一种假人装置体段的个性化惯性特征实现方法与流程

1.本发明属于检测技术领域，涉及一种体段的惯性参数和关节刚度可调的假人装置的调节方法，尤其涉及该类型假人在各种碰撞测试中用来真实再现个性化人体特征参数的方法。


背景技术：

2.假人装置的研究主要包括对人体体段惯性参数的重现，对关节骨骼、肌肉的动态特性的描述，以及对不同个人的个性化模拟。现存应用较为广泛的有美国研究出的hybrid iii系列假人，及美国dotsid侧碰假人，欧洲侧碰假人(eurosid i)，以及随后出现的正面碰撞假人，侧碰假人以及抛出或翻滚假人等。
3.目前应用最为广泛的机械假人模型hybrid iii型成人假人按百分位可以分为以下三种：1)1％假人：代表身高1.48m和体重56kg的小型身材；2)50％假人：代表身高1.77m和体重86kg的中等身材；3)95％假人：代表身高1.88m和体重108kg的大型身材。现行法规中美国fmvss208、欧洲ece r94、日本trias以及我国gb11551-2014都采用了该系列假人进行汽车碰撞试验，对乘用车的安全性展开评估。但是该类型假人所代表的人体特征不具有连续性，且未反映人体发生主动或被动运动时各体段的转动惯量，使得该类型假人在碰撞测试中的应用场景极为局限。如身高1.80m体重60kg的人或身高1.60m体重80kg的人驾驶乘用车的情形、碰撞后肢体有较大幅度运动的情形(须考虑体段转动惯量的影响)，若用此类假人进行车辆的安全性评估，得到的结果将是不准确的。
4.假人作为测试环节中最为重要的部分，假人结构能否精准地模拟人体的惯性参数，直接影响到测试结果是否与真实人体情况一致。为了个性化地模拟不同个人的惯性参数，该能反映人体体段转动惯量、具有可调节惯性参数的体段、可变刚度的关节的假人就尤为重要。本人在传统的碰撞假人的基础上，设计了体段惯性参数及关节转动刚度可调的假人，因此需要一种操作简单、精度高的假人装置惯性参数(体段质量、质心、转动惯量及关节转动刚度)为该假人在测试中应用的准确性和公正性提供技术支撑。


技术实现要素：

5.为了解决现有假人装置无法完整重现不同个人的惯性参数(如质量、质心、转动惯量、关节扭转刚度)，从而导致测试过程中对人体运动特性仿真度不高的问题。本发明目的是提供一种假人装置体段的个性化惯性特征实现方法，该方法用于假人的体段惯性参数及关节转动刚度的调节，能够快速、准确地使用该假人模拟具有特定惯性参数的个体，提高测试过程中对人体运动特性仿真度。本发明尤其适用于一种体段及关节特征个性化可调的假人装置。
6.为了达到上述目的，本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
7.本发明公开的一种假人装置体段的个性化惯性特征实现方法，包括以下步骤：
8.步骤一、通过核磁共振成像mri得到所需模拟人体的影像，按照郑秀瑗的中国人体
段划分模型，将人体划分为十五个体段，分别计算每个体段的质量m、质心cm、转动惯量i。由于在同一体段中各组织密度不同，需要分别计算并求和。
9.作为优选，计算同一组织内每两个相邻mri切片为高度为h(扫描平面间距为h)的截体体积v
ij
，如图1所示。
10.截体体积为:
11.v
ij
＝(a
ij
a
ij 1
)
×
h/2
12.其中，a
ij
和a
ij 1
分别为两相邻切片的组织区域，h为扫描间隔。
13.则某体段的总质量为：
14.m＝∑(ρj∑v
ij
)
15.其中，v为组织体积，ρj为组织密度，j为不同组织，i为不同切片。
16.体段的质心cm位置为：
17.x
cm
＝∑[ρj∑(x
ij-x0)v
ij
]/∑(ρj∑v
ij
)
[0018]ycm
＝∑[ρj∑(y
ij-y0)v
ij
]/∑(ρj∑v
ij
)
[0019]zcm
＝∑[ρj∑(z
ij-z0)v
ij
]/∑(ρj∑v
ij
)
[0020]
由于将假人体段近似看作一个回转体，因此x和y方向的质心位置看作位于z轴上，其中，x
cm
为质心在x轴上的坐标值，y
cm
为质心在y轴上的坐标值，z
cm
为质心在z轴上的坐标值，ρj为组织密度，j为不同组织，i为不同切片，v
ij
为截体体积，x0为体段选定点在x轴上的坐标值，y0为体段选定点在y轴上的坐标值，z0为体段选定点在z轴上的坐标值。
[0021]
体段的转动惯量为：
[0022]ix
＝∑{i
xn
ρj∑v
ij
[(y
ij-y
cm
)2 (z
ij-z
cm
)2]}
[0023]iy
＝∑{i
yn
ρj∑v
ij
[(x
ij-x
cm
)2 (z
ij-z
cm
)2]}
[0024]iz
＝∑{i
zn
ρj∑v
ij
[(x
ij-x
cm
)2 (y
ij-y
cm
)2]}
[0025]
由于将假人体段近似看作一个回转体，因此绕x轴和y轴的转动惯量近似相等，在调节假人体段参数时取平均值。其中，ρj为组织密度，j为不同组织，i为不同切片，v
ij
为截体体积，i
xn
为一个体段内所有组织对于x轴的转动惯量总和，i
yn
为一个体段内所有组织对于y轴的转动惯量总和，i
zn
为一个体段内所有组织对于z轴的转动惯量总和。
[0026]
步骤二、实现个性化惯性特征的假人四肢体段，并实现假人体段。
[0027]
所述假人四肢体段具有惯性参数调节功能，假人四肢体段主要由a套筒和b套筒组成的模拟刚性骨骼、垫圈、外卡环基座、配重环、体段两端的端盖、关节连接和硅胶外皮部分组成；模拟刚性骨骼包括a套筒和b套筒两部分，不同体段使用不同长度不同直径的金属套筒和两段金属套筒中间通过螺纹连接，通过改变套筒的螺纹旋合长度实现伸缩x，模拟人的体段几何长度l，在螺纹连接处加入一组厚度合适的垫圈以达到固定体段长度的目的，两金属套筒的两段设置有贯通孔，进行螺纹旋合长度调节和旋紧；外卡环基座固定在体段上并且可在轴向进行位置调整，外卡环基座是由两个半环形金属片组成的，通过将两个半环形上相对孔中的螺栓旋紧的方式将两个半环形金属片固定在体段套筒圆周上；配重环上有四个均布圆孔，通过螺栓将配重环与调整好位置的外卡环基座进行固定；所述套筒的两端安装相同的能够绕体段轴线旋转的固定端盖，用以固定关节连接机构，套筒两端的关节连接机构作为体段的一部分各取预设值；在体段外部包裹有硅胶外皮，硅胶外皮也根据体段的几何尺寸有不同的厚度设计d5用于包裹不同的体段。
[0028]
作为优选，可伸缩可配重式的假人体段设计方法为为，假人体段主要由模拟刚性骨骼和配重添加机构组成，其中模拟刚性骨骼包括a套筒和b套筒两部分，通过螺纹连接实现伸缩，并通过添加垫圈的方式实现精确调节体段几何长度。配重添加机构包括外卡环基座和配重环，通过在基座上添加配重环改变体段的质心、质量和转动惯量等参数。模拟刚性骨骼的套筒根据内外螺纹所在分为a、b两组，每组中的套筒对应于不同体段有相应的直径和长度。对应于不同的体段设计不同的外卡环基座以达到和模拟刚性骨骼外表面配合的目的，不同的外卡环基座外圆尺寸是根据不同体段的z轴上的转动惯量不同设计的，在两个配合的外卡环基座上有四个孔用于固定配重环。各种尺寸的配重环有不同的内外圆直径和不同厚度，最小调节厚度即分度值是1mm。选定所需模拟体段适用尺寸的a、b套筒，中间添加一组厚度合适的垫圈，垫圈的外圆尺寸与a、b套筒外圆一致，最小调节厚度即分度值为1mm，套筒端部的贯通孔用来拧紧a、b套筒之间螺纹配合。组成刚性骨骼的a、b套筒已根据人体体段的几何长度完成调整，将两片相同的用于该体段配重的外卡环基座通过螺栓紧固连接卡在套筒外表面，在体段轴向上改变外卡环基座的位置将x轴、y轴上的转动惯量调节至于计算所得参数一致。刚性骨骼端部加工孔，端盖相同半径处加工有弧形槽，在调节体段长度后两关节连接的相对位置发生旋转，使端盖相对体段轴线做相反旋转后固定，恢复原有的关节连接的相对位置关系。最后包裹对应于该尺寸体段的特定规格的硅胶外皮。
[0029]
步骤三、通过上述方法确定所需模拟的特定体段的质量m、质心cm、转动惯量i后，根据体段调参数调节方法将步骤二实现的假人四肢体段调至相应参数，即实现假人体段的个性化惯性特征。
[0030]
套筒两端的关节连接机构作为体段的一部分各取长度为l；
[0031]
调节假人体段参数的方法如下：
[0032]
体段长度为：
[0033][0034]
其中，和分别为a、b套筒所选定长度，x为可调节的螺纹旋合长度。
[0035]
通孔直径记为d1，螺纹直径m记为d2，外圆直径记为d3，配重环直径记为d4，硅胶外皮厚度记为d5，体段总质量为计算所得m，骨架质量记为m1，双轴端部件质量记为m2，硅胶外皮质量记为m3，假人体段所用材料密度为ρ1，硅胶外皮所用材料密度为ρ2，体段惯性质量为计算所得i，骨架转动惯量记为i1，双轴端部件转动惯量记为i2，硅胶外皮转动惯量记为i3[0036][0037][0038][0039][0040]
[0041][0042]
由上述参数计算得到质量、各轴转动惯量的配重目标：
[0043]
体段添加的配重的质量目标为：
[0044]
ma＝m-m
1-m
2-m3ꢀꢀ
(8)
[0045]
由于i
x
＝iyꢀꢀ
(9)
[0046]
体段添加的配重的转动惯量目标为：
[0047]ixa
＝iy＝i-i
1-i
2-i3ꢀꢀ
(10)
[0048]iza
＝i
z-i
z1-i
z2-i
z3
ꢀꢀ
(11)
[0049]
根据体段调参数调节方法调节假人的体段惯性参数及关节转动刚度，直至满足测试过程中对人体运动特性仿真度要求，即实现假人体段的个性化惯性特征。
[0050]
作为优选，所述配重座包括基座和配重环，所述配重环固定在基座上，配重环具有多个型号，不同型号配重环的质量不同，从而实现配重座质量的调整。
[0051]
作为优选，所述配重环为环形，不同配重环的外径不同，通过更换不同的配重环实现假人四肢体段在z轴方向上的转动惯量的调整。
[0052]
所述体段惯性参数包括质心、质量、转动惯量。
[0053]
按照本发明调节优化后的假人的体段惯性参数及关节转动刚度制作假人，提高测试过程中对人体运动特性仿真度，并进一步拓宽假人应用领域。
[0054]
所述假人应用领域包括汽车碰撞测试、爆炸毁伤试验、防震救灾抗冲击试验。
[0055]
所述模拟体段用于模拟刚性骨骼，所述模拟关节用于连接不同的体段，模拟关节转动运动。
[0056]
有益效果：
[0057]
1、本发明公开的一种假人装置体段的个性化惯性特征实现方法，在需要模拟的体段中，在核磁共振图像(mri)中确定所需模拟的特定体段的质量m、质心cm、转动惯量i后，根据体段调参数调节方法将体段调至相应参数，快速、准确地使用该假人模拟具有特定惯性参数的个体，提高测试过程中对人体运动特性仿真度。
[0058]
2、本发明公开的一种假人装置体段的个性化惯性特征实现方法，建立体段长度、体段添加的配重的质量、质心、转动惯量调节解析关系，实现体段调参数调节方法，进而根据体段调参数调节方法通过操作简单调节假人的体段惯性参数及关节转动刚度，提高测试过程中对人体运动特性仿真度，并进一步拓宽假人应用领域。
附图说明
[0059]
图1为体段惯性参数计算示意图；
[0060]
图2为根据体段惯性参数可调的四肢体段设计示意图；
[0061]
其中：1—模拟体段、2—模拟关节、11—直筒、12—配重座、121—基座、122—配重环。
[0062]
图3为具有个性化惯性参数的假人体段装配图；
[0063]
其中：1-a套筒、2-b套筒、3-垫圈、4-外卡环基座、5-配重环、6-体段两端的端盖、7-关节连接、8-硅胶外皮。
[0064]
图4为本实施例公开的一种假人装置体段的个性化惯性特征实现方法流程图。
具体实施方式
[0065]
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容作进一步说明。
[0066]
实施例1
[0067]
现以99分位男性假人上臂为例，对本发明的技术方案进行详细说明：
[0068]
如图4所示，本实施例公开的一种假人装置体段的个性化惯性特征实现方法，具体实现方法为：
[0069]
步骤一、通过核磁共振成像mri得到所需模拟人体的影像，按照郑秀瑗的中国人体段划分模型，将人体划分为十五个体段，分别计算每个体段的质量m、质心cm、转动惯量i。由于在同一体段中各组织密度不同，需要分别计算并求和。
[0070]
采集医学影像并计算得到99分位男性上臂的长度l＝349mm及质量m＝1.88kg、转动惯量i
x
＝16968kg
·
mm2、iz＝1756kg
·
mm2等惯性参数。选取与该人大腿骨骼长度相近但略小、直径符合的a段和b段金属管件，长度分别为la 300mm和lb 300mm，在螺纹旋合处添加一组补足长度x的垫圈，将两段金属管件旋紧。
[0071]
步骤二、实现个性化惯性特征的假人四肢体段，并实现假人体段。
[0072]
所述模拟体段1包括模拟刚性骨骼11和配重座12，所述配重座12卡接在模拟刚性骨骼11的筒面上，所述配重座12卡接在模拟刚性骨骼11筒面不同的位置上。
[0073]
所述配重座12包括基座121和配重环122，所述配重环122固定在基座121上，配重环122具有多个型号，不同型号配重环122的质量不同，从而实现配重座12质量的调整。
[0074]
所述配重环122为环形，不同配重环122的外径不同，通过更换不同的配重环122实现模拟体段1在z轴方向上的转动惯量的调整。
[0075]
所述基座121包括两个半环形夹片1211，在半环形夹片1211的端口位置设置有螺栓孔，使得两个半环形夹片1211通过螺栓固定连接成环形，以夹持在模拟刚性骨骼11筒面上。
[0076]
所述模拟刚性骨骼11包括a套筒和b套筒，在a套筒和b套筒的连接端设置有相对应的内螺纹段和外螺纹段1121，使得上a套筒和b套筒通过螺纹连接，通过调整螺纹旋合长度，实现模拟刚性骨骼11长度的调整。
[0077]
步骤三、通过上述方法确定所需模拟的特定体段的质量m、质心cm、转动惯量i后，根据体段调参数调节方法将步骤二实现的假人四肢体段调至相应参数，即实现假人体段的个性化惯性特征。
[0078]
选定通孔直径d1＝26mm，螺纹m直径d2＝36mm，外圆直径d3＝46mm，配重环直径d4＝84mm，硅胶外皮厚度d5＝1mm
[0079]
骨架质量m1根据式(2)计算得m1＝0.61kg，双轴端部件质量m2根据式(3)计算得m2＝0.15kg，硅胶外皮质量m3根据式(4)计算得m3＝0.11kg，骨架转动惯量i1根据式(5)计算得i
x1
＝i
y1
＝6289kg
·
mm2、i
z1
＝259kg
·
mm2，双轴端部件转动惯量i2根据式(6)计算得i
x2
＝i
y2
＝3145kg
·
mm2、i
z2
＝72kg
·
mm2，硅胶外皮转动惯量i3根据式(7)计算得i
x3
＝i
y3
＝1236kg
·
mm2、i
z3
＝202kg
·
mm2。
[0080]
所需添加的配重环质量由式(8)计算得ma＝1.0kg，转动惯量由式(10)计算得i
xa
＝1368.3kg
·
mm2、i
za
＝1160.7kg
·
mm2，理论外配长度为96.6mm；
[0081]
将配重环基座固定于金属管件上，根据计算得到的上臂体段的质量m，在配重环基座上添加一组合适质量的配重ma，要去除用于模拟软组织皮肤的硅胶外皮产生的质量m3，将配重环与基座通过螺栓连接旋紧；根据计算得到的上臂的绕体段x轴、y轴、z轴的转动惯量分别为i
x
、iy、iz，其中i
x
＝iy，z轴转动惯量iz通过添加配重环的半径选取来改变；假人体段是采用回转体的金属圆筒设计，x轴和y轴上的转动惯量近似相同i
x
＝iy，在完成质量与z轴转动惯量调整后，通过改变配重环基座在金属圆筒轴向上的位置并紧固，实现对上臂体段x轴和y轴上转动惯量i
x
、iy的模拟。
[0082]
完成假人对个性化的人体惯性参数的再现，实现不同个人在实际工况下的运动情况的生物力学特性模拟，提高测试过程中对人体运动特性仿真度，并进一步拓宽假人应用领域。
[0083]
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。