JP2012202707A

JP2012202707A - ダミー計測装置

Info

Publication number: JP2012202707A
Application number: JP2011064799A
Authority: JP
Inventors: Yoshikatsu Kisanuki; 義勝木佐貫
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2012-10-22
Anticipated expiration: 2031-03-23
Also published as: JP5637030B2

Abstract

【課題】ダミー構造の生体一致度を向上させ、局部的な変形も含む高精度な計測を行う。
【解決手段】ダミー計測装置１０を、人体の内臓器、及び人体の各部位に対応する骨格毎の人体部位モデルで構成し、各人体部位モデルに複数の微細センサ２０を配設する。微細センサ２０は、人体部位モデルに外力が作用した際の歪、変位、回転角、圧力等を計測可能なセンサである。微細センサ２０は信号線２４で接続されたセンサ列を複数配列したセンサ群を構成し、センサ群は、肝臓モデル１４の場合、外皮１４ａ表面及び内臓器本体１４ｂの各々に配設し、３次元的な配置とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、ダミー計測装置に係り、特に、車両開発時の衝突実験用に用いられる乗員または歩行者のダミーであって、ダミーに作用する外力物理量を計測するためのセンサ構造に特徴を有するダミー計測装置に関する。

車両衝突時において、エアバックやシートベルトなどの保護装置による拘束によって、乗員または歩行者に対する衝撃が緩和され、被害の軽減が図られている。これらの保護装置による拘束力は、人体被害が最小化されるように調整されている。しかしながら、人体が軟組織構造を含むことや立体構造であること、年齢、性別などによって耐性が異なることなどから、個々人の耐性に対応する保護装置の保護性能をさらに向上させることが必要とされている。

従来、車両衝突実験に用いられるダミー人形の内臓構造は、複数の臓器を概略的に一体化した構造となっている。また、衝突時の乗員拘束によって内臓器に生じる変形量を計測する計測装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の計測装置では、内臓器の変形を模擬する内臓器材前面に複数のゲージを配した薄板構造の計測用センサを配置し、内臓器に衝突外力が作用した際に計測用センサと内臓器材とが一体となって変形する際の変形量を計測し、外力と変形量との関係から被害程度の検討を行っている。

特開平８−１２２００９号公報

しかしながら、特許文献１の計測装置は、内臓器材前面に計測用センサを配設することから、内臓器変形が大きくなるに従ってセンサ計測位置と内臓器材計測表面位置とのずれが大きくなり、高精度な計測が困難である、という問題がある。また、計測センサが内臓器材表面に対して大きく、内臓器材の局部的な変形が計測できない、という問題もある。また、センサ構造における制約から局部的な変形が計測できないため、内臓器材も人体臓器とは異なった構造となっており、ダミー構造の生体一致度の向上の支障になっている、という問題がある。

本発明は、上記問題を解決するために成されたもので、ダミー構造の生体一致度を向上させ、局部的な変形も含む高精度な計測を行うことができるダミー計測装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のダミー計測装置は、人体の内臓器、及び人体の各部位に対応する骨格を模擬した複数の人体部位モデルと、前記人体部位モデルに加わる外力を計測するためのセンサ群であって、所定間隔隔てて配列されたセンサ列を複数配列し、前記人体部位モデルの表面及び内部に配置されたセンサ群と、を含んで構成されている。

本発明のダミー計測装置によれば、所定間隔隔てて配列されたセンサ列を複数配列し、人体の内臓器、及び人体の各部位に対応する骨格を模擬した人体部位モデルの表面及び内部に配置されたセンサ群が、人体部位モデルに加わる外力を計測する。

このように、ダミー計測装置を、内臓器及び骨格毎に模擬した複数の人体部位モデルで構成し、かつセンサ群を人体部位モデルに３次元的に配置することで、ダミー構造の生体一致度を向上させ、局部的な変形も含む高精度な計測を行うことができる。

また、前記人体部位モデルが、人体の内臓器を模擬した内臓器モデルの場合には、該内臓器モデルを、内臓器本体及び該内臓器を被覆する外皮の２層構造とし、前記人体部位モデルが、人体の各部位に対応する骨格を模擬した骨モデルの場合には、該骨モデルを、内部を空洞とする外皮で構成し、前記センサ群を、前記内臓器本体または前記内部、及び前記外皮表面の各々に配置することができる。これにより、様々な受傷状況を把握することができる。

また、前記内臓器本体または前記内部、及び前記外皮表面に配置される前記センサ群の種類を異ならせることができる。例えば、外皮表面には、人体部位モデル表面のねじれを容易に検出可能なセンサを用い、内臓器本体または内部には、加わる圧力を高精度に検出可能なセンサを用いるなど、柔軟にセンサ群の設計を行うことができる。

また、本発明のダミー計測装置は、前記センサ群による外力の計測、及び計測した計測値の送受信の制御を行う制御手段と、前記センサ群及び前記制御手段に給電する給電手段と、を含んで構成することができ、前記制御手段及び前記給電手段を、前記センサ群と共に、前記内臓器本体または前記内部に配置することができる。これにより、制御手段及び給電手段への外力の影響を緩和することができる。

また、前記センサ群を構成する各センサを、前記人体部位モデルに加わる外力により生じる歪、変位、及び回転角の少なくとも１つを検出するための慣性センサ、及び前記人体部位モデルに加わる圧力を検出するための圧力センサの少なくとも一方とすることができる。

以上説明したように、本発明のダミー計測装置によれば、内臓器及び骨格毎に模擬した複数の人体部位モデルで構成し、かつセンサ群を人体部位モデルに３次元的に配置することで、ダミー構造の生体一致度を向上させ、局部的な変形も含む高精度な計測を行うことができる、という効果が得られる。

本実施の形態のダミー計測装置を示す外観図である。本実施の形態のダミー計測装置の上半身部分の内部構造を示す概略図である。（ａ）微細センサの一例である慣性センサ、及び（ｂ）圧力センサを示す図である。肝臓モデルの構成、及び微細センサの配設を説明するための図である。肝臓モデルの構成、及び微細センサの配設の他の例を説明するための図である。（ａ）微細センサを配設した肝臓モデル、及び（ｂ）骨モデルの外観を示す概略図である。センサ部の電気的構成を示す概略ブロック図である。センサ部を配設した肝臓モデルの概略を示す断面図である。センサ部を配設した骨モデルの概略を示す断面図である。本実施の形態のダミー計測装置において実行される計測処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。肝臓モデルの外皮表面に配設された微細センサの一部の配列を示す図である。センサ信号の時間履歴の一例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

図１に示すように、本実施の形態のダミー計測装置１０は、人体構造を模して構成されている。図２に、ダミー計測装置１０の上半身部分の内部構造を示す。ダミー計測装置１０の内部に収納される内臓を模擬した内臓器モデルは、例えば、肺モデル１２、肝臓モデル１４、腸モデル１６のように臓器毎に構成されている。また、内臓器だけでなく、骨格についても人体各部に対応した骨モデルとして構成されている。なお、内臓器モデル及び骨モデルを人体部位モデルとも称する。

次に、各人体部位モデルに配設されるセンサ構造について説明する。各人体部位モデルに配設されるセンサ構造は同様であるため、ここでは、内臓器モデルである肝臓モデル１４を例に説明する。

衝突時に生じる肝臓損傷としては、肝臓の表面及び内部で生じる損傷と、表面から内部に連続して生じる損傷とがある。これらの損傷の受傷状況を明確にするためには、肝臓モデル１４表面と、肝臓モデル１４内部にセンサを配設する必要がある。また、肝臓は実質臓器であるが、外力の作用によってその形状が大きく変形することが知られている。このため、本実施の形態で用いられるセンサとしては、歪、変位、回転角、圧力等を計測可能な微細センサ２０を用いる。

歪、変位、回転角の計測を行う際の微細センサ２０としては、図３（ａ）に示すような外力作用時の慣性質量による力を検出する公知のセンサを用いることができる。例えば、ＭＥＭＳ技術を利用したセンサであり、特許文献１で使用したセンサ形状が数ミリ程度であるのに対して、その１／１０程度の大きさで構成することができる。また、圧力を検出する微細センサ２０としては、同図（ｂ）に示すような圧力によって変形するダイアフラムの変形量を検出する公知のセンサを用いることができる。これらの微細センサ２０を、肝臓モデル１４の外皮及び内部に、並列に配置したり、重ねて配置したりすることにより、複数配設する。

具体的には、図４に示すように、肝臓モデル１４を、内臓器本体１４ｂと、内臓器本体１４ｂを被覆する外皮１４ａとの２層構造で構成し、外皮１４ａ及び内臓器本体１４ｂの各々に微細センサ２０を配設する。配線で接続された複数の微細センサ２０によるセンサ列を複数配列してセンサ群を構成し、センサ群を外皮１４ａ及び内臓器本体１４ｂの各々に配設することで、微細センサ２０を３次元的に配設する。外皮１４ａ及び内臓器本体１４ｂの材質は、シリコンやゴム等とすることがでる。肝臓モデル１４への微細モデル２０の配設方法は、配線で接続されたセンサ群を外皮１４ａ表面及び内臓器本体１４ｂの枠組み内に吊るした状態でシリコンやゴムを注入して固定する。

また、図５に示すように、肝臓モデル１４を、外皮モデル１４ｃと、外皮モデル１４ｃの凹部１４ｅに接合する形状に形成された接合部材１４ｄとにより構成し、外皮モデル１４ｃ及び接合部材１４ｄ各々の表面に微細センサ２０を接着した上で、外皮モデル１４ｃと接合部材１４ｄとを接合して一体化した肝臓モデル１４を構成するようにしてもよい。この構成の場合、微細センサ２０の取り替えが可能である。

また、微細センサ２０を配設した外皮１４ａまたは外皮モデル１４ｃ表面には、外力が作用した際に微細センサ２０を保護するための保護層を設けてもよい。図６（ａ）に、外皮１４ａ表面に微細センサ２０を配設した肝臓モデル１４の一例、及び同図（ｂ）に、骨モデルの一例を示す。骨モデル１８は、内部に空洞１８ｂを有する外皮１８ａで構成されている。

外力が作用した際の受傷状況は、臓器によって異なるため、外力が作用した際の臓器の変形度合い等に応じて、臓器モデル毎に感度等の種類が異なる微細センサ２０を用いることができる。また、外力が作用した際の臓器の受傷状況を考慮して、２層構造とした臓器モデルの外皮１４ａ（外皮モデル１４ｃ）と内臓器本体１４ｂ（接合部材１４ｄ）とでセンサを使い分けたり、微細センサ２０の配置の粗密を、臓器の部位よって異ならせたりすることができる。

微細センサ２０は、図７に示すように、基盤部２０ａ上に配置され、微細センサ２０表面をシリコン膜２０ｂで被覆されている。この微細センサ２０を含むセンサ部２２は、微細センサ２０各々を接続し、微細センサ２０で検出されたセンサ値を伝送するための信号線２４、各微細センサ２０を制御する制御部２６、及びセンサ部２２全体に電力を給電するための給電部２８を含んで構成されている。

制御部２６は、ＣＰＵ、後述する計測処理ルーチンを実行するためのプログラムが記憶されたＲＯＭ、一時記憶領域としてのＲＡＭ、検出されたセンサ信号を記憶するためのメモリ等を含むマイクロコンピュータで構成することができ、微細センサ２０により検出されたセンサ信号を、例えばアンテナ等を介してパーソナルコンピュータ等の外部装置３０へ出力する通信部としての機能も有する。通信部は、電波や光を用いて無線通信を行うものである。

給電部２８は、外部の電力供給源３２から電力を充電するための充電ケーブルを接続するための給電口２８ａが設けられている。図８に、センサ部２２を配設した肝臓モデル１４の概略断面図を示す。また、図９に、センサ部２２を配設した骨モデル１８の概略断面図を示す。このように、制御部２６及び給電部２８を含むセンサ部２２全体を人体部位モデル内に配設することにより、人体部位モデルに外力が作用した際に制御部２６及び給電部２８に加わる衝撃を緩和することができる。

次に、本実施の形態のダミー計測装置１０の作用について説明する。

各人体部位モデルに配設されたセンサ部２２の給電部２８を充電し、各人体部位モデルをダミー人形内部の所定位置に収納する。給電部２８から制御部２６へ通電が行われると、図１０に示す計測処理ルーチンが、制御部２６によって実行される。

まず、ステップ１００で、制御部２６内の初期化回路によって、制御部２６を制御するためのプログラムの初期化が行われる。次に、ステップ１０２で、通信部から外部装置３０に対して、初期化が完了したことを示す初期化完了信号ＳＲを送信する。

次に、ステップ１０４で、各微細センサ２０からのセンサ信号Ｓｉｇを順次検出し、微細センサ２０から所定の信号レベルＳＳが出力されているか否かを確認する。次に、ステップ１０６で、上記ステップ１０４の確認結果に基づいて、微細センサ２０に異常があるか否かを判定する。異常がない場合には、ステップ１０８へ移行して、通信部から外部装置３０に対して、微細センサ２０が正常であることを示す正常信号ＳＯＫを送信する。一方、異常を示す微細２０センサが存在する場合には、ステップ１１０へ移行して、異常があることを示す異常信号ＳＥＲ、及び異常センサの番号を送信する。なお、異常センサの番号は、シーケンシャルにセンサ信号Ｓｉｇを確認することにより、異常が検出された検出順位に基づいて特定することができる。

次に、ステップ１１２で、外部装置３０から送信される計測開始信号ＳＭＳの受信状況を確認する。次に、ステップ１１４で、上記ステップ１１２の確認結果に基づいて、計測開始信号ＳＭＳを受信したか否かを判定する。計測開始信号ＳＭＳを受信した場合には、ステップ１１６へ移行し、受信していない場合には、ステップ１１２へ戻って、計測開始信号ＳＭＳを受信するまで待機状態となる。

ステップ１１６では、各微細センサ２０のセンサ信号Ｓｉｇを予め定めた順番に従って計測する。計測結果は、制御部２６のメモリに順次記憶される。一般に、衝突現象は、０．１〜０．２秒程度の場合が多いことから、センサ信号Ｓｉｇの計測時間間隔ＴＩは、現象時間及び微細センサ２０の配設数に基づいて、概略数十ＫＨｚから数百ＫＨｚ程度の間隔とする。

次に、ステップ１１８で、計測終了時間ＳＭＴに到達したか否かを判定する。計測終了時間ＳＭＴは、予め外部装置３０から伝送されていてもよいし、計測開始から所定時間経過後を計測終了時間ＳＭＴとして判定してもよい。計測終了時間ＳＭＴに到達した場合には、ステップ１２０へ移行し、まだ到達していない場合には、ステップ１１６へ戻って、センサ信号Ｓｉｇの計測を継続する。

ステップ１２０では、計測が完了したことを示す計測完了信号ＳＭＥを外部装置３０へ送信する。次に、ステップ１２２で、外部装置３０からデータの転送を要求するデータ転送開始信号ＤＳを受信したか否かを判定する。データ転送開始信号ＤＳを受信した場合には、ステップ１２４へ移行し、受信していない場合には、本ステップの判定を繰り返す。

ステップ１２４では、メモリに記憶されたセンサ信号Ｓｉｇを順次読み出し、外部装置３０へ転送する。次に、ステップ１２６で、センサ信号Ｓｉｇの転送が完了したか否かを判定し、完了していない場合には、ステップ１２４へ戻って、センサ信号Ｓｉｇの転送を継続する。転送が完了した場合には、ステップ１２８へ移行して、センサ信号Ｓｉｇの転送が完了したことを示すデータ転送完了信号ＤＥを送信して、処理を終了する。

次に、本実施の形態のダミー計測装置１０により計測されたセンサ信号Ｓｉｇの一例について説明する。ここでは、説明の簡単のため、図１１に示すように、肝臓モデル１４の外皮１４ａに配設された一部の微細センサ２０−Ａ〜Ｙについて説明する。

図１２（ａ）に、外力が微細センサ２０−Ａを中心に作用した場合のセンサ信号Ｓｉｇの時間履歴を示す。微細センサ２０のうち、外力が作用した微細センサ２０−Ａ近傍に配置された微細センサ２０−Ｂ〜Ｉのセンサ信号Ｓｉｇも増加する。また、図示は省略するが、外力が大きい場合には、肝臓モデル１４の内臓器本体１４ｂに配設された微細センサ２０のセンサ信号Ｓｉｇも増加する。一方、外力が斜め方向から作用する場合には、同図（ｂ）に示すように、配設された微細センサ２０のセンサ信号Ｓｉｇが外力の作用する方向に従って増大していく。さらに、外力が複数部位に分割して作用する場合には、同図（ｃ）に示すように、複数の微細センサ２０−Ｐ，Ｑ，Ｒ，Ｓ，Ｔのセンサ信号Ｓｉｇが群として増加する。また、各群に作用する外力に時間差があれば、図に示すようなセンサ信号Ｓｉｇの時間履歴に相違がみられる。一方、ねじれのような外力が作用した場合には、同図（ｄ）に示すように、斜め方向に配設された微細センサ２０のセンサ信号Ｓｉｇが順次増大する。

なお、上記のように、各微細センサ２０で歪、加速度、及び回転角等の物理量が得られることから、歪と曲率との関係から、配線された微細センサ２０の位置での変形量を求めることもできる。また、微細センサ２０が面配設されていることから、面における各軸方向の変形量を求めた後に合成することによって、面の変形状況を把握することも可能である。

以上説明したように、本実施の形態のダミー計測装置によれば、臓器毎及び骨格毎に人体部位モデルを構成し、各人体部位モデルに微細センサを３次元的に配設することで、各人体部位モデルに作用する外力の大きさの時間履歴を得ることができ、実際の人体衝突時と同様に詳細な受傷状況を再現模擬した計測データを取得することができる。また、複数の微細センサを人体部位モデルの外皮及び内部に配設することで、人体部位モデルの生体一致度が向上し、外力作用による臓器の変形状態をより詳細に計測することができる。

また、各臓器及び各骨格を個別の人体部位モデルとして構成することで、人体部位モデルを柔軟に設計することができる。例えば、内臓器モデルを構成するシリコンの硬さを変えたり、骨モデルの材質の強度を変えたりすることで、対象とする人体の年齢や性別に応じた人体部位モデルを構成することができる。これにより、年齢や性別毎の計測データを取得することができるため、例えば、高齢化に伴う耐性の低下や、性別による耐性の相違などを考慮した保護装置の検討が可能となる。

なお、上記の実施の形態では、内臓器モデルの一例として肝臓モデルを挙げて説明したが、他の内臓器モデルについても同様である。臓器の損傷だけでなく、骨折についても外力の作用によって、例えば、集中荷重に起因するもの、ねじれ荷重に起因するもの等、その形態が種々生じることが知られている。そこで、骨モデルについても、図９に示したように構成することにより、どの位置にどの程度の外力が作用したかを、微細センサのセンサ信号の時間履歴から得ることができる。これにより、従来は不明であった骨折を生じさせる荷重の作用形態が明確になり、衝突時に保護すべき状態がわかり、より精緻な保護装置の開発が可能となる。

１０ダミー計測装置
１４肝臓モデル
１４ａ肝臓モデルの外皮
１４ｂ内臓器本体
１４ｃ外皮モデル
１４ｄ接合部材
１８骨モデル
１８ａ骨モデルの外皮
２０微細センサ
２２センサ部
２４信号線
２６制御部
２８給電部

Claims

人体の内臓器、及び人体の各部位に対応する骨格を模擬した複数の人体部位モデルと、
前記人体部位モデルに加わる外力を計測するためのセンサ群であって、所定間隔隔てて配列されたセンサ列を複数配列し、前記人体部位モデルの表面及び内部に配置されたセンサ群と、
を含むダミー計測装置。
前記人体部位モデルが、人体の内臓器を模擬した内臓器モデルの場合には、該内臓器モデルを、内臓器本体及び該内臓器を被覆する外皮の２層構造とし、
前記人体部位モデルが、人体の各部位に対応する骨格を模擬した骨モデルの場合には、該骨モデルを、内部を空洞とする外皮で構成し、
前記センサ群を、前記内臓器本体または前記内部、及び前記外皮表面の各々に配置した請求項１記載のダミー計測装置。
前記内臓器本体または前記内部、及び前記外皮表面に配置される前記センサ群の種類を異ならせた請求項２記載のダミー計測装置。
前記センサ群による外力の計測、及び計測した計測値の送受信の制御を行う制御手段と、
前記センサ群及び前記制御手段に給電する給電手段と、を含み、
前記制御手段及び前記給電手段を、前記センサ群と共に、前記内臓器本体または前記内部に配置した
請求項１〜請求項３のいずれか１項記載のダミー計測装置。
前記センサ群を構成する各センサを、前記人体部位モデルに加わる外力により生じる歪、変位、及び回転角の少なくとも１つを検出するための慣性センサ、及び前記人体部位モデルに加わる圧力を検出するための圧力センサの少なくとも一方とした請求項１〜請求項４のいずれか１項記載のダミー計測装置。