多體系統行人模型及驗證

楊 娜 馬琳琳 趙桂范

（哈爾濱工業大學汽車工程學院1） 威海 264209） （濰柴動力股份有限公司2） 濰坊 261061）

在眾多的三維汽車事故仿真軟件中，行人總是作為一個剛體模型出現的.這種簡化，可以極大地縮短交通事故分析的時間，在一定程度上也可以滿足事故分析的需要.但是為了得到一種真實的行人碰撞仿真，行人模型應該被定義成一種多體系統模型.于是應用動力學分析軟件（automatic dynamic analysis of mechanical systems，ADAMS）建立了一種多體系統中被稱為無根系統的人體模型.

為了改進汽車設計，使得汽車可以減少對行人的傷害，一比一比例的汽車－行人碰撞實驗是必不可少的，但無論是尸體實驗還是假人實驗都相當昂貴.計算機模型因其快速、廉價、逼真、穩健的優點而倍受青睞.而仿真模型的優劣則需要通過尸體實驗或假人實驗進行驗證.并采用PMHS軌跡運動數據和一假人碰撞試驗進行了對比，對本計算機模型進行了驗證，同時得到了人體頭部損傷數據.

1 中國成年人人體尺寸數據庫

中國成年人人體尺寸數據庫［1］建立于1988年，是我國目前最為完整的人體尺寸庫.該庫數據量約為300多萬個，采用分層、整群隨機抽樣法，抽樣測量遍及16個省市，建庫人數為男（18～60歲）11 164名，女（18～55歲）11 150名.并且制定了GB10000《中國成年人人體尺寸》國家標準.

在最初的研究中，選定使用青年男性人體的基本參數，見表1所列.

表1 中國青年男性人體環節基本參數［2］

2 多體系統行人模型

2.1 模型環節幾何參數

在人體運動理論分析時，經常要用模型代替實際的人體，為此當前不少學者把人體分成若干環節，而這些環節又簡化成若干類型規則的剛體幾何形體.從人體具體幾何參數可以看出，除了上軀干外，其他環節對以形心為坐標原點的額狀軸與矢狀軸的轉動慣量及回轉半徑沒有顯著性差異，所以此模型環節無一例外都使用橢球體來定義，各環節主要幾何參數如表2所列.

表2 各主要模型環節幾何參數 mm

2.2 行人模型運動關節的建立

關節是人體運動的樞紐，是傳遞載荷、保存能量、協助運動的重要關節，其中以肩、肘、腕、髖、膝、踝為六大主要關節.參照人體關節運動的形式，行人模型中的關節只使用旋轉鉸（約束2個旋轉和3個移動自由度）和球鉸（約束3個移動自由度）來定義.根據青年男性人體的基本參數數據在ADAMS中建立的人體模型如圖1所示

圖1 多體系統行人模型

關節的活動幅度是關節運動學研究的主要部分之一，在對不同尸體實驗的生物力學數據基礎上，可得到人體模型中各連接鉸的活動幅度和剛度系數特征值.各關節的運動幅度通過ADAMS中提供的碰撞函數定義.并且碰撞力與各關節鉸的合力偶矩陣一起使用，共同定義模型關節.

各人體模型相鄰關節相對運動中，對于鉸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；kτa為碰撞扭簧的剛度系數；cτa為碰撞扭簧的扭阻尼系數；d為入侵深度值；step（）為一個近似標準數學step函數的函數，當qj＜－d時，函數取值為1，當qj＞時，函數取值為0；為觸發距離.

3 行人－汽車－環境

在此汽車－行人碰撞中，汽車模型可以使用單一的剛體來定義.因為在這種事故中汽車剛度和質量都遠遠大于人體，汽車的變形和汽車的懸架系統在一定程度上可以忽略，而唯有汽車外形（如保險杠高度和發動機罩與地面角度）對于仿真結果有著重要的影響.

在整個汽車－行人碰撞模型系統中，汽車、行人、環境（如地面）之間通過建立碰撞函數的方式建立之間的聯系：當一個物體與另一物體表面產生入侵時，碰撞函數將依據入侵物體相對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.汽車前部剛度將依據車型的不同而不同，而人體的各環節的剛度將依據生物力學得出的結論來定義［3］.

4 仿真模型與PMHS實驗數據比較

Hannover醫科大學的Ishikawa教授建立了一張關于人體關節點的軌跡圖［4］，這些軌跡是從10個PMHS（post mortem human subjects）課題實驗在3個不同碰撞速度（40，32，25km／h）下得到的汽車－行人碰撞試驗中，經圖像處理得到的.主要是人體的頭、髖、膝、踝4個部位的運動軌跡.而且指出在3個速度下，人體運動軌跡沒有較大的差別，因此在一幅圖中定義了4個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動軌跡.

為了得到較好的頭部運動仿真，模型中頸部被分成了兩部分，這種改進使得模型仿真更加準確.

圖3 行人速度為5m／s時撞擊位置

計算機人體仿真模型各部分的運動軌跡與圖2中的軌跡范圍曲線進行了比較，如圖3所示.由于中西方人體數據存在一定差距，在引用PMHS數據時，部分曲線只是進行了平移處理.可以看出仿真數據軌跡與PMHS實驗軌跡曲線基本符合，尤其是頭部和髖部的運動軌跡幾乎完全在軌跡范圍之內.膝部軌跡誤差相對較大，主要原因是計算機仿真模型呈站立姿勢，且人體矢狀軸與汽車橫軸相垂直的緣故.

同時經過仿真也得到了3種速度下行人模型頭部質心位置的速度和加速度曲線，如圖4和圖5所示.

圖4 3種碰撞速度下頭部質心速度

圖5 3種碰撞速度下頭部質心加速度

頭部沖擊傷害標準HIC（head injury criterion），是1971年由Versace提出，被FMVSS208項（乘員保護裝置標準）所采納［5］，是一種對GSI（gaddseverityindex）改進的頭部沖擊傷害評價標準.頭部沖擊傷害標準HIC＝1 000為安全極限值.通過3種速度下加速度曲線可以求得在3種速度下的HIC值.它們分別為：（1）當速度為25km／h時，HIC＝740.2；（2）當速度為32km／h時，HIC＝1 296.3；（3）當速度為40km／h時，HIC＝1 779.9.

可以看出對于這種車型，在速度大于32km／h時，人體頭部都會受到不同程度的損傷.

5 計算機仿真模型與假人模型對比

國外不少研究機構作過不少汽車－行人碰撞試驗，其中包括不少尸體實驗和假人實驗.文獻［6］就刊載了一次假人實驗結果.實驗中使用高速攝影機抓拍到了行人和車輛的碰撞運動圖像.此模型在同樣的實驗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.

實驗中汽車與行人的左側部分發生碰撞，碰撞速度為54km／h.假人只碰到了左腿，由于碰撞力，假人開始轉動并與A柱相碰.

通過仿真可以看出結果吻合較好，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相撞，碰撞動作也可以清晰地得到.

鑒于中國人體特征和西方人體特征存在較大差別，本文構造了符合中國人體特征的人體多體系統模型并建立了整個人機系統的模型，用于實現人機系統的運動仿真研究.這與以往構造符合西方人體特征的人體模型進行研究相比，對研究中國人與汽車的碰撞安全更有利.

另外，該人體模型為16剛體.頸部采用球面副和移動副的組合，膝關節和踝關節采用轉動副，其余各關節均采用球面副，單個人體的自由度為34.這比以往研究的剛體數較少的人體模型的自由度，靈活度都有所增加.

圖6 假人實驗和仿真結果對比

6 結 束 語

計算機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－行人碰撞中的安全因素.計算機仿真模型雖然無法替代實驗模型，自身也存在一定的缺陷，但它在一定范圍內可以得到十分有益的結果.人體在車上的位置和在地面上的位置都可以被確定.涉及人體安全的數據結果也都可以從仿真中得到.

通過仿真結果與PMHS的軌跡比較和與假人模型實驗結果的圖像比較，可以看出此計算機模型是可以信賴的，適合做進一步深入的研究.此模型將作為一項研究汽車被動安全和評價人體損傷的有效的工具.

［1］閆紅光，婁彥濤.運動生物力學研究方法的評述［J］.沈陽體育學院學報.2007，26（2）：71－73.

［2］中國標準化與信息分類標準研究所.GB 10000—1988中國成年人人體尺寸［S］.北京：中國標準出版社，1988.

［3］謝華忠，趙啟挺，張秀梅.現代汽車安全技術分析［J］.紹興文理學院學報，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.實用汽車事故鑒定學［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.