一种反映驾驶员保护姿态的碰撞试验用假人模型设计方法

摘要

为了解决现有碰撞假人模型无法反映真实驾驶员在碰撞发生时肢体屈伸等保护姿态、生物仿真度不高的问题，本发明公开了一种反映驾驶员保护姿态的碰撞试验用假人模型设计方法，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、采集保护姿态：再现碰撞现场，使驾驶员产生保护姿态，并实现不同车速下保护姿态的采集；2、设计假人模型参数：通过确定驾驶员的肢体长度及关节位置，对应设计假人模型参数；3、设计假人模型保护姿态：对假人模型碰撞时的保护姿态进行设计；4、输出碰撞参数：实现在碰撞过程中假人模型肢体运动的显示，及碰撞参数的输出与显示，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保护姿态的碰撞试验用假人模 型设计方法。

背景技术

伴随着我国经济的进步和国际汽车工业的高速发展，从企业市场占有量、消费者生命财 产保障、社会经济稳定等众多角度考虑，如何有效地抑制或减轻交通事故对汽车乘员的损伤 具有极其重要的作用。

自上世纪八十年代以来，国际汽车工程领域大多采用假人(如采用金属和塑料等材料的 Hybrid III型假人)进行交通事故的计算机模拟、台车或实车碰撞实验，并通过测试在假人 各位置的加速度、位移或受力情况来评价汽车乘员损伤程度。在汽车的设计过程中，针对碰 撞安全性设计，依然使用过去一直通用的固定姿态的假人模型，这种假人结构与真人生理结 构之间存在较大的差异，真实的人体是由皮肤、骨骼、器官、组织、神经、血管等构成，在 交通事故中伤害表现为机械损伤，如骨折，脑颅、胸部功能性损伤等生物损伤，在碰撞发生 时也将产生与常规行驶工况迥异的骨骼姿态，而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 真实驾驶员的骨折伤害，更无法为汽车结构提供更为准确的乘员保护设计依据，导致标称碰 撞安全性能高的汽车在碰撞过程中不能很好地保护驾驶员的情况。

欧美日各国的研究机构自上个世纪九十年代以来，就开始了基于有限元方法和面向车辆 乘员碰撞安全性分析的人体数字化模型研究，相继全面细致地建立了人体各组织和器官的数 字化模型，如美国韦恩州立大学的韦恩州立大学模型、法国斯特拉斯堡大学的ULP颅脑损伤模 型以及日本丰田公司的THUMS模型等。国际现有的全身虚拟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骨骼反应(颈部、手臂和腿部骨头挺直) 的问题的客观准确描述。

为此，需要在现有的全身虚拟人模型的基础上，进一步考虑在碰撞发生过程中的乘员的 骨骼的动态特性，采集并提取在若干典型碰撞工况下不同类型车辆乘员由于本能反应产生的 反映乘员肢体运动的骨骼姿态，建立对应的假人模型，并以此模型为基础，进行碰撞过程的 计算机模拟。若想要设计出反映真实驾驶员在碰撞发生时保护姿态即肢体运动的假人模型， 必须先要提供一种反映驾驶员保护姿态的碰撞试验用假人模型设计方法，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保护姿态，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保护姿态的碰撞试验用假人模型设计方法， 该方法以目前通用的碰撞假人模型作为基础假人模型，对其进行保护姿态的设计，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保护姿态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如下技术方案实现的：

一种反映驾驶员保护姿态的碰撞试验用假人模型设计方法，包括以下步骤：1、采集保护 姿态：再现碰撞现场，使驾驶员产生保护姿态，并实现不同车速下保护姿态的采集；2、设计 假人模型参数：通过确定驾驶员的肢体长度及关节位置，对应设计假人模型参数；3、设计假 人模型保护姿态：根据步骤1采集到的驾驶员在不同车速下的保护姿态，对假人模型碰撞时 的保护姿态进行设计；4、输出碰撞参数：利用通过步骤1、步骤2和步骤3得到的假人模型 进行碰撞试验，实现在碰撞过程中假人模型肢体运动的显示，及碰撞参数的输出与显示，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保护姿态的碰撞试验用假人模型设计方法，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 方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，使所述泡 沫板产生随机下落，所述泡沫板下落时，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保护姿态；(2)采集多工况下的保护姿态：当 所述驾驶员在所述步骤(1)中撞碎并穿越泡沫板前，驾驶员产生紧张，并保持此保护姿态穿 越泡沫板，引起驾驶员肢体运动、关节位置的变化，即产生保护姿态，分别采集驾驶员在不 同车速下碰撞时产生的不同强度的保护姿态。

根据本发明提供的一种反映驾驶员保护姿态的碰撞试验用假人模型设计方法，步骤2具 体包括以下步骤：(1)确定驾驶员肢体几何参数：驾驶员坐在已标定好的图像采集空间中， 利用CCD摄像头对驾驶员的正面坐姿以及侧面坐姿进行图像采集，并对图像进行二值化、图 像分割、轮廓线条的提取处理，得到实际驾驶员的肢体长度及关节位置参数，实现驾驶员主 要肢体长度的测量及重要关节位置的确定；(2)设计假人模型肢体几何参数：根据步骤(1) 所得到的驾驶员主要肢体长度的测量及重要关节位置，对基础假人模型进行几何参数设计， 包括：几何尺寸、质量、转动惯量，并对经几何参数设计后的基础假人模型中干涉、变形区 域进行设计，保证假人模型的有效连接。

根据本发明提供的一种反映驾驶员保护姿态的碰撞试验用假人模型设计方法，步骤3实 现假人模型在碰撞发生时保护姿态的设计，根据驾驶员在不同车速下发生碰撞时的保护姿态， 设计假人模型中肢体的运动方向及关节角度，并将其应用于经过步骤2设计的基础假人模型 中，使得假人模型获得反映真实驾驶员在碰撞发生时的保护姿态。

根据本发明提供的一种反映驾驶员保护姿态的碰撞试验用假人模型设计方法，步骤4包 括以下步骤：利用通过步骤1、步骤2和步骤3得到的假人模型进行碰撞试验：(1)显示假 人模型肢体运动：以时间为单位，以动画形式输出在汽车碰撞过程中假人模型各肢体长度、 关节位置的运动与变形情况，显示具有保护姿态的假人模型的碰撞情况；(2)输出假人模型 碰撞参数：以表格或曲线的形式对假人模型的碰撞参数，即肢体、关节位置的运动与变形参 数进行输出；(3)对假人模型的生物仿真度进行评定：将上述步骤(1)与步骤(2)输出的 动画、碰撞参数，与真实驾驶员在碰撞发生时的保护姿态及碰撞参数进行定性和定量得对比， 获得假人模型的运动趋势，定性与定量得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.本设计方法中对驾驶员进行图像采集，测得其肢体长度及关节位置，并据此对假人模 型进行匹配性修改，精确设计符合真实驾驶员的生理几何特性的假人模型；

2.本设计方法基于采集的数据，对假人模型碰撞发生时的姿态进行设计，肢体、关节间 的几何关系更加符合真实驾驶员的行为；

3.本设计方法中实现对碰撞过程中假人模型肢体、关节的运动与变形的显示，以及碰撞 参数的输出与显示。

本发明提供的一种反映驾驶员保护姿态的碰撞试验用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，并能对表征保护姿态的肢体运动、关节位置进行很好 的测量和记录，精度高、可靠性高，同时很好地保护了驾驶员，安全性高；可以实现假人模 型与驾驶员的准确匹配，使假人模型拥有与真实驾驶员一致的几何参数，准确度高；可以实 现假人模型中的保护姿态设计，进一步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、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能偶反映真实驾驶员在碰撞发生时保护姿态的假人模型设计方法 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，建立面向碰撞过程模拟的具有心理与生理变化功能的高仿生度数字化人体模型，全面提 升我国汽车行业的被动安全性研究的技术水平和汽车产品的被动安全性能，也为我国车辆碰 撞安全标准法规的建立和完善提供有效客观科学的技术支撑。

附图说明

图1反映驾驶员保护姿态的碰撞试验用假人模型设计方法框图

图2反映驾驶员保护姿态的碰撞试验用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，本发明的技术方案是在此基础假人模型的基础上实施的。

现以右手上手臂与下手臂为例，对本发明的技术方案进行详细说明：

一种反映驾驶员保护姿态的碰撞试验用假人模型设计方法，图1所示为设计方法框图， 其包括以下步骤：

1、采集保护姿态：再现碰撞现场，使驾驶员产生保护姿态，并实现不同车速下保护姿态 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，驾驶员将面临与泡沫板碰撞的情况， 将使驾驶员产生本能的保护性反应即保护姿态，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)采集多工况下的保护姿态：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引起 驾驶员上手臂、下手臂产生运动，上手臂、下手臂间的夹角发生变化，即产生保护姿态，并 保持此保护姿态穿越泡沫板，分别采集驾驶员在不同车速下碰撞时产生的不同强度的保护姿 态。此时，使用三维运动捕捉仪采集多工况下本能性的保护姿态数据，即上手臂与下手臂的 几何位置变化及相对角度变化等，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，将此保护姿态作为假人模型保护姿态设计模块的输入参数，同时记录碰撞发生时的碰 撞参数，作为碰撞仿真分析模块的标定参数。

2、设计假人模型参数：通过确定驾驶员的肢体长度及关节位置，对应设计假人模型参数；

(1)确定驾驶员肢体几何参数：驾驶员坐在已标定好的图像采集空间中，利用高精度 CCD摄像头对驾驶员的正面坐姿以及侧面坐姿进行图像采集(要求腰部挺直)，并对图像进行 二值化、图像分割、轮廓线条提取等处理，测量得到驾驶员上手臂和下手臂的几何尺寸及关 节位置参数，作为假人模型修改时的输入参数；

(2)设计假人模型肢体几何参数：根据步骤(1)测量所得的实际驾驶员的上手臂、下 手臂的几何尺寸及关节位置参数，对基础假人模型的上手臂、下手臂进行几何参数设计，包 括：几何尺寸、质量、转动惯量等参数，并对经几何参数设计后的假人模型中干涉、变形等 区域进行设计，保证假人模型的有效连接。

3、设计假人模型保护姿态：对假人模型碰撞时的保护姿态进行设计；

在此步骤中，使用步骤1采集到的保护姿态，并以此为参考，设计假人模型中上手臂、 下手臂的运动方向及关节角度，并将其应用于步骤2设计后的假人模型中，使得假人模型得 到反映真实驾驶员在碰撞发生时的保护姿态。此外，针对不符合碰撞参数要求的保护姿态， 进行静态及动态力学特性的优化设计或重新设计。

4、输出碰撞参数：利用通过步骤1、步骤2和步骤3得到的假人模型进行碰撞试验，实 现在碰撞过程中假人模型肢体运动的显示，及碰撞参数的输出与显示，并对假人模型的生物 仿真度进行评定；

(1)显示假人模型肢体运动：以时间为单位，以动画形式输出在汽车碰撞过程中假人模 型的上手臂、下手臂几何尺寸及关节位置的运动与变形情况，显示具有保护姿态的假人模型 的碰撞情况；

(2)输出假人模型碰撞参数：以表格或曲线的形式对输出假人模型的上手臂、下手臂长 度及关节位置的运动与变形等碰撞参数；

(3)对假人模型的生物仿真度进行评定：将步骤(1)输出的动画与与采集到的碰撞发 生时真实驾驶员的肢体运动视频进行定性对比，获得假人模型的运动趋势，定性地评定假人 模型的生物仿真度；将步骤(2)输出的碰撞参数，与采集到的碰撞发生时真实驾驶员的碰撞 参数进行定量对比，获得假人模型的运动趋势，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，则输出上手臂、下手臂级关节构成的保护 姿态，并输出具有保护姿态的假人模型。

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3进行假人模型保护姿态的 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。