基于中國男性標準體型的AEB行人假人上裝樣板的開發(fā)研究

周曉鈺 尹玲

摘 要 為了提高中國男性標準體型的AEB行人假人目標在汽車碰撞實驗中的準確性，基于中國標準男體的相關數(shù)據(jù)和行人假人的要求，建立中國標準男體的行人假人模型。根據(jù)人體工程學原理和碰撞試驗的要求，分析行人假人與實際人體之間的差異，并從人體工程學角度，對行人假人的上裝進行開發(fā)設計，以期能夠為國內(nèi)行人假人的制作標準提供參考。

關鍵詞 AEB行人假人;服裝樣板;男性標準體型

引用本文格式 周曉鈺，尹玲.基于中國男性標準體型的AEB行人假人上裝樣板的開發(fā)研究[J].創(chuàng)意設計源，2021（5）：71-75.

Abstract In order to improve the accuracy of AEB pedestrian dummy target in car collision experiment， this paper based on the relevant data of Chinese average male body and pedestrian dummy requirements to establish a pedestrian dummy model of Chinese average male body. According to the requirements of ergonomics and collision test， the model of its outer closure layer for the upper body was developed by analyzing the difference between pedestrian dummy and actual human body. It is hoped that some technical reference and theoretical reference can be provided for the production standard of pedestrian dummies in China.

Key Words AEB pedestrian dummy; garment pattern; male average body type

引言

隨著汽車數(shù)量的不斷增加，各國對于汽車的安全性能要求也越來越嚴格，相關安全機構(gòu)的研究表明，汽車自動緊急制動系統(tǒng)（Autonomous Emergency Braking，AEB）能夠有效地減少交通事故的發(fā)生，保護行人免受傷害[1]。在汽車的碰撞測試中，假人作為實驗的必要組成部分，對汽車安全系統(tǒng)的開發(fā)有著重要的作用。汽車企業(yè)使用AEB行人假人進行碰撞測試，通過調(diào)整車頭的高度等參數(shù)，將突發(fā)情況下汽車對行人造成的傷害降到最低。在碰撞試驗中，外封閉層的存在是必要的，因其材質(zhì)具有耐磨性和強拉伸力，能減少碰撞試驗對假人的損耗，大幅度提升假人的仿真度[2]。同時在智能車的碰撞實驗中，外封閉層的材質(zhì)還可以反射智能車可識別的紅外線以及雷達發(fā)出的波。

國際上通用的行人假人都是以歐洲標準制作的，歐洲人與中國人的體型差異較大，以歐洲的行人假人數(shù)據(jù)來進行中國汽車行人假人的碰撞實驗，得出的數(shù)據(jù)是不符合國內(nèi)需求的。目前，國內(nèi)已有的行人假人款式眾多，但卻缺少自己的特色，很難通過國際認定，所以國內(nèi)關于行人假人的研究還有待補充和完善。

本文參考 50百分位中國標準男體數(shù)據(jù)與行人假人的制作要求，建立中國標準的男性行人假人模型，并以此模型為基礎，開發(fā)出符合中國標準男性的行人假人上裝外封閉層樣板，以此來幫助企業(yè)達到最優(yōu)化的行人模擬效果，并為企業(yè)后續(xù)研究提供基礎樣板，為國內(nèi)行人假人的制作標準提供一些參考。

一、實驗方案

（一）研究對象分析

AEB行人假人必須能夠被車輛識別為人類，行人假人的手臂和大腿要如行人一般能夠滿足基本的運動模擬需要，故行人假人的手臂與大腿都需要安裝運動轉(zhuǎn)軸。行人假人在不同狀態(tài)下的基本參數(shù)見表 1所示。

根據(jù)VFSS協(xié)議（ 2014年 10月 27日為V1.1）的靜態(tài)假人和ACEA項目關節(jié)假人的結(jié)果以及4active Systems的預研究要求可知，行人目標（PT）應該看起來像是穿著長袖T恤和不同顏色的褲子，衣服必須由防撕裂和防水材料制成，皮膚表面部分必須具有非反射性的肉色紋理[4]。假人外封閉層面料需要貼體且完整包裹頭部，并能夠被汽車紅外線探測儀感知。外封閉層面料需由防水和防撕裂的特殊材料制成，具體指標詳見表 2。

目前企業(yè)正在研究的假人是參考歐洲行人假人制作的，假人模型使用類泡沫材質(zhì)制成，需要在模型外使用貼體無彈性的特殊面料，該面料質(zhì)感類似于人體皮膚，擁有特定范圍的IR反射率，確保汽車的紅外探頭能夠探測到假人的存在。

外封閉層面料在選用時，必須滿足 45°探頭測量的紅外反射率與 90°探頭測量的紅外反射率相差不超過 20%，同時，行人假人衣服和皮膚面料在850 nm～910 nm 波長范圍內(nèi)的IR反射率必須在 40%～60%，頭發(fā)在 850 nm～910 nm波長范圍內(nèi)的IR反射率必須在 20%～60%。

（二）實驗流程設計

選取國內(nèi) 50百分位中國標準男體的各項數(shù)據(jù)，篩選關鍵部位及其數(shù)值作為建模參考。通過三維掃描獲取符合實驗需要的人體樣本，使用Geomagic Studio 2015逆向工程三維擬合軟件處理樣本模型，建立 170/88A的國內(nèi)標準男體模型，并交由企業(yè)進行行人假人的實物制作。將行人假人實物與實際人體進行對比，分析兩者的差異，按照行人假人外封閉層樣板的設計需求與活動松量，進行結(jié)構(gòu)和樣板上的創(chuàng)新，使用服裝CAD軟件設計適合 170/88A行人假人的外封閉層樣板。將設計好的外封閉層樣板導入CLO3D軟件中，進行虛擬試衣，最大限度地模擬出適合后續(xù)實際實驗的外封閉層樣板，在確認樣板的可行性后，進行上裝外封閉層實物制作。

二、AEB行人假人建模及制作

（一）行人假人二維尺寸的確定

行人假人的建模及制作一是需要確定行人假人的關鍵部位尺寸，二是需要控制行人假人“型”的準確性。本研究選擇成年男性的中間體 170/88A作為研究對象，根據(jù)我國國家標準GB/T 1335.1-2008《服裝號型 男子》[5]、GB-10000-88《中國成年人體尺寸》[6]，并參考由歐洲汽車制造商協(xié)會（ACEA）頒布的《鉸接式行人目標標準1.0版》（articulated pedestrian target specifications Version 1.0），選擇了26個部位的標準參照尺寸，如表 3第 2列，包括：身高、頸椎點高、腰圍高、臀高、肩高、會陰高、大腿長、小腿長、上臂長、前臂長、脛骨點高、肩寬、頸圍、胸圍、腰圍、臀圍、臂圍、腕圍、臀寬、背長、胸寬、前腰節(jié)長、大腿圍、腿肚圍、腳腕圍以及胸厚。

（二）中國標準男體行人假人模型建立

對于行人假人“型”的準確性把握，首先利用北京博維恒信公司的3D camega非接觸三維人體掃描儀采集 10名身高 170 cm左右，胸圍約為 88 cm的男子體型數(shù)據(jù)，然后剔除站姿不正確的異常樣板個體，最終選取了 5名體型與標準男體接近的樣本作為擬合樣本。

采用Geomagic Studio 2015逆向工程三維擬合軟件，對 5 個研究樣本的點云數(shù)據(jù)進行去噪、過濾、優(yōu)化、擬合，模擬出5個樣本的中間體型，對擬合后的人體關鍵部位尺寸進行測量，并與樣本均值進行比較，其公差均在允許范圍內(nèi)，表明擬合后人體可代表4個樣本的綜合體型特征，即可近似代表 170/88A男性中間體的體型特征，如表 3所示。在此基礎上對三維虛擬模型進行橫、縱截面的提取，根據(jù)提取的截面，制作基于中國男性體型特征的行人假人。本次行人假人的定制由江蘇省蘇州市常熟昆侖智能科技有限公司完成，對制作完成的行人假人實物采用三維測量的方法進行測量，得到三維模型（見圖 1）。

如表 3所示，通過對比分析行人假人的手工測量數(shù)據(jù)與男性中間體的數(shù)據(jù)可知，兩者平均值差異在±2 cm左右，在允許范圍內(nèi)。其中有部分的數(shù)值差異較大，如身高、臀圍、腰圍等。行人假人身高數(shù)值較小的原因是由于行人假人在設計模擬時腳與地面有一定的距離。行人假人腰部的兩側(cè)會安裝傳感器，所以行人假人腰部的數(shù)據(jù)偏大。行人假人臀部在設計時預留了前后轉(zhuǎn)動的動量，和實際人體相比，較為扁平。行人假人手部在制作時呈握拳狀，所以在制作時前臂長會適當縮短。

（三）行人假人模型改善

為了降低行人假人實驗的局限性，提高實驗的可行性，在行人假人實物制作中，針對行人假人的一些部位進行了以下改進與完善：

（1）為了使行人假人既能滿足行走實驗又能滿足騎行實驗的要求，在假人的臀部增加了轉(zhuǎn)動軸，使假人的臀部能夠前后運動，既能站立也能坐下。

（2）為了提高假人的仿真度，肩部去掉了一塊泡沫板，使用彈性較好的海綿構(gòu)成肩部弧度，在著裝后，肩部軟海綿輕微下沉，形成自然的肩斜角。

（3）在肩部、頭部、手部、腹部等部位增加特殊的海綿，在置入加熱裝置后，假人能更好地被汽車雷達識別為人體，從而提高碰撞實驗的精確性。

三、行人假人模型分析與樣板繪制

（一）行人假人實物與實際人體對比

行人假人實物的上身較為均勻，胸腰差沒有實際人體明顯，樣板開發(fā)時除了前后中線與側(cè)縫外，不需要額外設計省道。

從頭部可以看出，假人的頭部比實際人體的頭部扁且長。假人手部沒有五指，不存在手寬，在側(cè)視角度上假人手部可以視作下端半球形的均勻長柱狀。

在制作時前臂長會適當縮短。

（三）行人假人模型改善

為了降低行人假人實驗的局限性，提高實驗的可行性，在行人假人實物制作中，針對行人假人的一些部位進行了以下改進與完善：

（1）為了使行人假人既能滿足行走實驗又能滿足騎行實驗的要求，在假人的臀部增加了轉(zhuǎn)動軸，使假人的臀部能夠前后運動，既能站立也能坐下。

（2）為了提高假人的仿真度，肩部去掉了一塊泡沫板，使用彈性較好的海綿構(gòu)成肩部弧度，在著裝后，肩部軟海綿輕微下沉，形成自然的肩斜角。

（3）在肩部、頭部、手部、腹部等部位增加特殊的海綿，在置入加熱裝置后，假人能更好地被汽車雷達識別為人體，從而提高碰撞實驗的精確性。

三、行人假人模型分析與樣板繪制

（一）行人假人實物與實際人體對比

行人假人實物的上身較為均勻，胸腰差沒有實際人體明顯，樣板開發(fā)時除了前后中線與側(cè)縫外，不需要額外設計省道。

從頭部可以看出，假人的頭部比實際人體的頭部扁且長。假人手部沒有五指，不存在手寬，在側(cè)視角度上假人手部可以視作下端半球形的均勻長柱狀。

動的幅度接近 90°。假人外封閉層需要在滿足手臂前后運動量的情況下保證外觀平整貼身，行人假人外封閉層的面料無彈偏硬且較厚，這種面料在運動時會產(chǎn)生拉伸，形成褶皺，并阻礙手臂的大幅度擺動，無法滿足假人的實驗要求。使用常規(guī)的袖窿處理方法無法同時解決外觀上的貼體性和動態(tài)時的運動需要，故采用大身與袖子分離的設計。

（三）行人假人上體樣板繪制

1.頭頸部繪制

行人假人的頭部上半部近似為半球形，頭部側(cè)面較為扁平，頭部整體偏長，繪制樣板時，通過收省使樣板更加貼合頭部的形態(tài)。樣板需要突出面部的鼻子部分，在鼻子下方位置收省，使鼻子樣板起到凸起效果。頭部樣板需要區(qū)分面部與頭發(fā)，兩種顏色面料在拼合時，分割線曲度大且長度長，不利于縫合，所以將頭發(fā)部分切割為三部分方便縫合（見圖 2）。

假人的頸部呈現(xiàn)為下粗上細，略前傾的柱狀。一般情況下，其頸根圍與頸中圍的差值相同，為 1.5 cm～2.5 cm。脖頸后中部位較平，前面與側(cè)面曲度較大，因此，前頸部的弧線更加彎曲陡峭，后頸部的曲線較為平滑[7][8]。

2.大身繪制

肩線從側(cè)頸點開始，以側(cè)頸點為圓心，肩線長為半徑繪制圓弧，假人肩部較平，肩線與水平線的夾角應適當減少。行人假人的胸部較為平坦，且與腰部的差異不明顯，所以大身胸部以下的整體近乎看成底部為扁橢圓形的柱狀[9]。假人肩膀的傾斜程度較小，在繪制樣板時要適當減小肩斜角。大身與手臂分離，不需要考慮大身的袖窿弧，只需要留出連接處的圓孔即可。假人與正常人體的不同在于，假人大身前傾 5°，因此大身的后片樣板要增加一部分放量，同時下擺也增加一些傾斜度以確保外封閉層在假人試穿時下擺呈水平狀態(tài)。

3.手臂繪制

袖窿的確定主要就是確定袖窿弧線的形態(tài)，對袖窿弧線影響最大的兩個數(shù)值就是袖窿寬和袖山高。袖窿寬決定了外封閉層與人體側(cè)面的貼合程度，袖山高決定了袖子的造型和穿著的舒適性。為了獲得更加立體美觀的衣袖，衣袖的袖窿在設計中會略大于大身的袖窿，以便于在縫合時進行縮縫處理。一般情況下，縮縫量在 3 cm～5 cm左右，縮縫量從袖窿最高處的對位點向兩邊分布，縮縫量最大的部位集中在袖山最高點兩側(cè) 10 cm范圍內(nèi)，并逐漸過渡減少，直至袖窿最低點處無縮縫[10]。由于人體袖窿處的整體弧線呈現(xiàn)為略扁平的橢圓形，從側(cè)面來看，肩部偏前處的袖窿弧線曲度較大，肩部偏后處的曲度較小，結(jié)合縮縫量可以使袖窿處造型更加貼合人體上臂造型。

為了使手臂樣板更加貼合，袖窿的處理采用收省和縮褶兩種方法。袖子采用兩片式設計，前袖沒有松量，后袖袖肘處用活褶設計，留出手肘彎曲松量。由于手臂與大身的分離設計，使得樣板需要覆蓋手臂與大身連接的截面，以確保在實驗過程中覆蓋手臂的外封閉層不會脫落。

手臂在靜態(tài)下呈現(xiàn)微微向前彎曲的狀態(tài)，肘關節(jié)為單軸關節(jié)，只能向前彎曲，彎曲角度范圍為 0°～145°，在手臂彎曲過程中，肘關節(jié)處皮膚縱橫拉伸最為顯著且變化規(guī)律，肘關節(jié)的縱向拉伸率保持在 3% 左右，橫向拉伸率為 0%～16% 且在手臂彎曲 80°時拉伸率較大[11]，屈肘時，手肘皮膚拉伸大。由于外封閉層面料無彈性且較厚，需要增加松量來滿足手肘的彎曲，一般情況下，手肘的松量通過 3 種情況實現(xiàn)：（1）通過褶裥的運用來滿足運動所需松量;（2）使用寬松的造型減少外封閉層對人體的制約;（3）通過在肘部加省使外封閉層在運動狀態(tài)下呈現(xiàn)立體狀，能夠起到強調(diào)袖肘處造型設計的作用[12]。為了達到后續(xù)實驗的準確性，外封閉層既要在靜態(tài)時合體貼身，又要在運動時留有擺臂的松量，故手肘處采用活褶設計，活褶的松量應大于手肘彎曲時皮膚橫向最大拉伸狀態(tài)下所需的長度。

人在行走過程和騎行過程中，手部呈半握拳狀態(tài)，近似于半球形，遠端指骨與中端指骨的長度之和在 4.9 cm～5.8 cm，手部寬度為 8.2 cm，拇指的彎曲度在 0°～80°，其他四指的彎曲度在0°～100°之間[13]，考慮到手部的彎曲變化，手部在半握拳狀態(tài)下的長度約為 12 cm，寬度約為 8.5 cm。因此，假人的手部整體可視為均勻的柱狀，下端為半球形，無五指，手部總長 12 cm，寬度 8.5 cm，采用收省的方式去除多余的松量，使面料貼合手部彎曲。

四、樣板虛擬試穿與實物樣衣展示

將樣板匯總導入CLO3D軟件中，在中國男性標準體型的行人假人模型上進行虛擬縫合，得到的虛擬試衣效果（見圖3）。確定服裝樣板符合行人假人的制作要求后，再進行實物的樣衣制作，其效果圖見圖 4所示。

五、結(jié)語

本文使用三維人體測量技術與逆向工程三維擬合軟件對中國男性標準的AEB行人假人進行建模，并基于人體工程學的要求，使用服裝CAD軟件，繪制出中國男性標準體型的行人假人上體服裝基礎樣板，為國內(nèi)行人假人的制作標準提供一些技術參考與理論支持。

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周曉鈺，尹玲

常熟理工學院