航空航天仿真試驗假人研制

柳松楊 徐元銘 楊春信

（北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京 100191）

航空航天仿真試驗假人研制

柳松楊 徐元銘 楊春信

（北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京 100191）

介紹了國內航空仿真試驗假人的功能要求和研制狀況，將研制工作分為人體參數測量、機械結構、信號采集與處理和可靠性驗證4個部分進行.重點闡述了仿真試驗假人的骨架、關節和皮膚肌肉的材料選擇及結構設計特點.傳感測試能力可輸出記錄64路生理信號，整體性能接近美國軍用假人ADAM的水平，為高危的載人航空航天裝備動態性能試驗測試提供了有效工具.

動態性能試驗;仿真假人;傳感器測試

在高危的載人航空航天動態性能試驗中（如彈射救生等），由于試驗環境往往會超過人的生理耐受能力而極具危險性，因此運用仿真假人代替真人進行試驗成為了一種重要手段，它可以給載人裝備的研制提供量化的、更具指導意義的數據指標.

從1960年開始，美國RSD公司和通用汽車一直從事混合型試驗用假人——Hybrid系列的研發，以廣泛用于汽車和航空航天試驗，目前已發展到了Ⅲ型.美軍方也于20世紀80年代初研制成功了肢體約束評估假人LRE［1］，用于飛機彈射座椅的氣流吹襲防護試驗.20世紀90年代又發展了更為先進的動態仿真假人ADAM，以滿足第4代彈射座椅安全救生包線能達到1300 km/h的要求.該假人外形尺寸、質量和慣量參數符合美國第3、第97百分位的飛行員;分為17個分段，關節的活動度與真人一致，且具有擬人的阻尼特性;內部裝測量位移、速度、加速度和力（矩）的傳感器，可輸出記錄 64 路生理信號［2－3］.

我國航空航天試驗所用的假人于20世紀70年代開始研制，但發展緩慢.假人主要參數是依據當時我國飛行員的人體測量數據，僅有外形尺寸和整體重量，對人體各分段的慣性參數沒有仿真要求，僅能測胸腔三向加速度和角速度的生理參數，動態仿真能力極為有限，遠不能滿足現代裝備動態性能試驗的設計及生理評價要求.因此，研究發展先進的仿真試驗假人顯得十分重要.

1 仿真試驗假人的功能要求

仿真試驗假人最基本的功能要求是試驗時假人的生理響應信號應盡可能地與真人接近.因此，基于人體的受損機理，必須依照3點原則［4］來設計用于動態試驗測試的假人:①力學結構的仿真性;②力學性能的相似性;③重復使用性.其中，力學性能的相似性最為重要，它能保證在動態試驗測試中獲取可信的數據.仿真試驗假人應具有如下特點:

1）假人各分段的尺寸、質量及質心分布符合真人的統計數據，目前我國飛行員人體統計數據的劃分規格分為:第3、第5和第97百分位，類似于美國，但數據有所不同;

2）假人各關節的活動范圍和真人接近，其臂關節、肘關節、腕關節、膝關節、髖關節、踝關節具有擬人的多自由度運動范圍;

3）在人體結構一定的情況下，假人響應外部載荷的逼真程度取決于所使用的皮膚肌肉材料和骨架材料，材料的組合使用，可以使假人各部件具有接近真人的力（矩）-變形特性.

4）假人應具有豐富的數據測試能力，以滿足各種動態試驗測試的需要;

5）滿足假人的性能可靠性驗證.

2 仿真試驗假人的研制

仿真試驗假人的研制涉及多門學科，如人體解剖學、材料學、機械仿生學、結構力學及制造工藝等.作為一種測量裝置，還需要用到信號分析、檢測和數據采集等方面的知識.首先需要依據人體解剖學，將人體按骨性標志劃分為若干分段，通過分析人體結構和各分段的功能和關系，建立簡化的人體模型，并確定簡化后的各分段的功能及其相互關系.然后利用機械仿生學和結構力學設計出代替各分段的機械部件，并將其按分段連接關系連成一體.本文將仿真試驗假人的研制分為以下4個部分進行:人體參數測量、機械結構、信號采集與處理和可靠性驗證.

2.1 人體參數測量

文獻［5］確定第3、第50和第97百分位飛行員的主要外形尺寸，使仿真試驗假人的外形尺寸符合現役相應百分位飛行員人體尺寸.將假人分為14個運動分段，分別為:頭頸、軀干（上下軀干固定）、左（右）上臂、左（右）前臂、左（右）手、左（右）大腿、左（右）小腿和左（右）腳.分析相應百分位飛行員整體及14個分段的重量、重心和轉動慣量.研制假人慣性測量裝置，用于仿真假人的整體及14個分段的慣性參數的測量和驗證.人體各分段劃分以明顯的骨性標志為分界點［6］.假人大腿制造尺寸為解剖大腿尺寸減（Δ1+Δ2）;假人小腿制造尺寸等于解剖小腿尺寸加Δ1;假人上臂制造尺寸等于解剖上臂尺寸加Δ3;假人前臂制造尺寸等于解剖前臂尺寸減Δ3.其中，Δ1=膝高－脛骨點高;Δ2=髂嵴點高－大轉子點高;Δ3=橈骨點高－肘高.

各運動分段是靠關節鏈接的，通過分析研究，假人四肢大關節的活動范圍如表1所示.

表1 上下肢自由度運動范圍

2.2 機械結構

2.2.1 材料選擇

仿真試驗假人的結構主要由金屬骨架、關節和仿真皮膚肌肉組成.金屬骨架常用鋁合金、鈦合金和鋼材料制造;仿真皮膚肌肉、關節摩擦片和阻尼塊等常用非金屬材料制造.采用金屬材料既可以模擬真人的骨骼剛度，又能增加假人的強度.表2給出了目前研制的仿真試驗假人的結構材料類型.

表2 動態仿真試驗假人結構材料

頸椎和腰椎往往需要有較強的彈性支撐，可選用硬橡膠.關節部分有阻尼減振和摩擦要求，可選用尼龍或聚四氟乙烯作減振片.

皮膚材料要有良好的拉伸性、彈性和韌性、抗撕裂能力強，且緩沖性能好;可通過試驗來選用合適的復合高分子材料，如硅橡膠.泡沫可用來作肌肉，起到緩解沖擊力和控制重量的作用.此外，皮膚肌肉材料還應具有良好的電絕緣性及加工制作方便等.

2.2.2 骨架及關節結構的設計

骨架的設計除要考慮人體測量給出的各分段的外形尺寸、慣性參數和關節活動度外，還要滿足強度要求.骨架結構在試驗中常需要受到較大的沖擊力，因此其強度要能承受動態試驗測試所提出的技術指標，如第4代彈射座椅救生速度1300 km/h的高速氣流吹襲要求.

骨架的整體結構是根據機構理論建立起來的多剛體機械系統，其主要部件為頭、頸、胸腔、腰椎、骨盆、肩關節、上臂、肘關節、前臂、腕關節、手、髖關節、大腿、膝關節、小腿、踝關節和腳.因此，具體分析時，可先通過建立彈射座椅-假人系統的動力學數學模型，四肢處于自由狀態，求出高氣流速度下各部件所承受的最大載荷，并以此作為強度設計的依據，安全系數取1.5.根據強度設計要求與人體各分段的慣性參數選用骨架金屬材料;參照人體各分段的硬度選用仿真皮膚肌肉材料.傳感器的安裝要符合信號采集與處理的要求.圖1為所研制的動態仿真假人骨架示意圖.

圖1 動態仿真假人骨架

關節的設計要滿足人體四肢大關節的活動范圍.肩關節、肘關節、髖關節和膝關節的設計要考慮IG平衡及關節的阻尼.傳感器作為骨架的一部分固定在骨架上.大多數假人要求為坐姿，而彈射假人還有站姿要求，因此髖關節的設計是必須的，它連接大腿和軀干，具有兩個自由度，分別實現大腿相對軀干前后擺和左右側擺，兩個自由度運動情況分別通過一個角位移傳感器測量.

以右側髖關節為例，髖關節主體結構可設計為一個叉型構件（圖2），叉型端面的孔與軀干外伸的額狀面水平軸構成一個轉動副，實現大腿前后擺動;叉型構件兩個側板上同軸的兩個孔，通過一個與大腿固接的轉軸，構成另外一個轉動副，實現大腿左右側擺.

在髖關節結構設計中，不僅要實現運動，而且還需要滿足關節自由度限位、關節阻尼、關節摩擦力、角位移傳感器的安裝、關節摩擦力調整等要求.圖3為髖側擺關節的限位方式，利用髖叉型構件側板上的凸臺實現活動范圍.軟擋塊與硬擋塊粘接，實現關節到達極限位置時對碰撞力的吸收，模擬人體關節阻尼.軟擋塊采用高分子材料，周向原始尺寸為22°，可壓縮角度為15°.

圖2 髖關節結構設計三維圖示意圖

圖3 髖側擺關節的限位方式和關節阻尼

每個活動關節都具有一定的摩擦力，可以克服肢體的自重，使在沒有其他外力作用時肢體可以保持某一姿態.摩擦力主要通過相對運動的兩個構件之間的摩擦片實現.摩擦片由高分子材料加工而成，摩擦系數比較大，為了保證具有確定的摩擦面，摩擦片采用圖4所示兩種方式.

圖4 髖側擺關節內外側摩擦片

2.2.3 皮膚肌肉的設計

假人皮膚肌肉的設計制造是外部形態仿生的關鍵.仿真皮膚肌肉分兩層，用拉鏈閉合.除了選用符合人體生物力學特性的材料以外，外部造型的整體設計必須模擬真人皮膚的結構和造型、方便裝卸、與假人骨架完全配合、最大程度地包裹金屬骨架.根據假人骨架的設計進行肌肉各分段的劃分（圖5）.皮膚的加入將會對假人整體及各分段的參數產生影響，因此在設計初期就必須加以考慮和控制.

仿真皮膚肌肉各個環節的細節設計必須解決皮膚和骨架之間、皮膚和皮膚之間所存在的動態和靜態的摩擦問題，以消除在假人關節活動中肌肉對運動的阻力.

圖5 皮膚各環節設計總體圖

2.3 信號采集和處理

傳感器作為假人結構的一部分嵌入骨架中.傳感器的數量、安裝部位及技術要求可根據動態試驗測試要求及參照國內外相關軍用標準的人體生理耐限要求來制定.仿真試驗假人所記錄的信號包括載荷（力、力矩）、變形位移、角位移、角速度、加速度和溫度，所用的傳感器見表3.

信號記錄系統采用自行研制的固態記錄器及其供電電源，一并安裝在假人胸腔內，能實時采集和記錄64個通道信號.信號的記錄采用Flash和帶電RAM.固態記錄器包括:信號調理、A/D轉換器、中央控制器、存儲顯示和I/O輸入輸出電路，并有邏輯控制單元進行控制［7］.數據處理分析軟件可直接讀出數據曲線或任一曲線段上點的數值及統計值;可直接計算人體部分生理損傷耐限，如頭部損傷耐限HIC，以及動態響應指數DRI等.

2.4 可靠性驗證

在使用假人時，由于各種各樣的問題和原因會造成假人皮膚或骨架損壞的情況發生，這對假人的仿真性能會產生很大的影響.因此，為了保證每次試驗都能通過假人獲取到可靠的數據，必須對假人進行性能驗證.目前所研制的仿真試驗假人已進行了高低溫試驗、電磁兼容性試驗、振動試驗、地面火箭滑車試驗、高速氣流吹襲試驗和垂直沖擊試驗，如圖6所示.

圖6 仿真假人沖擊試驗

表3 仿真假人骨架上固定的傳感器

3 結論

仿真試驗假人是航空航天動態試驗中一項重要的測試工具，具有人體的仿生結構，能模擬人體各分段的運動和轉動;柔性皮膚結構具有擬人的拉伸彈性模量、邵氏硬度;具有力、加速度、位移量、角位移等生物力學參數獲取能力，能反映人體各分段受力大小、運動方向和位移等.它作為一個量具可以評價在高危的動態試驗中各種載荷是否會造成飛行員或宇航員的損傷，并為裝備（尤其是救生防護裝備）的設計和研制定型提供可靠依據.

目前研制的航空航天試驗用的仿真試驗假人，從參數計算、結構設計到材料選擇都滿足生物力學仿真假人的要求，具有形態相似性，生物力學仿真性和結構等效性，其性能介于美國軍用的LRE假人與ADAM仿真假人之間;可以說，本仿真試驗假人的研制實現了我國柔性動態仿真假人研究的跨越式發展.

（References）

［1］Whire R P，Gusin I W.Preliminary design of limb restraint evaluator［R］.AD-A 151749，1985

［2］White R P，Bartol A M.ADAM:the next step in development of the true human analog［J］.Safe J，1987，17（1）:50－57

［3］Frisch P H.Design and development of an enhanced biodynamic manikin［R］.AD-A 284725，1994

［4］袁中凡，林大全，周兵，等，直升機防墜毀試驗假人的研制與標定［J］.四川大學學報:工程科學版，2007，39（2）:160－163

Yuan Zhongfan，Lin Daquan，Zhou Bing，et al.The Production and calibration of the helicopter anti-prang experiment dummy［J］. JournalofSichuan University:EngineeringScience Edition，2007，39（2）:160－163（in Chinese）

［5］GJB 4856—2003中國男性飛行員人體尺寸［S］GJB 4856—2003 Chinese male pilot body parameters［S］（in Chinese）

［6］戢敏，袁中凡，林大全.仿真假人人體參數的計算和分析［J］.中國測試技術，2003（4）:37－39

Ji Min，Yuan Zhongfan，Lin Daquan.Calculation and analysis ofdummy body parameters［J］. China Measurement Technology，2003（4）:37－39（in Chinese）

［7］楊毅，柳松楊，劉寶善，等.標準動態仿真假人內部數據采集系統設計［C］//全國第十屆安全救生學術交流會文集.武漢:湖北省科學技術協會，2006:62－66

Yang Yi，Liu Songyang，Liu Baoshan，et al.System design of internal data collection of standard dynamic anthropomorphic manikin［C］//Proceeding of 10thMeeting of Safety and Emergency forAviation.Wuhan:HubeiAssociation for Science ＆Technology，2006:62-66（in Chinese）

Development of experiment dummy for aerospace dynamic experiment testing

Liu Songyang Xu Yuanming Yang Chunxin
（School of Aeronautic Science and Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）

The performance and development status of experiment dummy for national aerospace dynamic experiment testing was introduced.The development task can be divided into four parts:the human body parameter measuring system，dummy mechanical structure system，data collection and processing system，and dummy reliability validation system.The emphasis was put on the description of material selection and structural design features of the skeletons，joints and skin of the dummy.The dummy sensing ability can output 64 channel physical signals，and the overall performance of the dummy is near to American military dummy ADAM.It can be used as an effective tool for dangerous dynamic experiment testing in aerospace domain.

dynamic experiment testing;experiment dummy;sensor testing

TP 206.1

A

1001-5965（2012）02-0191-04

2010-09-25;< class="emphasis_bold">網絡出版時間:

時間:2011-12-27 10:38;

CNKI:11-2625/V.20111227.1038.008

www.cnki.net/kcms/detail/11.2625.V.20111227.1038.008.html

柳松楊（1965－），男，湖北鄂州人，博士生，xuymg@sina.com.

（編 輯:李 晶）