配，然后再设计或制作骨盆金属部件中的髋关节铰接结构件，最后设计或制作假人骨盆结构件外部的骨盆表面橡胶部件。

4.根据权利要求1所述用于碰撞实验的整体式行人保护假人设计方法，其特征在于，所述二、三中在骨盆髋关节区域、膝盖区域设有加速度传感器，大腿部位设有上、中、下三个扭矩传感器、小腿从下到上设有四个扭矩传感器，骨盆铰接件部位设有X、Y、Z三个方向的角速度传感器，膝盖区域在转动方向设有一个角速度传感器，在膝盖区域的十字韧带处设有X、Y、Z三个向的移动变形传感器。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述用于碰撞实验的整体式行人保护假人设计方法，其特征在于，所述方法适用于05、50和95百分位特征男人或女人的人体模型设计或制作。

6.根据权利要求1所述用于碰撞实验的整体式行人保护假人设计方法，其特征在于，所述步骤二中在髋关节部位设有铰接球，铰接球中设有橡胶阻尼垫片，铰接球与步骤三中大腿结构件的大腿根部铰接。

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