CN114577493A - 一种假人手部结构及假人手部结构碰撞响应方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及汽车碰撞测试领域，具体而言，涉及一种假人手部结构及假人手部结构碰撞响应方法。所述假人手部结构包括多个指关节、多个指关节旋转轴、手掌、多个内侧弹性部件和多个外侧弹性部件，多个所述指关节之间采用所述指关节旋转轴相连，所述指关节与所述手掌之间通过所述指关节旋转轴相连；所述内侧弹性部件连接于由所述指关节形成的手指的内侧，所述外侧弹性部件连接于由所述指关节形成的手指的外侧，所述内侧弹性部件和所述外侧弹性部件用于带动所述手指弯曲。该假人手部结构在碰撞测试时可实现主动抓握的效果。
Description
技术领域
本发明涉及汽车碰撞测试领域，具体而言，涉及一种假人手部结构及假人手部结构碰撞响应方法。
背景技术
汽车被动安全性是保护驾乘人员生命安全的重要技术保障，其需要汽车碰撞试验获取人体在碰撞过程中的伤害数据，而汽车碰撞试验假人就是代***模拟真实人体受到伤害、用于评估汽车被动安全性能的关键测试***。然而现有的碰撞试验法规中所使用的假人并不能体现在碰撞过程中人的肌肉主动作用，尤其是手部肌肉提供的主动抓握方向盘的作用，传统碰撞试验假人的手部结构都是简单的橡胶结构，不具有活动抓握功能，而真实人体在碰撞过程中会紧握方向盘，因此会碰撞假人在碰撞过程中假人的运动姿态与真人的并不一致，导致测试结果不准确，因此研究假人的手部主动肌肉结构有非常重要的意义。
现阶段对于假人肌肉研究的文献比较多，国内专利CN201920023206.4公开了一种磁力仿真肌肉结构，通过磁场的排斥力原理可以实现仿真肌肉的任意伸缩程度，并且可以实现控制所需力量的大小。专利CN201420028320.3公开了一种仿真肌肉结构，通过控制***和电机的联合作用，能够实现仿真肌肉伸缩的效果，并通过牵动面部弹性皮肤实现仿真机器人的面部表情变化的目的。专利CN201710396295.2公开了一种人工肌肉及仿真手臂，解决了现有技术中人工肌肉的结构复杂，且容易导致液体溶剂泄漏的技术问题。根据现有文献分析，对于碰撞假人手部主动肌肉的控制研究很少，且现有的仿真肌肉的主动功能的实现多是电机控制或磁力控制，而这类结构不适用于碰撞假人手部指关节狭小体积内的安装。并且碰撞假人的手部在碰撞过程中，手部会出现握紧方向盘，超过一定力会从方向盘上脱开，如果是电机控制或磁力控制的指关节结构，在撞击环境下的可靠性很难保证，且控制***会极其复杂，容易损坏，不适用于实现碰撞假人手部肌肉的主动抓握功能。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种假人手部结构及假人手部结构碰撞响应方法，以实现在碰撞测试时假人手部可主动抓握的效果。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种假人手部结构，包括多个指关节、多个指关节旋转轴、手掌、多个内侧弹性部件和多个外侧弹性部件，多个所述指关节之间采用所述指关节旋转轴相连，所述指关节与所述手掌之间通过所述指关节旋转轴相连；
所述内侧弹性部件连接于由所述指关节形成的手指的内侧，所述外侧弹性部件连接于由所述指关节形成的手指的外侧，所述内侧弹性部件和所述外侧弹性部件用于带动所述手指弯曲。
第二方面，本发明提供了一种包含上述假人手部结构的假人。
第三方面，本发明提供了一种上述假人在汽车碰撞测试领域中的应用。
第四方面，本发明提供了一种假人手部结构碰撞响应方法，包括：
根据汽车碰撞测试试验过程中假人的头部加速度信号、头部角速度信号和胸部加速度信号，确定假人头部加速度、假人头部位移和假人胸部加速度；
根据手部动作触发条件、所述假人头部加速度、所述假人头部位移和所述假人胸部加速度，输出假人手部抓握信号；
其中，所述假人为上述假人。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的假人手部结构采用多个指关节旋转轴、多个内侧弹性部件和多个外侧弹性部件，使得假人指关节在内侧弹性部件和外侧弹性部件的带动下，依靠指关节旋转轴转动，从而实现抓握功能，其中，内侧弹性部件和外侧弹性部件起到模拟人手部肌肉的作用，假人的每根手指都可根据弹性部件的弹性大小调节其弯曲程度。该手部结构相对纯机械电控结构更加简单，可操作性强，能提高碰撞假人运动姿态与真人运动姿态的一致性。
本发明提供的假人手部结构碰撞响应方法基于头部加速度信号、头部角速度信号和胸部加速度信号和手部动作触发条件，在碰撞测试时激发假人手部主动抓握方向盘的动作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例1提供的假人手部结构的结构示意图；
图2是实施例1中指关节的结构示意图；
图3是实施例1中包含驱动控制组件的假人手部结构的结构示意图；
图4是实施例4提供的假人手部结构碰撞响应方法的流程图。
图标：1-指关节；2-指关节旋转轴；3-手掌；4-内侧弹性部件；5-外侧弹性部件；6-外限位点；7-外固定点；8-内限位点；9-内固定点；10-手臂骨架；1101-第一固定点；1102-第二固定点；12-锁紧机构；13-电机；14-控制器；15-加速度计；16-角速度计；17-齿轮；1201-止动块；1202-夹紧块；18-方向盘；19-滑轨。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参见图1，本实施例提供了一种假人手部结构，包括多个指关节1、多个指关节旋转轴2、手掌3、多个内侧弹性部件4和多个外侧弹性部件5，多个指关节1之间采用指关节旋转轴2相连，指关节1与手掌3之间通过指关节旋转轴2相连；
内侧弹性部件4连接于由指关节1形成的手指的内侧，外侧弹性部件5连接于由指关节1形成的手指的外侧，内侧弹性部件4和外侧弹性部件5用于带动所述手指弯曲。
其中，内侧弹性部件是指位于假人手部的手心一侧的弹性部件。外侧弹性部件是指位于假人手部的手背一侧的弹性部件。从图1中可以看出，上述假人手部结构可握住方向盘18。
本实施例中的假人手部结构采用多个指关节旋转轴、多个内侧弹性部件和多个外侧弹性部件，使得假人指关节在内侧弹性部件和外侧弹性部件的带动下，依靠指关节旋转轴转动，从而实现抓握功能，其中，内侧弹性部件和外侧弹性部件起到模拟人手部肌肉的作用，假人的每根手指都可根据弹性部件的弹性大小调节其弯曲程度。该手部结构相对纯机械电控结构更加简单，可操作性强，能提高碰撞假人运动姿态与真人运动姿态的一致性。
可选地，指关节采用3D打印的光敏树脂材料制成，大拇指由两个指关节构成，其余四根手指均由三个指关节构成。
可选地，内侧弹性部件或外侧弹性部件各自独立地可选用弹性橡皮绳、弹性橡皮带或弹簧等，优选为弹性橡皮绳(本实施例附图中以弹性橡皮绳为例)。
优选地，如图2所示，指关节1上设置有滑轨19。从图2中可以看出，相邻的两个指关节之间通过滑轨的配合，可以实现指关节的活动旋转。
进一步地，如图1所示，所述手指外侧设置有外限位点6和外固定点7，所述手指内侧设置有内限位点8和内固定点9，外侧弹性部件5连接于外限位点6和外固定点7上，内侧弹性部件4连接于内限位点8和内固定点9上。
优选地，手指最外端的指关节上均只设置有外固定点和内固定点，这样方便使指关节弯曲。手指上除最外端的其他指关节上除了设置外固定点和内固定点，还设置内限位点和外限位点，用来约束弹性部件的位置。
进一步地，外侧弹性部件5的末端和内侧弹性部件4的末端均固定在手臂骨架10上，手臂骨架10与手掌3相连。外侧弹性部件和内侧弹性部件设置在手臂骨架上是为了便于在拉动内侧弹性部件时，实现手部抓握的效果。如图3所示，外侧弹性部件5的末端固定在第二固定点1102处，内侧弹性部件4的末端谷底在第一固定点1101处，第一固定点1101和第二固定点1102均位于手臂骨架10上。
可选地，在手掌上可设置螺纹安装孔，用来与手臂骨架连接。
进一步地，内侧弹性部件4或外侧弹性部件5为直径为1-2mm的弹性橡皮绳。上述弹性橡皮绳的直径包括但不限于1mm、1.5mm或2mm等。
进一步地，如图3所示，所述假人手部结构还包括驱动控制组件，所述驱动控制组件包括锁紧机构12、电机13、控制器14、加速度计15和角速度计16，锁紧机构12用于锁紧和释放内侧弹性部件4，电机13分别与锁紧机构12和控制器14相连，控制器14还分别与加速度计15和角速度计16相连，加速度计15用于采集假人头部和胸部的加速度信号，角速度计16用于采集假人头部的角速度信号；控制器14用于接收加速度计15和角速度计16的信号，并发出电机13控制信号；
内侧弹性部件4位于锁紧机构12前方部分的拉力小于内侧弹性部件4位于锁紧机构12后方部分的拉力。
该驱动控制组件可根据加速度计和角速度计的信号，自动发出电机控制信号，电机带动锁紧机构的运动，从而实现锁紧和释放内侧弹性部件的效果，当释放内侧弹性部件时，由于后方拉力大于前方拉力，因此可增大前方拉力，从而使假人手部开始收紧。
优选地，外侧弹性部件的拉力等于内侧弹性部件位于锁紧机构前方的拉力。
优选地，内侧弹性部件位于锁紧机构前方部分的拉力至少为内侧弹性部件位于锁紧机构后方部分的拉力的一半。
可选地，加速度计可分为头部加速度计和胸部加速度计，以分别采集假人头部的加速度信号和胸部的加速度信号。
进一步地，锁紧机构12包括相互连接的止动块1201和夹紧块1202，夹紧块1202还与内侧弹性部件4相连；
所述驱动控制组件还包括齿轮17，齿轮17分别与电机13和止动块1201相连。
在未发生碰撞时，该锁紧机构的止动块能够保持稳定，当发生碰撞时，控制器控制电机工作，电机通过齿轮带动止动块发生偏转，当止动块偏转到一定角度时，夹紧块完全释放，手部开始收紧。
假人装载到汽车上后，对于每根手指来说，设定外侧弹性部件的拉力为T1，内侧弹性部件T2段(即内侧弹性部件位于锁紧机构前方的部分)的拉力为T2，手部稳定的扶在汽车方向盘上，各部分弹性部件的拉力关系如下：
k1＝YD/L1
k2＝YD/L2
T1＝k1×(L1’-L1)
T2＝k2×(L2’-L2)
T1＝T2
其中k1为外侧弹性部件的弹性系数，k2为内侧弹性部件的弹性系数(对于同款材料来说，弹性部件的弹性系数并不是固定的，其与弹性部件的初始长度及横截面积均有关系)。Y为弹性部件的弹性模量(该系数是与材料本身相关的一个材料常数，与成形的物品状态无关)。D为内侧弹性部件和外侧弹性部件的横截面积，内侧弹性部件和外侧弹性部件的横截面积相等。L1为外侧弹性部件的初始长度(初始长度即自由长度，弹性部件未受力时的长度)，L2同一根手指上与外侧弹性部件相对应的内侧弹性部件的初始长度；L1’为外侧弹性部件安装在手指上后的长度，L2’内侧弹性部件安装后的长度。
通过以上公式可以计算出L1’和L2’之间的长度关系，根据该长度关系可设置内侧弹性部件和外侧弹性部件安装后的长度。
另外夹紧块和内侧弹性部件末端固定点之间的部分T3段(即内侧弹性部件位于锁紧机构后方的部分)，拉力为T3，是起到手指握紧的关键作用，其中T3力的表达式为：
k3＝YD/L3
T3＝k3×(L3’-L3)
其中k3为T3段弹性部件的弹性系数，L3为T3段弹性部件的初始长度，L3’为T3段弹性部件安装后的长度。
其中T3段与T2段弹性部件是一体结构，只是用夹紧块夹住了一部分，夹住的那一部分不发生形变，未发生碰撞情况下，T2段和T3段力的状态例如为：T3＝2T2。
在发生碰撞后，夹紧块释放内侧弹性部件，由于T3段弹性部件拉力T3比较大，可迅速将T2段的弹性部件拉力增大，增大后的拉力变为T4，T2段和T3段的长度变为L4：T4＝YD/(L2+L3)×(L4-L2’-L3’)>T2。
优选地，所述止动块采用U型止动块。
实施例2
本实施例提供了一种包含实施例1假人手部结构的假人。该假人包含上述假人手部结构，因而至少具有与上述假人手部结构相同的优势。
应当理解的是，本实施例中的假人重点在于包含实施例1中的假人手部结构，对假人的其他结构不做特别限制，采用本领域可实现相应功能的结构即可。
实施例3
本实施例提供了一种实施例2所述的假人在汽车碰撞测试领域中的应用。将上述假人应用到汽车碰撞测试当中，可更加真实的模拟驾驶员在汽车碰撞过程中手部的动作响应情况。
实施例4
如图4所示，本实施例提供了一种假人手部结构碰撞响应方法，包括以下步骤：
S110、根据汽车碰撞测试试验过程中假人的头部加速度信号、头部角速度信号和胸部加速度信号，确定假人头部加速度、假人头部位移和假人胸部加速度。
当汽车发生碰撞时，假人的头部和胸部均会发生运动，本步骤根据加速度计和角速度计采集的相关信号来确定假人的头部加速度、假人头部位移和假人胸部加速度。
当假人安装到待测车辆座椅上后，定义假人所在座椅右后方的安装点螺丝中心为坐标原点，xy面为水平地面，x方向平行于车门下端梁的方向，z方向垂直于水平地面。
优选地，假人头部加速度采用以下公式计算：
其中，aH为假人头部加速度，aHx为假人头部x方向的加速度，aHy为假人头部y方向的加速度，aHz为假人头部z方向的加速度。
假人头部位移采用以下公式计算：
其中，SX为假人头部x方向的位移，SY为假人头部y方向的位移，SZ为假人头部z方向的位移。
其中，Sx＝∫Vxdt×∫ωxdt，Vx＝∫aHxdt，ωx＝∫ωaxdt；Sy＝∫Vydt×∫ωydt，Vy＝∫aHydt，ωy＝∫ωaydt；Sz＝∫Vzdt×∫ωzdt，Vz＝∫aHzdt，ωz＝∫ωazdt。Vx为假人头部x方向的速度，ωx为假人头部x方向旋转角度，ωax为假人头部x方向角加速度；Vy为假人头部y方向的速度，ωy为假人头部y方向旋转角度，ωay为假人头部y方向角加速度；Vz为假人头部z方向的速度，ωz为假人头部z方向旋转角度，ωaz为假人头部z方向角加速度。
假人胸部加速度采用以下公式计算：
其中，aCx为假人胸部x方向的位移，aCy为假人胸部y方向的位移，aCz为假人胸部z方向的位移。
S120、根据手部动作触发条件、所述假人头部加速度、所述假人头部位移和所述假人胸部加速度，输出假人手部抓握信号。
其中，所述假人为实施例2中的假人。
优选地，手部动作触发条件为：当车辆发生碰撞，人体会越发用力握紧方向盘，根据车辆碰撞数据分析及经验积累，因此选用假人头部加速度大于5g，假人头部位移大于5cm，假人胸部加速度大于4g为触发条件。当以上条件满足时才能触发手部主动抓握功能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案。
Claims (10)
1.一种假人手部结构，其特征在于，包括多个指关节、多个指关节旋转轴、手掌、多个内侧弹性部件和多个外侧弹性部件，多个所述指关节之间采用所述指关节旋转轴相连，所述指关节与所述手掌之间通过所述指关节旋转轴相连；
所述内侧弹性部件连接于由所述指关节形成的手指的内侧，所述外侧弹性部件连接于由所述指关节形成的手指的外侧，所述内侧弹性部件和所述外侧弹性部件用于带动所述手指弯曲。
2.根据权利要求1所述的假人手部结构，其特征在于，所述手指外侧设置有外限位点和外固定点，所述手指内侧设置有内限位点和内固定点，所述外侧弹性部件连接于所述外限位点和所述外固定点上，所述内侧弹性部件连接于所述内限位点和所述内固定点上。
3.根据权利要求2所述的假人手部结构，其特征在于，所述外侧弹性部件的末端和所述内侧弹性部件的末端均固定在手臂骨架上，所述手臂骨架与所述手掌相连。
4.根据权利要求1所述的假人手部结构，其特征在于，所述内侧弹性部件或所述外侧弹性部件为直径为1-2mm的弹性橡皮绳。
5.根据权利要求1-4任一项所述的假人手部结构，其特征在于，所述假人手部结构还包括驱动控制组件，所述驱动控制组件包括锁紧机构、电机、控制器、加速度计和角速度计，所述锁紧机构用于锁紧和释放所述内侧弹性部件，所述电机分别与所述锁紧机构和所述控制器相连，所述控制器还分别与所述加速度计和所述角速度计相连，所述加速度计用于采集假人头部和胸部的加速度信号，所述角速度计用于采集假人头部的角速度信号；所述控制器用于接收所述加速度计和所述角速度计的信号，并发出电机控制信号；
所述内侧弹性部件位于所述锁紧机构前方部分的拉力小于所述内侧弹性部件位于所述锁紧机构后方部分的拉力。
6.根据权利要求5所述的假人手部结构，其特征在于，所述锁紧机构包括相互连接的止动块和夹紧块，所述夹紧块还与所述内侧弹性部件相连；
所述驱动控制组件还包括齿轮，所述齿轮分别与所述电机和所述止动块相连。
7.包含权利要求1-6任一项所述的假人手部结构的假人。
8.权利要求7所述的假人在汽车碰撞测试领域中的应用。
9.一种假人手部结构碰撞响应方法，其特征在于，包括：
根据汽车碰撞测试试验过程中假人的头部加速度信号、头部角速度信号和胸部加速度信号，确定假人头部加速度、假人头部位移和假人胸部加速度；
根据手部动作触发条件、所述假人头部加速度、所述假人头部位移和所述假人胸部加速度，输出假人手部抓握信号；
其中，所述假人为权利要求7所述的假人。
10.根据权利要求9所述的假人手部结构碰撞响应方法，其特征在于，所述手部动作触发条件为：假人头部加速度大于5g，假人头部位移大于5cm，假人胸部加速度大于4g。
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