多體系統(tǒng)行人模型及驗(yàn)證

楊 娜 馬琳琳 趙桂范

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院1） 威海 264209） （濰柴動(dòng)力股份有限公司2） 濰坊 261061）

在眾多的三維汽車(chē)事故仿真軟件中，行人總是作為一個(gè)剛體模型出現(xiàn)的.這種簡(jiǎn)化，可以極大地縮短交通事故分析的時(shí)間，在一定程度上也可以滿(mǎn)足事故分析的需要.但是為了得到一種真實(shí)的行人碰撞仿真，行人模型應(yīng)該被定義成一種多體系統(tǒng)模型.于是應(yīng)用動(dòng)力學(xué)分析軟件（automatic dynamic analysis of mechanical systems，ADAMS）建立了一種多體系統(tǒng)中被稱(chēng)為無(wú)根系統(tǒng)的人體模型.

為了改進(jìn)汽車(chē)設(shè)計(jì)，使得汽車(chē)可以減少對(duì)行人的傷害，一比一比例的汽車(chē)－行人碰撞實(shí)驗(yàn)是必不可少的，但無(wú)論是尸體實(shí)驗(yàn)還是假人實(shí)驗(yàn)都相當(dāng)昂貴.計(jì)算機(jī)模型因其快速、廉價(jià)、逼真、穩(wěn)健的優(yōu)點(diǎn)而倍受青睞.而仿真模型的優(yōu)劣則需要通過(guò)尸體實(shí)驗(yàn)或假人實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證.并采用PMHS軌跡運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和一假人碰撞試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)本計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)得到了人體頭部損傷數(shù)據(jù).

1 中國(guó)成年人人體尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)

中國(guó)成年人人體尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)［1］建立于1988年，是我國(guó)目前最為完整的人體尺寸庫(kù).該庫(kù)數(shù)據(jù)量約為300多萬(wàn)個(gè)，采用分層、整群隨機(jī)抽樣法，抽樣測(cè)量遍及16個(gè)省市，建庫(kù)人數(shù)為男（18～60歲）11 164名，女（18～55歲）11 150名.并且制定了GB10000《中國(guó)成年人人體尺寸》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).

在最初的研究中，選定使用青年男性人體的基本參數(shù)，見(jiàn)表1所列.

表1 中國(guó)青年男性人體環(huán)節(jié)基本參數(shù)［2］

2 多體系統(tǒng)行人模型

2.1 模型環(huán)節(jié)幾何參數(shù)

在人體運(yùn)動(dòng)理論分析時(shí)，經(jīng)常要用模型代替實(shí)際的人體，為此當(dāng)前不少學(xué)者把人體分成若干環(huán)節(jié)，而這些環(huán)節(jié)又簡(jiǎn)化成若干類(lèi)型規(guī)則的剛體幾何形體.從人體具體幾何參數(shù)可以看出，除了上軀干外，其他環(huán)節(jié)對(duì)以形心為坐標(biāo)原點(diǎn)的額狀軸與矢狀軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及回轉(zhuǎn)半徑?jīng)]有顯著性差異，所以此模型環(huán)節(jié)無(wú)一例外都使用橢球體來(lái)定義，各環(huán)節(jié)主要幾何參數(shù)如表2所列.

表2 各主要模型環(huán)節(jié)幾何參數(shù) mm

2.2 行人模型運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的建立

關(guān)節(jié)是人體運(yùn)動(dòng)的樞紐，是傳遞載荷、保存能量、協(xié)助運(yùn)動(dòng)的重要關(guān)節(jié)，其中以肩、肘、腕、髖、膝、踝為六大主要關(guān)節(jié).參照人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的形式，行人模型中的關(guān)節(jié)只使用旋轉(zhuǎn)鉸（約束2個(gè)旋轉(zhuǎn)和3個(gè)移動(dòng)自由度）和球鉸（約束3個(gè)移動(dòng)自由度）來(lái)定義.根據(jù)青年男性人體的基本參數(shù)數(shù)據(jù)在ADAMS中建立的人體模型如圖1所示

圖1 多體系統(tǒng)行人模型

關(guān)節(jié)的活動(dòng)幅度是關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)研究的主要部分之一，在對(duì)不同尸體實(shí)驗(yàn)的生物力學(xué)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，可得到人體模型中各連接鉸的活動(dòng)幅度和剛度系數(shù)特征值.各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)幅度通過(guò)ADAMS中提供的碰撞函數(shù)定義.并且碰撞力與各關(guān)節(jié)鉸的合力偶矩陣一起使用，共同定義模型關(guān)節(jié).

各人體模型相鄰關(guān)節(jié)相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，對(duì)于鉸Hi合力偶矩陣的普遍定義如下.

如果qj＞

如果qj＜

式中：e為剛性力指數(shù)；kτa為碰撞扭簧的剛度系數(shù)；cτa為碰撞扭簧的扭阻尼系數(shù)；d為入侵深度值；step（）為一個(gè)近似標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)step函數(shù)的函數(shù)，當(dāng)qj＜－d時(shí)，函數(shù)取值為1，當(dāng)qj＞時(shí)，函數(shù)取值為0；為觸發(fā)距離.

3 行人－汽車(chē)－環(huán)境

在此汽車(chē)－行人碰撞中，汽車(chē)模型可以使用單一的剛體來(lái)定義.因?yàn)樵谶@種事故中汽車(chē)剛度和質(zhì)量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人體，汽車(chē)的變形和汽車(chē)的懸架系統(tǒng)在一定程度上可以忽略，而唯有汽車(chē)外形（如保險(xiǎn)杠高度和發(fā)動(dòng)機(jī)罩與地面角度）對(duì)于仿真結(jié)果有著重要的影響.

在整個(gè)汽車(chē)－行人碰撞模型系統(tǒng)中，汽車(chē)、行人、環(huán)境（如地面）之間通過(guò)建立碰撞函數(shù)的方式建立之間的聯(lián)系：當(dāng)一個(gè)物體與另一物體表面產(chǎn)生入侵時(shí)，碰撞函數(shù)將依據(jù)入侵物體相對(duì)入侵深度和入侵速度以作用力－反作用力的形式施加于兩物體之上.汽車(chē)前部剛度將依據(jù)車(chē)型的不同而不同，而人體的各環(huán)節(jié)的剛度將依據(jù)生物力學(xué)得出的結(jié)論來(lái)定義［3］.

4 仿真模型與PMHS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

Hannover醫(yī)科大學(xué)的Ishikawa教授建立了一張關(guān)于人體關(guān)節(jié)點(diǎn)的軌跡圖［4］，這些軌跡是從10個(gè)PMHS（post mortem human subjects）課題實(shí)驗(yàn)在3個(gè)不同碰撞速度（40，32，25km／h）下得到的汽車(chē)－行人碰撞試驗(yàn)中，經(jīng)圖像處理得到的.主要是人體的頭、髖、膝、踝4個(gè)部位的運(yùn)動(dòng)軌跡.而且指出在3個(gè)速度下，人體運(yùn)動(dòng)軌跡沒(méi)有較大的差別，因此在一幅圖中定義了4個(gè)部位在不同速度下的軌跡范圍，如圖2所示.4種軌跡中要求最高的是頭部的運(yùn)動(dòng)軌跡.

為了得到較好的頭部運(yùn)動(dòng)仿真，模型中頸部被分成了兩部分，這種改進(jìn)使得模型仿真更加準(zhǔn)確.

圖3 行人速度為5m／s時(shí)撞擊位置

計(jì)算機(jī)人體仿真模型各部分的運(yùn)動(dòng)軌跡與圖2中的軌跡范圍曲線(xiàn)進(jìn)行了比較，如圖3所示.由于中西方人體數(shù)據(jù)存在一定差距，在引用PMHS數(shù)據(jù)時(shí)，部分曲線(xiàn)只是進(jìn)行了平移處理.可以看出仿真數(shù)據(jù)軌跡與PMHS實(shí)驗(yàn)軌跡曲線(xiàn)基本符合，尤其是頭部和髖部的運(yùn)動(dòng)軌跡幾乎完全在軌跡范圍之內(nèi).膝部軌跡誤差相對(duì)較大，主要原因是計(jì)算機(jī)仿真模型呈站立姿勢(shì)，且人體矢狀軸與汽車(chē)橫軸相垂直的緣故.

同時(shí)經(jīng)過(guò)仿真也得到了3種速度下行人模型頭部質(zhì)心位置的速度和加速度曲線(xiàn)，如圖4和圖5所示.

圖4 3種碰撞速度下頭部質(zhì)心速度

圖5 3種碰撞速度下頭部質(zhì)心加速度

頭部沖擊傷害標(biāo)準(zhǔn)HIC（head injury criterion），是1971年由Versace提出，被FMVSS208項(xiàng)（乘員保護(hù)裝置標(biāo)準(zhǔn)）所采納［5］，是一種對(duì)GSI（gaddseverityindex）改進(jìn)的頭部沖擊傷害評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).頭部沖擊傷害標(biāo)準(zhǔn)HIC＝1 000為安全極限值.通過(guò)3種速度下加速度曲線(xiàn)可以求得在3種速度下的HIC值.它們分別為：（1）當(dāng)速度為25km／h時(shí)，HIC＝740.2；（2）當(dāng)速度為32km／h時(shí)，HIC＝1 296.3；（3）當(dāng)速度為40km／h時(shí)，HIC＝1 779.9.

可以看出對(duì)于這種車(chē)型，在速度大于32km／h時(shí)，人體頭部都會(huì)受到不同程度的損傷.

5 計(jì)算機(jī)仿真模型與假人模型對(duì)比

國(guó)外不少研究機(jī)構(gòu)作過(guò)不少汽車(chē)－行人碰撞試驗(yàn)，其中包括不少尸體實(shí)驗(yàn)和假人實(shí)驗(yàn).文獻(xiàn)［6］就刊載了一次假人實(shí)驗(yàn)結(jié)果.實(shí)驗(yàn)中使用高速攝影機(jī)抓拍到了行人和車(chē)輛的碰撞運(yùn)動(dòng)圖像.此模型在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下與之作了比較，分別為0，50，100，150ms的碰撞圖像，如圖6所示.

實(shí)驗(yàn)中汽車(chē)與行人的左側(cè)部分發(fā)生碰撞，碰撞速度為54km／h.假人只碰到了左腿，由于碰撞力，假人開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)并與A柱相碰.

通過(guò)仿真可以看出結(jié)果吻合較好，尤其是行人碰撞路徑和碰撞位置.從仿真中可以看出人體哪些部位與汽車(chē)相撞，碰撞動(dòng)作也可以清晰地得到.

鑒于中國(guó)人體特征和西方人體特征存在較大差別，本文構(gòu)造了符合中國(guó)人體特征的人體多體系統(tǒng)模型并建立了整個(gè)人機(jī)系統(tǒng)的模型，用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)仿真研究.這與以往構(gòu)造符合西方人體特征的人體模型進(jìn)行研究相比，對(duì)研究中國(guó)人與汽車(chē)的碰撞安全更有利.

另外，該人體模型為16剛體.頸部采用球面副和移動(dòng)副的組合，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)采用轉(zhuǎn)動(dòng)副，其余各關(guān)節(jié)均采用球面副，單個(gè)人體的自由度為34.這比以往研究的剛體數(shù)較少的人體模型的自由度，靈活度都有所增加.

圖6 假人實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比

6 結(jié) 束 語(yǔ)

計(jì)算機(jī)人體仿真模型是一種十分有效的工具，它可以深入、清晰的分析汽車(chē)－行人碰撞中的安全因素.計(jì)算機(jī)仿真模型雖然無(wú)法替代實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，自身也存在一定的缺陷，但它在一定范圍?nèi)可以得到十分有益的結(jié)果.人體在車(chē)上的位置和在地面上的位置都可以被確定.涉及人體安全的數(shù)據(jù)結(jié)果也都可以從仿真中得到.

通過(guò)仿真結(jié)果與PMHS的軌跡比較和與假人模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖像比較，可以看出此計(jì)算機(jī)模型是可以信賴(lài)的，適合做進(jìn)一步深入的研究.此模型將作為一項(xiàng)研究汽車(chē)被動(dòng)安全和評(píng)價(jià)人體損傷的有效的工具.

［1］閆紅光，婁彥濤.運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究方法的評(píng)述［J］.沈陽(yáng)體育學(xué)院學(xué)報(bào).2007，26（2）：71－73.

［2］中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化與信息分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)研究所.GB 10000—1988中國(guó)成年人人體尺寸［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988.

［3］謝華忠，趙啟挺，張秀梅.現(xiàn)代汽車(chē)安全技術(shù)分析［J］.紹興文理學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，25（10）：46－50.

［4］Akiyama A，Yoshida S，Matushashi T，et al.Development of human－like pedestrian dummy［J］.JSAE Annual Congress，1999，59（99）：5－8.

［5］（日）林 洋.實(shí)用汽車(chē)事故鑒定學(xué)［M］.黃永和，譯.北京：人民交通出版社，2001.

［6］Moser A，Steffan H，Kasanicky G.The pedestrian model in PC－Crash——the introduction of a multi bodysystem and its validation［J］.JSAE Review，1999（1）：445－451.