一种电信号传动的假人手臂模型的制作方法

本发明属于汽车安全测试设备、仿生机器人，具体涉及一种电信号传动的假人手臂模型，适用于汽车碰撞安全测试、行人保护测试中人体应激动作模拟，同时可拓展应用于仿生机械臂、康复外骨骼等智能仿生设备领域。

背景技术：

1、汽车碰撞测试是评估车辆安全性能、优化车身防护结构的核心测试手段，碰撞测试假人作为核心测试载体，其仿生度直接决定碰撞伤害评估数据的准确性与参考价值。

2、目前市面上传统碰撞测试假人大多采用刚性机械结构或简单铰接传动结构，仅能模拟人体静态肢体姿态，无法复刻真实交通事故中人体的本能应激反应。在实际交通事故发生瞬间，车辆碰撞产生的冲击会使乘员、行人本能做出抬手护头、手臂支撑身体、肢体避让等防御性动作，该类应激动作会直接改变人体受力姿态、碰撞受力部位及伤害程度，是影响碰撞测试真实性的关键因素。

3、现有技术中，部分研究尝试采用气动人工肌肉、形状记忆合金等材料优化假人仿生性能，但该类技术方案存在明显缺陷：一是响应速度慢，无法匹配碰撞瞬间的毫秒级应激响应需求；二是控制逻辑简单，无法根据碰撞强度动态调节动作幅度与肢体刚度；三是缺乏对人体神经传导机制的模拟，仅能实现被动机械动作，仿生真实性极低；四是环境适应性差，核心柔性材料易受干燥环境影响失效。上述问题导致现有假人模型无法真实还原人体碰撞应激行为，最终造成碰撞测试数据与实际交通事故人体损伤情况偏差较大，严重影响车辆安全性能评估的科学性。

4、综上，目前亟需一种能够模拟人体神经传导机制、响应速度快、动作仿真度高、可动态适配碰撞强度、环境稳定性优的仿生假人手臂模型，解决现有技术的诸多缺陷。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，提供一种电信号传动的假人手臂模型，整体由仿生电信号传感系统、意图识别系统、应激式执行系统三大系统集成构成，三大系统逐级联动，实现感知，识别，执行的闭环仿生控制。

2、为解决以上缺陷，本发明提供一种电信号传动的假人手臂模型，包括仿生电信号传感系统、意图识别系统和应激式执行系统；

3、所述的仿生电信号传感系统，用于实时检测在碰撞过程中产生的肢体形变信号与加速度应力信号；

4、所述的意图识别系统与所述的仿生电信号传感系统电性连接，用于对采集的原始的传感信号进行放大、滤波、阈值判定和模数量化处理，并根据碰撞强度输出对应参数的控制信号；

5、所述的应激式执行系统与所述的意图识别系统电性连接，包括主驱动器和刚度调节器；用于接收控制信号，同步完成手臂关节屈伸动作与关节阻抗调节，模拟人体碰撞应激反应。

6、进一步的，所述的仿生电信号传感系统设置有压电薄膜传感器，所述的压电薄膜传感器贴附布置在假人手臂骨骼表面或皮肤夹层内部，分别模拟人体骨膜感知与皮肤触觉感知；所述的压电薄膜传感器的输出电荷量与所受应力成正比，通过电荷放大器完成电荷信号向电压信号的转换。

7、本系统为整机的感知核心，核心传感元件采用pvdf（聚偏氟乙烯）的压电薄膜传感器，具备微秒级响应速度、高柔韧性、高灵敏度的特性，可精准捕捉碰撞瞬间的肢体形变与应力变化。为匹配人体生理感知机制，本传感器可采用两种部署方式：一是贴附于假人手臂尺骨、桡骨等骨骼表面，模拟人体骨膜应力感知功能；二是嵌装于假人手臂皮肤夹层内部，模拟人体皮肤触觉感知功能。

8、pvdf传感器的输出电荷量与所受应力呈正比例关系，具体计算公式为：q=d33·σ·a；其中，d33为pvdf的压电常数，单位为pc/n；σ为传感器所受应力，单位为pa；a为传感器有效受力面积，单位为m²。传感器输出的微弱电荷信号经电荷放大器转换为可识别的电压信号，电压转换公式为：vout=q/cf=d33·σ·a/cf；其中cf为电荷放大器的反馈电容，通过转换实现微弱传感信号的有效采集。同时，利用pvdf传感器微秒级的固有响应优势，通过低通滤波算法对原始信号降速处理，使整体感知响应速度精准匹配人体生理感知速度，避免响应过快导致的动作失真。

9、进一步的，所述的意图识别系统包括电荷放大器、二阶有源带通滤波器、高速比较器、mcu控制器和adc采样模块；所述的二阶有源带通滤波器的通频带为0.1hz～100hz，用于滤除静态接触干扰信号，保留碰撞动态有效信号；所述的高速比较器内置有固定触发阈值，仅当处理后的电压信号大于或等于触发阈值时，触发后续动作响应；所述的mcu控制器采用stm32系列单片机，通过adc模块量化碰撞强度，并输出对应占空比的pwm控制信号；所述的pwm信号占空比与碰撞强度呈线性正相关，占空比调节范围为20%～100%，通过占空比变化匹配不同力度下的肢体动作幅度。

10、进一步的，所述的意图识别系统内设置有可变延时模块，所述的可变延时模块根据传感器与执行器的信号传导距离，匹配40～70m/s的人体神经传导速度，模拟人体生理神经延迟，精准复刻人体应激反应时序特性。

11、本系统为整机控制核心，负责传感信号处理、碰撞意图判定与控制指令输出，

12、其中，在信号处理阶段，传感器输出的电压信号首先经过所述的二阶有源带通滤波器滤波处理，所述的二阶有源带通滤波器通频带设定为0.1hz～100hz，可有效滤除日常静态接触、低频震动等干扰信号，仅保留碰撞瞬间的动态有效信号，提升信号识别精度；所述的二阶有源带通滤波器传递函数为：h(s)=ω0·s / s²+ω0·s/q+ω0²；其中ω0=2π√(fl+fh)，fl=0.1hz，fh=100hz，品质因数q设定为0.7～1，保障信号滤波的稳定性与精准性。

13、在阈值触发阶段，通过所述的高速比较器设定固定电压触发阈值vth，对应人体疼痛、避让的生理感知阈值，判定逻辑为：当处理后的实时电压信号v(t)≥vth时，所述的高速比较器输出有效触发信号，启动后续动作响应；当v(t)＜vth时，无动作输出，避免误触发。优选地，2.5v阈值可对应10n标准冲击力，适配常规汽车碰撞测试场景。

14、在指令输出阶段，所述的mcu控制器通过adc模块对有效信号进行1024级量化处理，根据量化值线性映射输出不同占空比的pwm控制信号，实现碰撞强度与动作幅度的精准匹配。pwm占空比计算公式为：d=dmin+x/1023·(dmax-dmin)；其中x为adc量化值，取值范围0～1023，dmin、dmax分别为最小、最大占空比，优选调节范围20%～100%，占空比越大，执行器驱动力度越强、手臂动作幅度越大。

15、在生理延迟模拟阶段，为精准复刻人体神经传导的时序特性，系统内设置有可变延时模块，根据传感器与执行器的信号传导距离l，结合人体神经传导速度vnerve（40～70m/s，优选50m/s），计算并匹配生理延迟时间δt，计算公式为：δt=l/vnerve，通过软件延时补偿，消除电路硬件延时偏差，完全模拟人体真实应激反应时序。

16、本系统整体电路链路硬件延时可控制在1～5ms内，配合软件精准延时，保障动作响应的仿生真实性。

17、进一步的，所述的主驱动器为微型伺服电机或气动人工肌肉，用于驱动手臂关节完成大幅度屈伸动作；所述的刚度调节器为ipmc离子聚合物金属复合材料，所述的ipmc材料并联安装于手臂关节阻尼器上，用于实时调节关节弹性模量与阻抗，模拟人体肌肉紧张收缩状态。

18、进一步的，所述的ipmc材料表面设置有复合保湿封装层，所述的复合保湿封装层包括离子凝胶膜和聚对二甲苯保水膜，所述的离子凝胶由pvdf-hfp和emim-tfsi按1:4质量比溶于丙酮制备而成，所述的复合保湿封装层用于保障ipmc材料在干燥环境下的工作稳定性。

19、本系统为整机执行核心，主驱动器采用微型伺服电机或气动人工肌肉，所述的微型伺服电机适配高精度、小幅度快速屈伸场景，工作电压6v，可稳定输出扭矩驱动手臂关节运动；所述的气动人工肌肉适配大行程、柔性挥摆动作场景，收缩比可达25%，满足行人保护测试的动作需求。伺服电机的关节屈伸角度与pwm占空比线性相关，计算公式为：θ=θmin+d·(θmax-θmin)，可精准控制手臂屈伸角度；

20、所述的刚度调节器并联安装于手臂关节阻尼器上，为核心柔性调节部件，可根据pwm转换的控制电压实时改变自身弹性模量，模拟人体肌肉紧张收缩特性。ipmc弹性模量调节公式为：e(vc)=e0·(1+k·vc/vmax)；其中e0为ipmc初始弹性模量，k为刚度调节系数（取值2～4），vc为实时控制电压，vmax为最大控制电压。随着控制电压升高，ipmc弹性模量增大，关节整体阻抗z同步提升，关节阻抗公式为：z=zservo+zipmc(vc)，精准复刻肌肉受力紧绷的力学特性。

21、为解决ipmc材料仅在湿润环境下性能最优、干燥环境易失效的行业难题，本发明采用复合保湿封装工艺：先将ipmc片浸入0.1m licl溶液完成离子交换，干燥后涂覆50μm厚离子凝胶膜（pvdf-hfp与emim-tfsi按1:4质量比制备），最后包覆2μm厚聚对二甲苯保水膜，可在相对湿度30%的干燥环境下，保障ipmc材料稳定工作6个月以上，大幅提升设备环境适应性与使用寿命。

22、进一步的，所述的仿生电信号传感系统、意图识别系统和应激式执行系统构成完整闭环控制链路，整体信号响应及动作执行的闭环响应时间控制在1～10ms范围内。

23、设备上电初始化后，所述的仿生电信号传感系统实时采集手臂受力形变信号，并转换为原始电荷信号；电荷信号经所述的意图识别系统进行放大、滤波和降噪后得到有效电压信号，所述的高速比较器完成阈值判定，确认碰撞触发后，mcu通过adc量化碰撞强度，输出对应占空比的pwm控制信号；同时所述的可变延时模块匹配人体神经生理延迟，精准控制动作触发时序；最终控制所述的应激式执行系统同步工作，主驱动器驱动手臂完成屈伸防御动作，ipmc调节器同步调节关节刚度，模拟肌肉紧张状态，整套闭环动作可在10ms内完成，完全满足汽车碰撞测试的动态响应需求。

24、有益效果

25、与现有技术相比，本发明所提供的一种电信号传动的假人手臂模型，仿生仿真度极高，通过电信号传动模拟人体神经传导、信号延时、肌肉应激收缩的完整生理机制，打破传统假人纯机械动作的局限，可精准还原碰撞瞬间抬手护头、肢体支撑、避让挥摆等本能应激动作，实测动作与人体真实反应数据吻合度达92%，大幅提升测试生物保真度。响应精准可控，通过阈值判定、pwm占空比线性调节、生理延时精准匹配，可根据不同碰撞力度、不同测试场景自适应调节动作幅度、响应时序与肢体刚度，规避传统设备响应固定、适配性差的缺陷，适配各类汽车碰撞、行人保护测试场景。驱动性能优异，采用伺服电机或气动人工肌肉和ipmc混合驱动架构，兼顾大幅度肢体运动与高精度刚度调节，完美复刻人体肌肉动态伸缩和受力紧绷的双重特性，力学模拟效果远优于单一驱动结构。测试数据可靠，通过真实还原人体碰撞应激行为，消除传统测试设备与真实交通事故的工况偏差，有效提升汽车碰撞伤害评估、车辆安全性能检测数据的科学性与参考价值。环境适应性强，通过独创的ipmc复合保湿封装工艺，解决柔性智能材料干燥环境失效的难题，设备可在常规室内干燥环境下长期稳定工作，使用寿命长、维护成本低。应用场景广泛，不仅适用于汽车安全碰撞测试、行人保护测试，还可拓展应用于仿生机器人手臂、康复外骨骼、智能仿生假肢等多个技术领域，具备极高的推广价值。