一种假人装置体段的个性化惯性特征实现方法与流程

技术特征：
1.一种假人装置体段的个性化惯性特征实现方法，其特征在于：包括以下步骤，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；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；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；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；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；调节假人体段参数的方法如下：体段长度为：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；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i
33333
由上述参数计算得到质量、各轴转动惯量的配重目标：体段添加的配重的质量目标为：m
a
＝m-m
1-m
2-m3ꢀꢀ
(8)由于i
x
＝i
y
ꢀꢀ
(9)体段添加的配重的转动惯量目标为：i
xa
＝i
y
＝i-i
1-i
2-i3ꢀꢀ
(10)i
za
＝i
z-i
z1-i
z2-i
z3
ꢀꢀ
(11)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。2.如权利要求1所述的一种假人装置体段的个性化惯性特征实现方法，其特征在于：按照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。3.如权利要求2所述的一种假人装置体段的个性化惯性特征实现方法，其特征在于：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。4.如权利要求1、2或3所述的一种假人装置体段的个性化惯性特征实现方法，其特征在于：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
，截体体积为：v
ij
＝(a
ij
a
ij 1
)
×
h/2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；则某体段的总质量为：m＝∑(ρ
j
∑v
ij
)其中，v为组织体积，ρ
j
为组织密度，j为不同组织，i为不同切片；体段的质心cm位置为：x
cm
＝∑[ρ
j
∑(x
ij-x0)v
ij
]/∑(ρ
j
∑v
ij
)y
cm
＝∑[ρ
j
∑(y
ij-y0)v
ij
]/∑(ρ
j
∑v
ij
)z
cm
＝∑[ρ
j
∑(z
ij-z0)v
ij
]/∑(ρ
j
∑v
ij
)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，ρ
j
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；体段的转动惯量为：i
x
＝∑{i
xn
ρ
j
∑v
ij
[(y
ij-y
cm
)2 (z
ij-z
cm
)2]}i
y
＝∑{i
yn
ρ
j
∑v
ij
[(x
ij-x
cm
)2 (z
ij-z
cm
)2]}i
z
＝∑{i
zn
ρ
j
∑v
ij
[(x
ij-x
cm
)2 (y
ij-y
cm
)2]}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，ρ
j
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。5.如权利要求1或2所述的一种假人装置体段的个性化惯性特征实现方法，其特征在于：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x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。6.如权利要求5所述的一种假人装置体段的个性化惯性特征实现方法，其特征在于：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。7.如权利要求5所述的一种假人装置体段的个性化惯性特征实现方法，其特征在于：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。

技术总结
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，属于检测技术领域。本发明在需要模拟的体段中，在核磁共振图像MRI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；本发明建立体段长度、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。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。置。置。


技术研发人员：万超 侯世杰
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2021.11.01
技术公布日：2022/2/7