一种反映驾驶员肌肉动态特性的碰撞假人模型设计方法

摘要

为解决现有碰撞假人模型无法反应真实驾驶员在碰撞发生时肌肉动态力学特性、生物仿，真性不高的问题，本发明公开了一种反映驾驶员肌肉动态特性的碰撞假人模型设计方法，其以目前通用的碰撞假人模型作为基础假人模型，该方法包括以下步骤：1、采集肌肉信号：再现碰撞现场，使驾驶员产生一定的生理反应，并实现不同车速下的肌肉信号的采集；2、设计假人模型肌肉动态特性：对假人模型中的肌肉静态特性进行设计，并根据步骤1采集到的肌肉信号，通过回归分析得出肌肉信号基于车速变化的关系曲线，计算出驾驶员在一定车速下的肌肉动态力学特性，进而对假人模型的肌肉动态特性进行设计；3、输出碰撞参数，并对假人模型的生物仿真度进行评定。

说明书

技术领域

本发明属于汽车碰撞安全领域，具体涉及一种反映驾驶员肌肉动态特性的碰撞假人模型 设计方法。

背景技术

伴随着汽车工业的高速发展，汽车安全性已逐渐成为最重要的评价汽车性能的指标之一， 尤其是车辆乘员碰撞安全保护技术已成为国内外汽车市场的产品核心竞争技术和市场达标准 入技术。

在碰撞过程中，驾驶员会产生一定的生理变化现象，如肌肉绷紧等，但是目前在汽车的 设计过程中，针对碰撞安全性设计，仍使用过去一直通用的肌肉松弛的假人模型，这种基于 假人运动和承压建立的乘员损害评价准则，使得汽车结构只能保护生物仿真性不高的假人模 型，并不能全面客观地评价碰撞发生时真实驾驶员的肌肉损伤等情况，更无法为汽车结构提 供更为准确的乘员保护设计依据，因此，现在经常会出现标称碰撞安全性能较高的汽车在实 际碰撞过程中却不能很好地保护驾驶员的情况。

而国际现有假人模型多是从生物医学角度建立的静态人体模型，缺乏在碰撞发生瞬时对 真实乘员的肌肉收缩紧张反应，开展汽车乘员在碰撞发生时生理变化及其对人体损伤影响的 研究。以国际上主流的Hybrid III型假人模型为例，其以人体的基本参数为基础设计而成， 具有拟人的基本结构，如刚性骨骼、软组织皮肤等，具有一定的生物仿真度，但在该假人模 型的设计中缺少对反映人体肌肉的特性的模拟，如该假人模型的假人头部，其由一个似人的 铸铝头盖骨和一块具有乙烯树脂皮肤的头盖骨构成的，头盖骨盖可取下来，头部装1个3轴 向加速度传感器,利用传感器测得的加速度值进行积分来得到头部伤害HIC值，而在对应的 Hybrid III型假人的有限元模型中，头部也同样是装有1个3轴向加速度传感器，对传感器 测得的加速度值进行处理来得到头部伤害HIC值，这种简化的设计使得现有基于碰撞假人的 碰撞模拟方法无法准确描述真实人类在实际交通事故中的心理和生理的动态变化和碰撞伤 害。

为此，需要从生物力学、人类医学损伤机理与车辆乘员碰撞安全保护等角度出发，探索 在碰撞环境下车辆乘员的由于肌肉产生力的变化而引起的生理损伤机理和数字化建模方法， 综合运用人类生理信号捕捉等测试设备、有限元建模和统计学习中支持向量机等技术手段， 采集并提取在若干典型工况下不同类型乘员的生物电信息，建立一个考虑车辆碰撞时人体肌 肉生理变化的高仿生度数字化人体模型，并形成一套全新的包括肌肉扯裂的生物损伤的车辆 乘员损伤评价准则。而针对于真实驾驶员在碰撞发生时产生的生理特性，要设计出反映此类 生理特性的假人，必须先要提供一种能够反映真实驾驶员在碰撞发生时肌肉动态力学特性的 假人模型设计方法，来进行假人模型的设计。

Hybrid III型假人模型是现有正面碰撞试验中最常用的一种假人模型，以人体的基本参 数为基础设计得到，具有拟人的基本结构，如刚性骨骼、软组织皮肤等，具有一定的生物仿 真度，但该基础假人模型缺少反映人体肌肉的特性。本发明的设计方法主要针对现有假人模 型设计上存在的问题，对基础假人模型进行设计，设计出反映驾驶员肌肉动态特性的碰撞试 验用假人模型。

发明内容

为了解决现有碰撞假人模型无法反应真实驾驶员在碰撞发生时的肌肉动态力学特性，使 得现有基于碰撞假人的碰撞模拟方法无法准确描述真实人类在实际交通事故中的心理和生理 的动态变化和碰撞伤害的问题，本发明提供一种反映驾驶员肌肉动态特性的碰撞假人模型设 计方法，该方法以目前通用的碰撞假人模型作为基础假人模型，对其进行肌肉动态特性的设 计，设计方法简单，且利用该方法能够设计出反映真实驾驶员在碰撞发生时肌肉动态特性的 碰撞试验用假人模型，提高碰撞假人模型的生物仿真性，进一步提高汽车的碰撞安全性能。

本发明的主要目的是通过以下技术方案实现的：

一种反映驾驶员肌肉动态特性的碰撞假人模型设计方法，包括以下步骤：1、采集肌肉信 号：再现碰撞现场，使驾驶员产生一定的生理反应，并实现不同车速下的肌肉信号的采集；2、 设计假人模型肌肉动态特性：对假人模型中的肌肉静态力学特性进行设计，并根据步骤1采 集到的肌肉信号，通过回归分析得出肌肉信号基于车速变化的关系曲线，计算出驾驶员在一 定车速下的肌肉动态力学特性，进而对假人模型的肌肉动态特性进行设计；3、输出碰撞参数： 利用通过步骤1和步骤2得到的假人模型进行碰撞试验，输出及显示碰撞过程中假人模型的 碰撞参数，并对假人模型的生物仿真度进行评定。

根据本发明提供的一种反映驾驶员肌肉动态特性的碰撞假人模型设计方法，步骤1具体 包括以下步骤：(1)再现碰撞现场：要求驾驶员以恒定的车速通过一个限宽门，限宽门上安 装有可垂直下落的泡沫板，由随机信号发生器控制安装在限宽门上的触发器，使泡沫板产生 随机下落，泡沫板下落时，驾驶员将驾驶汽车在提前不知情的情况下与泡沫板相撞，使驾驶 员产生与真实碰撞工况下相同的生理反应；(2)采集多工况下的肌肉信号：当驾驶员在步骤 (1)中撞碎并穿越泡沫板瞬间，驾驶员产生瞬间紧张，引起驾驶员肌肉信号的变化，分别采 集驾驶员在不同车速下碰撞时产生的不同程度的肌肉信号。

根据本发明提供的一种反映驾驶员肌肉动态特性的碰撞假人模型设计方法，步骤2具体 包括以下步骤：(1)计算肌肉动态特性：根据步骤1所采集到的不同车速下的肌肉信号，通 过回归分析，得到肌肉信号基于车速的变化的关系曲线，然后计算得到驾驶员在一定车速下 发生碰撞时，由于生理反应产生的肌肉动态力学特性；(2)设计假人模型肌肉静态力学特性： 根据基于生物力学测试得到的肌肉结构、材料、属性，对基础假人模型进行静态肌肉线条的 添加；(3)设计假人模型肌肉动态力学特性：根据通过步骤(1)回归分析及计算得到的肌肉 动态力学特性，对假人模型中的静态肌肉线条进行动态力学特性设计，使得基础假人模型得 到肌肉动态力学特性，形成一个反映真实驾驶员在碰撞发生时的肌肉动态特性的假人模型。

根据本发明提供的一种反映驾驶员肌肉动态特性的碰撞假人模型设计方法，步骤3具体 包括以下步骤：(1)输出碰撞参数：利用通过步骤1和步骤2得到的假人模型进行碰撞试验， 以时间为单位，以表格或曲线的形式对假人模型在碰撞过程中的碰撞参数进行输出；(2)对 假人模型的生物仿真度进行评定：将步骤(1)输出的假人模型的碰撞参数、肌肉动态特性与 对应车速下真实驾驶员的碰撞参数、肌肉动态特性进行对比，评定假人模型的生物仿真度。

与现有技术相比较，本发明提供的一种反映驾驶员肌肉动态特性的碰撞假人模型设计方 法具有以下有益效果：

1.本设计方法中再现了碰撞现场，使驾驶员产生面对真实碰撞发生时的本能性肌肉紧张 收缩的生理反应，实现多工况下的肌肉信号的采集，采集的信号更加真实、准确；

2.本设计方法中对碰撞现场的再现，在能够反映使驾驶员产生面对真实碰撞发生时的本 能性肌肉收缩紧张的生理反应的同时，能够确保驾驶员的人身安全；

3.本方法基于采集的数据进行回归分析及计算，对假人模型进行静态肌肉线条的设计及 肌肉动态力学特性的设计，使设计出的假人模型更符合真实驾驶员的肌肉特性，大大提高假 人模型的生物仿真性。

本发明提供的一种反映驾驶员肌肉动态特性的碰撞假人模型设计方法与现有技术相比， 可以实现碰撞现场的再现，由于碰撞现场再现时碰撞工况发生的不确定性，使驾驶员产生面 对碰撞发生时的真实的生理反应，并能对表征生理反应的生理信号进行很好地测量和记录， 精度高、可靠性高，同时很好地保护了驾驶员，安全性高；可以实现驾驶员肌肉动态力学特 性的拟合，得到肌肉信号基于车速的变化的曲线，并对一定速度下的肌肉动态特性进行准确 的计算；可以实现假人模型中的肌肉的静态与动态力学设计，提高假人模型的准确度及生物 仿真度。此外，本发明具有完善的数据采集、回归分析、模型设计、碰撞仿真等理论支持， 与传统假人模型设计结果相比，具有更高的生物仿真度。

通过本发明提供的一种反映驾驶员肌肉动态特性的碰撞假人模型设计方法设计出的碰撞 假人模型，将能够更为全面准确地分析和评价车辆乘员碰撞损伤机理和伤害程度，提升我国 汽车行业被动安全性研究技术水平和汽车产品被动安全性能，为我国车辆碰撞安全标准法规 的建立和完善提供客观科学的理论依据，也将为我国抢占未来国际汽车安全性研究的技术制 高点提供有力的技术支撑。

附图说明

图1反映驾驶员肌肉动态特性的碰撞假人模型设计方法框图

图2反映驾驶员肌肉动态特性的碰撞假人模型设计方法程序流程图

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

本实施例中将Hybrid III型假人模型作为基础假人模型，Hybrid III型假人模型是现 有车辆正面碰撞试验中最常用的一种假人模型，其具有拟人的基本结构，如刚性骨骼、软组 织皮肤等，具有一定的生物仿真度，本发明的设计方法是在此基础假人模型的基础上实施的。

现将以颈部前端两条对称的胸锁乳突肌为例，对本发明的技术方案进行详细说明：

一种反映驾驶员肌肉动态特性的碰撞假人模型设计方法，如图1所示为设计方法框图， 其包括以下步骤：

1、采集肌肉信号：再现碰撞现场，使驾驶员产生一定的生理反应，并实现多工况下的肌 肉信号的采集；

(1)再现碰撞现场：要求驾驶员以恒定的车速通过一个限宽门，限宽门上方安装有可垂 直下落的泡沫板，但是否下落是随机的，通过装在限宽门上的触发器由随机信号发生器通过 电路进行控制，驾驶员在驾驶过程中并不知情。若下落，驾驶员将驾驶汽车面临与泡沫板相 撞的情况，使驾驶员产生与真实碰撞工况下相同的生理反应，并由于泡沫板可撞碎，并不影 响驾驶员的安全，能够实现碰撞现场的再现；

(2)采集多工况下的肌肉信号：在上述碰撞现场中，由于泡沫板是否下落是未知的，面 对突然下落的泡沫板，驾驶员由于碰撞发生时的紧张或撞碎并穿越泡沫板时的瞬时紧张，将 产生本能的生理反应，胸锁乳突肌绑紧，肌肉信号发生变化，产生收缩作用力，影响驾驶员 颈部的运动，此时，通过粘贴在胸锁乳突肌上的电极片，使用肌电仪、生理记录仪等生理信 号采集设备对驾驶员的胸锁乳突肌上的肌肉信号进行采集，从而得到不同工况下的胸锁乳突 肌的动态力学特性。在此过程中，由于泡沫板可以撞碎，保证了驾驶员的安全。因此，可以 以此时刻的胸锁乳突肌的动态力学特性作为设计假人模型肌肉动态特性时的输入参数与标定 参数。

2、设计假人模型肌肉动态特性：对假人模型中的肌肉静态特性进行设计，并根据步骤1 采集到的肌肉信号，通过回归分析得出肌肉信号基于车速的变化的关系曲线，计算出驾驶员 在一定速度下的肌肉动态力学特性，进而对假人模型的肌肉动态特性进行设计；

(1)计算肌肉动态特性：根据步骤1所采集到的多工况下即不同速度下的肌肉信号，使 用回归分析对不同工况下即不同车速下的胸锁乳突肌动态特性进行分析计算，得到肌肉信号 基于车速的变化的关系曲线，此例中，y=0.0004x3-0.079x2+5.3897x-59.487,x表 示车速，y表示此速度下的肌肉信号，并根据以上关系曲线计算得到驾驶员在一定速度下发 生碰撞时，由于紧张等生理反应而产生的胸锁乳突肌动态力学特性。

(2)设计假人模型肌肉静态力学特性：即对假人模型进行肌肉线条的设计，对胸锁乳突 肌进行静态力学特性设计，根据基于生物力学测试得到的具有高生物仿真度的肌肉结构、材 料、属性，将静态肌肉线条添加到基础假人模型中，得到一个具有肌肉静态力学特性的假人 模型。

(3)设计假人模型肌肉动态力学特性：根据步骤(1)、(2)中回归分析及计算得到的关 于胸锁乳突肌的动态力学特性，对肌肉线条进行动态力学特性设计，使得基础假人模型得到 肌肉动态力学特性，形成一个反映真实驾驶员在碰撞发生时的肌肉动态特性的假人模型；此 外，针对不符合碰撞参数要求的肌肉动态特性，进行静态及动态力学特性的优化设计或重新 设计。

3、输出碰撞参数：利用通过步骤1和步骤2得到的假人模型进行碰撞试验，输出及显示 碰撞过程中假人模型的碰撞参数，并对假人模型的生物仿真度进行评定；

(1)输出及显示碰撞过程中假人模型碰撞参数：利用通过步骤1和步骤2得到的假人模 型进行碰撞试验，以时间为单位，以表格或曲线的形式对碰撞过程中假人模型的所受的力、 加速度等碰撞参数进行输出；。

(2)对假人模型的生物仿真度进行评定：将步骤(1)输出的假人模型的碰撞参数、肌 肉动态特性与通过步骤1采集到的对应速度下的真实驾驶员的碰撞参数、肌肉动态特性进行 对比，评定设计的假人模型的生物仿真度：

A、若设计的假人模型的生物仿真度满足要求，则输出胸锁乳突肌的肌肉动态特性，及具 有胸锁乳突肌动态特性的假人模型。

B、若设计的假人模型的生物仿真度不满足要求，则返回步骤2进行胸锁乳突肌的肌肉线 条的优化设计或重新设计，并重复以上操作。

以上实施例中以Hybrid III型假人模型作为基础假人模型，但本发明提供的设计方法不 局限于应用Hybrid III型假人模型作为基础假人模型，也适用于以其他通用的碰撞假人模型 为基础假人模型的情况。

以上实施例仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。除上述 实施例外，本发明还可以有其它实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均 落在本发明所要求保护的范围之内。