JP2011164347A - 人体ダミー手部 - Google Patents

Abstract

【課題】より人体に近似した物性を示す皮膚損傷評価用の人体ダミー手部を提供すること。
【解決手段】人体ダミー手部は、金属系材料または合成樹脂系材料からなる骨芯部１１と、骨芯部１１の外周を軸方向に沿って覆うアクリル系材料からなる複数の骨部１２と、各骨部１２における対向配置された骨端を覆いながら各骨部１２を変位可能に接続する合成樹脂系材料からなる複数の関節部１３とからなる骨格部１５と、この骨格部１５の外周を覆うシリコン系材料からなる皮膚部１４とを備えている。特に、皮膚部１４を構成するシリコン系材料には非粘着性粒子が混入されており、切れ具合や裂け具合が人皮と同様の様相を示すことができるようになっている。
【選択図】図１

Description

この発明は、人体の手部と非常に近似した物性を示し、人間が被る傷害の予測評価に利用される人体ダミー手部に関する。

従来から、自動車などの衝突試験においては、人間が被る傷害を予測するための測定ツールとして、衝突試験用人体模型（人体ダミー）が使用されている。そして、例えば人体ダミーを自動車に搭乗させて衝突試験を行い、この試験から得られたデータを分析・利用することで、自動車の衝突安全性能の向上が図られてきた。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。

株式会社ジャスティ、ホームページ"人体ダミー／ダミー部品・ＨＹＢＲＩＤ−III ５０ｔｈ"、［ｏｎｌｉｎｅ］、２００３年、［平成２１年７月３０日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.jasti.co.jp/08/7-1a.html＞

しかしながら、人体ダミーの研究開発は発展途上にある。例えば、自動車衝突試験用人体ダミーについては、現在、ハイブリッド・スリー（ＨｙｂｒｉｄIII）ダミーが国際的には使用されているが、衝撃応答特性や損傷再現性等を一層改善し、より人体に近付ける必要性が世界的には叫ばれている。

これは、より人体構造に近似し、生体忠実性などの性能向上を図った人体ダミーを実現することで、かかる改良された人体ダミーが、自動車の衝突安全性能や産業機器の操業安全性能等といった人間が利用する機械的装置の総合的な安全性向上に寄与することを期待されているからである。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、従来技術では実現できなかった、より人体に近似した物性を示し、裂傷などの皮膚損傷を評価することができる人体ダミー手部を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる人体ダミー手部は、金属系材料または合成樹脂系材料からなり可撓性を有する棒状の骨芯部、前記骨芯部の外周を軸方向に沿って覆うアクリル系材料からなる複数の骨部、および前記複数の骨部における対向配置された骨端を覆いながら各骨部を変位可能に接続する合成樹脂系材料からなる複数の関節部を有する骨格部と、前記骨格部の外周を覆うシリコン系材料からなる皮膚部とを備えることを特徴とする。

この発明にかかる人体ダミー手部において、前記皮膚部を構成する前記シリコン系材料には、非粘着性粒子が混入されていることとすることができる。この場合、前記非粘着性粒子は、ナイロン繊維、砂またはセラミック粉であることとすることができる。

また、この発明にかかる人体ダミー手部において、前記シリコン系材料は、シリコンの体積をα、非粘着性粒子の体積をβとしたときに、α：β＝１００：０．１からなる比例式を満たす混合比率にて混合して構成されていることとすることができる。

さらに、この発明にかかる人体ダミー手部において、前記複数の骨部は、前記関節部における変位方向側の骨端縁部がテーパ状に切り欠かれていることとすることができる。

また、この発明にかかる人体ダミー手部は、前記皮膚部が２〜２５［ＭＰａ］の引張り強度及び２〜２０［ｋＮ／ｍ］の引裂き強度を有して構成されていることが好適である。

この発明によれば、従来技術では実現できなかった、より人体に近似した物性を示し、裂傷などの皮膚損傷を評価することができる人体ダミー手部を提供することができる。
したがって、この発明にかかる人体ダミー手部を利用した各種試験を実施して、これらにより得られた試験データを分析・利用することで、より一層の安全性向上に寄与することができる。

この発明の一実施形態にかかる人体ダミー手部を示す外観斜視図である。 同人体ダミー手部の骨格部を示す上面図である。 同人体ダミー手部の一部の構成を示す概略図である。 同人体ダミー手部の製造工程の一部を示す説明図である。

以下に、添付の図面を参照して、この発明にかかる人体ダミー手部の好適な実施形態について詳細に説明する。ただし、以下の実施形態は、各請求項にかかる発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせのすべてが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

なお、以下の実施形態は、この発明にかかる人体ダミー手部を皮膚損傷評価用の人体ダミーの手部として構成した場合を例示するものである。図１は、この発明の一実施形態にかかる人体ダミー手部を示す外観斜視図、図２は同人体ダミー手部の骨格部を示す上面図、図３は同人体ダミー手部の一部の構成を示す概略図である。

図１〜図３に示すように、本実施形態にかかる人体ダミー手部１０は、外観上は皮膚部１４により覆われており、人体の手部と同様の物性を有するように構成されている。この人体ダミー手部１０は、例えば金属系材料または合成樹脂系材料からなり可撓性を有する棒状の骨芯部１１と、この骨芯部１１の外周を軸方向に沿って覆うアクリル系材料からなる複数の骨部１２とを備える。

また、人体ダミー手部１０は、複数の骨部１２における対向配置された骨端を覆いながら各骨部１２を人体の手部と同様に変位可能に接続する合成樹脂系材料からなる複数の関節部１３を備え、これら骨芯部１１、骨部１２および関節部１３によって、骨格部１５を形成している。そして、人体ダミー手部１０は、上述したように骨格部１５の外周を覆うシリコン系材料からなる皮膚部１４を備えて構成されている。この皮膚部１４の硬度は、ショア硬さＡ（Ｓｈｏｒｅ Ａ）で５〜２０となるように設定されている。

骨芯部１１は、例えば直径１〜２ｍｍの丸断面棒状に形成され、複数の骨部１２は、それぞれ人体の手部を構成する骨に対応して設けられている。すなわち、骨部１２は、第１〜第５指の指骨をそれぞれ構成する末節骨、中節骨、基節骨と、第１〜第５中手骨と、手根骨を構成する舟状骨、大菱形骨、小菱形骨、月状骨、三角骨、豆状骨、有鈎骨、有頭骨とに応じた数や形状などで形成されている。なお、手根骨については、一つの部材により構成されていてもよい。

また、これら骨部１２は、関節部１３における変位方向側の骨端縁部１２ａが、各骨部１２が変位自在となるようにテーパ状に切り欠かれて構成されている。複数の関節部１３は、例えばシュリンクチューブ（収縮チューブ）からなり、各骨部１２の骨端を覆った状態で収縮させることにより、これらを変位自在に接続する。そして、骨格部１５の最大曲げ強度は、１７〜２３［ｋｇ／ｍｍ^２］となるように設定されている。

一方、皮膚部１４は、その厚さが１〜２０ｍｍとなるように骨格部１５の外周を覆って形成され、この厚みは、例えば成人男性用、成人女性用、６歳児用、３歳児用等の種別によってそれぞれ異なるように設定されていてもよい。このように構成された人体ダミー手部１０は、人体ダミーや試験装置に取付固定するためのジョイント部（図示せず）を手根骨に相当する骨部１２の基端側に備えている。

ここで、人体ダミー手部１０を構成する各部の具体的な材料としては、例えば骨芯部１１を構成する金属系材料については炭素鋼、合成樹脂系材料についてはグラスファイバー樹脂、骨部１２を構成するアクリル系材料については硬質アクリル、関節部１３を構成する合成樹脂系材料については熱可塑性合成樹脂、皮膚部１４を構成するシリコン系材料については軟質シリコンなどを採用することが好適である。これらの材料を採用することにより、より人体に近似した物性を示す人体ダミー手部１０を実現することができる。

さらに、本実施形態にかかる人体ダミー手部１０では、破壊荷重等を加える際に皮膚部１４の損傷具合が人皮と同じ様相を呈するようにするために、皮膚部１４を構成するシリコン系材料に対して、非粘着性粒子を混入することが行われている。具体的には、本実施形態にかかる皮膚部１４を構成するシリコン系材料は、シリコンおよび非粘着性粒子を混合することで構成されており、シリコンの体積をα、非粘着性粒子の体積をβとしたときに、α：β＝１００：０．１からなる比例式を満たす混合比率にて構成されている。また、必要に応じてこれらとともに硬化剤が混合されてもよい。この場合の硬化剤の混合比率は、０．５重量％である。

このような皮膚部１４を構成するシリコン系材料の混合比率については、発明者の非常な努力によって得られた知見であり、上記混合比率によって形成された皮膚部１４を有する人体ダミー手部１０については、裂傷が発生した際に人体の手部の皮膚と非常に似通った様相を示すことが確認されている。

また、破壊荷重や衝撃を加える際に骨格部１５の損傷具合が人体の手部における骨や関節と同じ様相を呈するようにするために、骨格部１５を構成する骨部１２をアクリル系材料により構成し、関節部１３をシュリンクチューブにより構成して各骨部１２を変位可能に接続している。

このような骨格部１５の構成も発明者の非常な努力によって得られた知見であり、上記構成で形成された骨格部１５を有する人体ダミー手部１０については、損傷が発生した際に人体の手部の骨や関節と非常に似通った様相を示すことが確認されている。

なお、人体ダミー手部１０の皮膚部１４において非粘着性粒子がシリコン系材料に混入されるのは、シリコン系材料に対して非粘着性粒子を混入することで、この非粘着性粒子が破壊荷重や衝撃を加えた際の破壊の起点となり、ちょうど人皮と同程度の損傷状態を得ることができるからである。ちなみに、シリコン系材料単独では、材料自体の結合力が強すぎるので、人皮と同じ様相を呈することができなくなってしまうことは発明者の実験によって確認されている。

また、非粘着性粒子に採用することができる具体的な部材としては、ナイロン繊維、砂またはセラミック粉など、破壊荷重や衝撃が加わった際にシリコン系材料の破壊の起点となるものであれば、どのようなものでも採用することができる。特に、人毛を１〜２ｍｍ長にカットしたのと同程度の形状の非粘着性粒子を採用した場合には、人皮が裂けたり割れたりする場合の様相と非常に似通った状態を得られることが確認されており、好適な材料である。

ここで、非粘着性粒子を混入したシリコン系材料からなる皮膚部１４の製造方法について簡単に説明する。まず、皮膚部１４の構成材料であるシリコンおよび非粘着性粒子を正確に計量する。ここでの材料の計量は、発明者の努力によって得られた混合比率に基づき行われる。例えば、シリコンの体積をαとし、非粘着性粒子の体積をβとしたときに、α：β＝１００：０．１からなる比例式が成り立つように正確に行われる。

次に、材料の攪拌および脱泡を実施し、図４に示すような人体の手部が型取られた型５０（下型のみ図示）に人体ダミー手部１０の骨格部１５をセットしてから、この型５０に材料を注入して８〜２４時間後に型５０から取り出す。なお、脱泡時間は１０〜３０分間である。最後に、成形された皮膚部１４に気泡が混入していないか、全体の形状は正常であるか等が確認され、バリなどを除去して仕上げ工程が施される。このようにして、本実施形態にかかる人体ダミー手部１０の皮膚部１４が形成される。

なお、このようにして形成された本実施形態にかかる人体ダミー手部１０の皮膚部１４については、例えば２〜２５［ＭＰａ］の引張り強度及び２〜２０［ｋＮ／ｍ］の引裂き強度を有することが可能となっている。この引張り（損傷）強度については、例えば成人の手部における指の引張り強度の平均値が４．９〜２４．５［ＭＰａ］である。

また、年齢別の人皮の引張り強度を調べると、３ヶ月〜６歳の子供の指が５〜１５［ＭＰａ］の引張り強度を示し、１５歳〜５０歳の青年から大人の指が１５〜１７［ＭＰａ］の引張り強度を示すことが知られている。したがって、本実施形態にかかる人体ダミー手部１０によれば、あらゆる年齢層の人体の手部の引張り強度を網羅した試験が可能となるので、この試験結果を利用することであらゆる年齢層を想定したより一層の安全性向上に寄与することが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に記載の範囲に限定されない。すなわち、上記実施形態には、多様な変更または改良を加えることが可能である。例えば、人体ダミー手部１０の寸法や重量等については、評価対象が子供であるか大人であるか等に応じて任意のサイズを採用することができる。

具体的には、例えば成人男性の手部を想定した場合は、図１に示すように、人体ダミー手部１０の長さをａおよび幅をｂとし、重さをｃとしたときに、長さａを１８０±３０ｍｍとし、幅ｂを９０±３０ｍｍとして、重さｃを５７０±５０ｇとする。また、成人女性や６歳児の手部を想定した場合は、長さａを１６５±３５ｍｍとし、幅ｂを７５±２５ｍｍとして、重さｃを２８０±５０ｇとする。さらに、３歳児の手部を想定した場合は、長さａを１００±１５ｍｍとし、幅ｂを５０±１５ｍｍとして、重さｃを１３０±３０ｇとする。

その他、人体ダミー手部１０の特性は、例えば成人男性、成人女性／６歳児、３歳児等のそれぞれについて、国際規格やＥＵ規格、ＣＦＲ（米国連邦法規総覧），Ｔｉｔｌｅ４９，Ｐａｒｔ５７２等に準じて設定され、皮膚部１４の引張り強度についても、評価対象の相違により任意に選択することができる。

これらの要素の選択や設定は、例えば以下の表１〜表６に示すような人体に関するデータに基づき行われればよく、上述したような変更や改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることは、特許請求の範囲の記載からも明らかである。なお、上述した人体ダミー手部１０は、介護支援用ロボットなどの人間と関わり合いのある産業機器全般の評価用として特に有用である。

１０ 人体ダミー手部
１１ 骨芯部
１２ 骨部
１２ａ 骨端縁部
１３ 関節部
１４ 皮膚部
１５ 骨格部
５０ 型

Claims (6)

1. 金属系材料または合成樹脂系材料からなり可撓性を有する棒状の骨芯部、前記骨芯部の外周を軸方向に沿って覆うアクリル系材料からなる複数の骨部、および前記複数の骨部における対向配置された骨端を覆いながら各骨部を変位可能に接続する合成樹脂系材料からなる複数の関節部を有する骨格部と、
   前記骨格部の外周を覆うシリコン系材料からなる皮膚部とを備えることを特徴とする人体ダミー手部。
2. 前記皮膚部を構成する前記シリコン系材料には、非粘着性粒子が混入されていることを特徴とする請求項１記載の人体ダミー手部。
3. 前記非粘着性粒子は、ナイロン繊維、砂またはセラミック粉であることを特徴とする請求項２記載の人体ダミー手部。
4. 前記シリコン系材料は、シリコンおよび非粘着性粒子を、シリコンの体積をα、非粘着性粒子の体積をβとしたときに、α：β＝１００：０．１からなる比例式を満たす混合比率にて混合して構成されていることを特徴とする請求項２または３記載の人体ダミー手部。
5. 前記複数の骨部は、前記関節部における変位方向側の骨端縁部がテーパ状に切り欠かれていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の人体ダミー手部。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載の人体ダミー手部において、前記皮膚部は、２〜２５［ＭＰａ］の引張り強度及び２〜２０［ｋＮ／ｍ］の引裂き強度を有して構成されていることを特徴とする人体ダミー手部。

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