多体系统行人模型及验证

杨 娜 马琳琳 赵桂范

（哈尔滨工业大学汽车工程学院1） 威海 264209） （潍柴动力股份有限公司2） 潍坊 261061）

在众多的三维汽车事故仿真软件中，行人总是作为一个刚体模型出现的.这种简化，可以极大地缩短交通事故分析的时间，在一定程度上也可以满足事故分析的需要.但是为了得到一种真实的行人碰撞仿真，行人模型应该被定义成一种多体系统模型.于是应用动力学分析软件（automatic dynamic analysis of mechanical systems，ADAMS）建立了一种多体系统中被称为无根系统的人体模型.

为了改进汽车设计，使得汽车可以减少对行人的伤害，一比一比例的汽车－行人碰撞实验是必不可少的，但无论是尸体实验还是假人实验都相当昂贵.计算机模型因其快速、廉价、逼真、稳健的优点而倍受青睐.而仿真模型的优劣则需要通过尸体实验或假人实验进行验证.并采用PMHS轨迹运动数据和一假人碰撞试验进行了对比，对本计算机模型进行了验证，同时得到了人体头部损伤数据.

1 中国成年人人体尺寸数据库

中国成年人人体尺寸数据库［1］建立于1988年，是我国目前最为完整的人体尺寸库.该库数据量约为300多万个，采用分层、整群随机抽样法，抽样测量遍及16个省市，建库人数为男（18～60岁）11 164名，女（18～55岁）11 150名.并且制定了GB10000《中国成年人人体尺寸》国家标准.

在最初的研究中，选定使用青年男性人体的基本参数，见表1所列.

表1 中国青年男性人体环节基本参数［2］

2 多体系统行人模型

2.1 模型环节几何参数

在人体运动理论分析时，经常要用模型代替实际的人体，为此当前不少学者把人体分成若干环节，而这些环节又简化成若干类型规则的刚体几何形体.从人体具体几何参数可以看出，除了上躯干外，其他环节对以形心为坐标原点的额状轴与矢状轴的转动惯量及回转半径没有显著性差异，所以此模型环节无一例外都使用椭球体来定义，各环节主要几何参数如表2所列.

表2 各主要模型环节几何参数 mm

2.2 行人模型运动关节的建立

关节是人体运动的枢纽，是传递载荷、保存能量、协助运动的重要关节，其中以肩、肘、腕、髋、膝、踝为六大主要关节.参照人体关节运动的形式，行人模型中的关节只使用旋转铰（约束2个旋转和3个移动自由度）和球铰（约束3个移动自由度）来定义.根据青年男性人体的基本参数数据在ADAMS中建立的人体模型如图1所示

图1 多体系统行人模型

关节的活动幅度是关节运动学研究的主要部分之一，在对不同尸体实验的生物力学数据基础上，可得到人体模型中各连接铰的活动幅度和刚度系数特征值.各关节的运动幅度通过ADAMS中提供的碰撞函数定义.并且碰撞力与各关节铰的合力偶矩阵一起使用，共同定义模型关节.

各人体模型相邻关节相对运动中，对于铰Hi合力偶矩阵的普遍定义如下.

如果qj＞

如果qj＜

式中：e为刚性力指数；kτa为碰撞扭簧的刚度系数；cτa为碰撞扭簧的扭阻尼系数；d为入侵深度值；step（）为一个近似标准数学step函数的函数，当qj＜－d时，函数取值为1，当qj＞时，函数取值为0；为触发距离.

3 行人－汽车－环境

在此汽车－行人碰撞中，汽车模型可以使用单一的刚体来定义.因为在这种事故中汽车刚度和质量都远远大于人体，汽车的变形和汽车的悬架系统在一定程度上可以忽略，而唯有汽车外形（如保险杠高度和发动机罩与地面角度）对于仿真结果有着重要的影响.

在整个汽车－行人碰撞模型系统中，汽车、行人、环境（如地面）之间通过建立碰撞函数的方式建立之间的联系：当一个物体与另一物体表面产生入侵时，碰撞函数将依据入侵物体相对入侵深度和入侵速度以作用力－反作用力的形式施加于两物体之上.汽车前部刚度将依据车型的不同而不同，而人体的各环节的刚度将依据生物力学得出的结论来定义［3］.

4 仿真模型与PMHS实验数据比较

Hannover医科大学的Ishikawa教授建立了一张关于人体关节点的轨迹图［4］，这些轨迹是从10个PMHS（post mortem human subjects）课题实验在3个不同碰撞速度（40，32，25km／h）下得到的汽车－行人碰撞试验中，经图像处理得到的.主要是人体的头、髋、膝、踝4个部位的运动轨迹.而且指出在3个速度下，人体运动轨迹没有较大的差别，因此在一幅图中定义了4个部位在不同速度下的轨迹范围，如图2所示.4种轨迹中要求最高的是头部的运动轨迹.

为了得到较好的头部运动仿真，模型中颈部被分成了两部分，这种改进使得模型仿真更加准确.

图3 行人速度为5m／s时撞击位置

计算机人体仿真模型各部分的运动轨迹与图2中的轨迹范围曲线进行了比较，如图3所示.由于中西方人体数据存在一定差距，在引用PMHS数据时，部分曲线只是进行了平移处理.可以看出仿真数据轨迹与PMHS实验轨迹曲线基本符合，尤其是头部和髋部的运动轨迹几乎完全在轨迹范围之内.膝部轨迹误差相对较大，主要原因是计算机仿真模型呈站立姿势，且人体矢状轴与汽车横轴相垂直的缘故.

同时经过仿真也得到了3种速度下行人模型头部质心位置的速度和加速度曲线，如图4和图5所示.

图4 3种碰撞速度下头部质心速度

图5 3种碰撞速度下头部质心加速度

头部冲击伤害标准HIC（head injury criterion），是1971年由Versace提出，被FMVSS208项（乘员保护装置标准）所采纳［5］，是一种对GSI（gaddseverityindex）改进的头部冲击伤害评价标准.头部冲击伤害标准HIC＝1 000为安全极限值.通过3种速度下加速度曲线可以求得在3种速度下的HIC值.它们分别为：（1）当速度为25km／h时，HIC＝740.2；（2）当速度为32km／h时，HIC＝1 296.3；（3）当速度为40km／h时，HIC＝1 779.9.

可以看出对于这种车型，在速度大于32km／h时，人体头部都会受到不同程度的损伤.

5 计算机仿真模型与假人模型对比

国外不少研究机构作过不少汽车－行人碰撞试验，其中包括不少尸体实验和假人实验.文献［6］就刊载了一次假人实验结果.实验中使用高速摄影机抓拍到了行人和车辆的碰撞运动图像.此模型在同样的实验条件下与之作了比较，分别为0，50，100，150ms的碰撞图像，如图6所示.

实验中汽车与行人的左侧部分发生碰撞，碰撞速度为54km／h.假人只碰到了左腿，由于碰撞力，假人开始转动并与A柱相碰.

通过仿真可以看出结果吻合较好，尤其是行人碰撞路径和碰撞位置.从仿真中可以看出人体哪些部位与汽车相撞，碰撞动作也可以清晰地得到.

鉴于中国人体特征和西方人体特征存在较大差别，本文构造了符合中国人体特征的人体多体系统模型并建立了整个人机系统的模型，用于实现人机系统的运动仿真研究.这与以往构造符合西方人体特征的人体模型进行研究相比，对研究中国人与汽车的碰撞安全更有利.

另外，该人体模型为16刚体.颈部采用球面副和移动副的组合，膝关节和踝关节采用转动副，其余各关节均采用球面副，单个人体的自由度为34.这比以往研究的刚体数较少的人体模型的自由度，灵活度都有所增加.

图6 假人实验和仿真结果对比

6 结 束 语

计算机人体仿真模型是一种十分有效的工具，它可以深入、清晰的分析汽车－行人碰撞中的安全因素.计算机仿真模型虽然无法替代实验模型，自身也存在一定的缺陷，但它在一定范围内可以得到十分有益的结果.人体在车上的位置和在地面上的位置都可以被确定.涉及人体安全的数据结果也都可以从仿真中得到.

通过仿真结果与PMHS的轨迹比较和与假人模型实验结果的图像比较，可以看出此计算机模型是可以信赖的，适合做进一步深入的研究.此模型将作为一项研究汽车被动安全和评价人体损伤的有效的工具.

［1］闫红光，娄彦涛.运动生物力学研究方法的评述［J］.沈阳体育学院学报.2007，26（2）：71－73.

［2］中国标准化与信息分类标准研究所.GB 10000—1988中国成年人人体尺寸［S］.北京：中国标准出版社，1988.

［3］谢华忠，赵启挺，张秀梅.现代汽车安全技术分析［J］.绍兴文理学院学报，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.实用汽车事故鉴定学［M］.黄永和，译.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.