基于自動緊急制動(AEB)檢測系統(tǒng)的行人假人下體外封閉層開發(fā)

王春節(jié),尹 玲

(常熟理工學院 紡織服裝與設(shè)計學院,江蘇 蘇州215500)

隨著智能汽車主動安全的發(fā)展,汽車的安全標準不斷提高,行人碰撞對主動安全的研究有重要的意義。相關(guān)研究表明,裝配有汽車自動緊急制動系統(tǒng)(autonomous emergency brake,AEB)的汽車能夠顯著提升汽車的安全性,降低對行人的危害[1]。AEB行人系統(tǒng)測試裝置是基于法規(guī)標準產(chǎn)生的測試設(shè)備,其中AEB軟體目標假人是用于模擬目標行人的人體模型,為行人碰撞試驗充當撞擊目標物。外封閉層是假人外部用于體現(xiàn)衣服/皮膚/頭發(fā)的布制品。碰撞試驗時,合體包裹假人的外封閉層,能夠最大限度地模擬行人,提升行人的仿真度,同時其表面的紡織品具抗撕裂、防水、低辨識、非反射性材質(zhì),能夠有效提升試驗數(shù)據(jù)的準確性,對假人的雷達紅外反射信號起著決定性作用。

目前基于國內(nèi)標準體型的行人假人研究較少。中國汽車技術(shù)研究中心的解明浩研究了國外成熟的某款AEB軟體目標假人的上衣織物屬性,為國內(nèi)AEB軟體目標假人外衣織物開發(fā)做準備[2]。劉偉東通過對50百分位中國體征的男性假人進行研究,獲取人體運動的步幅、雙腿正面間距、擺臂角、運動速度,為中國人體AEB行人假人開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐[3]。國際通用的行人假人以歐洲人的體型特征研制,不符合中國人的體型,無法提高事故再現(xiàn)的準確性,所以并不適合中國汽車行業(yè)使用。因此研究適合中國人體型特征的行人假人對我國AEB測試裝置的研究具有重要的指導意義。

通過三維掃描國內(nèi)某公司開發(fā)的標準男體行人假人,得到假人的關(guān)鍵部位數(shù)據(jù)和三維形態(tài),完成了假人下肢外封閉層的款式設(shè)計、樣板開發(fā)及樣衣制作,為國內(nèi)行人假人標準的制定提供了參考。

1 AEB行人假人關(guān)鍵部位尺寸與三維形態(tài)獲取

某企業(yè)依據(jù)中國標準男體制作的AEB行人假人如圖1所示。采用北京博維恒信公司的3D camega非接觸三維人體掃描儀對假人進行三維掃描,獲得的假人下體關(guān)鍵部位尺寸見表1。

表1 假人下體關(guān)鍵部位尺寸

圖1 AEB行人假人

2 AEB行人假人與實際人體的共異性分析

雖然AEB行人假人的外觀造型源于標準人體,但其構(gòu)造與人體不盡相同。行人目標必須能夠代表與車輛中使用的傳感器相關(guān)的人為屬性,行人是穿著長袖T恤和不同顏色的褲子,黑色T恤和藍色牛仔褲,衣服必須由防撕裂和防水材料制成。皮膚表面部分必須具有非反射性的肉色紋理。行人假人衣服和皮膚在850～910 nm波長范圍內(nèi)的紅外線反射率必須在40%～60%的范圍內(nèi)[4]。在測試中為避免車輛的損壞,行人假人不能存在硬質(zhì)點,假人支架的反射率為0。行人假人部分參數(shù)見表2。

表2 AEB行人假人部分性能參數(shù)

標準人體的股關(guān)節(jié)為多軸型關(guān)節(jié),股骨頭為3/4的球體,以股骨頭為中心,腿部可實現(xiàn)多方向的繞軸運動。而假人的臀部是以電動機作為動力驅(qū)使腿繞電動機輸出軸進行繞軸運動,在運動的過程中,軸體的轉(zhuǎn)向較為單一,是單軸關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)類型不一樣決定了假人下肢外封閉層的樣板結(jié)構(gòu)不同于人體的褲裝結(jié)構(gòu)。人體骨盆和假人臀部構(gòu)造示意圖如圖2所示。

圖2 人體骨盆與假人臀部對照圖

3 AEB行人假人下肢人體工學及結(jié)構(gòu)分析

在汽車碰撞檢測試驗中,行人假人需要以規(guī)定的速度模擬行走。從人體角度看,在行走的過程中,股關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)肌肉會發(fā)生屈伸,相應的臀部及膝蓋部位的皮膚會發(fā)生不同程度和不同方向的拉伸變化,所以在設(shè)計包裹下肢的外封閉層樣板結(jié)構(gòu)時,必須結(jié)合人體工學分析,考慮這兩個部位的拉伸量變化。

3.1 臀部封閉層結(jié)構(gòu)

人體下半身在運動時,皮膚伸展的主要線路是大臀部——臀溝——大腿內(nèi)側(cè)——膝蓋,如圖3所示。這是提高褲子運動功能的主要線路[5],根據(jù)拉伸量的大小及方向確定臀部功能區(qū)的樣板結(jié)構(gòu)。人體下肢運動引起褲子牽引拉伸的方向示意圖如圖4所示。

圖3 下半身皮膚皺紋和主要伸展方向

圖4 人體下半身運動引起的褲子牽引方向示意圖

假人的臀部是單軸關(guān)節(jié),只能繞軸前后擺動,所以下體的縱向拉伸最大。經(jīng)查閱文獻[6]發(fā)現(xiàn),人體大腿抬高45°時,臀溝附近皮膚的伸長率可達到約30%;大腿抬升至90°時,臀溝附近皮膚的伸長率最大,超過40%。前臀部位的拉伸率約為10%～20%。假人必須能完成步行和騎在摩托車上2種動作,大腿的抬升角度約為90°,此時褲子的后臀縱向拉伸最大,如圖5所示。綜合人體前臀部和后臀部的縱向變化率,在褲子的大腿根部采用橫向刀褶的工藝設(shè)計,后臀部褶裥量大于前臀部放松量。

圖5 行人假人騎行摩托車腿部彎曲示意圖

按正常人體所穿帶襠底的褲子的結(jié)構(gòu)制作外封閉層,由于假人的臀部骨盆處是一個有寬度和厚度的電動機,很容易出現(xiàn)卡襠現(xiàn)象,會損傷假人的結(jié)構(gòu),不利于下肢的靈活擺動。另外,行人假人重心區(qū)還有支撐柱的存在,所以,假人下體外封閉層的襠部采用開襠設(shè)計。

3.2 腿部的封閉層結(jié)構(gòu)

假人的腿部模塊可拆卸。膝蓋為單軸性結(jié)構(gòu),只能繞軸前后擺動。對實際人體而言,在這一動作過程中,膝蓋表面皮膚縱向拉伸量為27%～47%,皮膚的拉伸值約為1.85 cm。在抬腿的過程中,臀部延展區(qū)至膝蓋方向縱向拉伸率約為11%～26%[7],拉伸值約為1.3 cm,兩者拉伸和為3.15 cm。

基于此,在腿部外封閉層的膝關(guān)節(jié)處采用刀褶工藝,以增大膝關(guān)節(jié)處的縱向拉伸量,褶裥的量約為2倍的皮膚拉伸量,即切縫展開量約6 cm。

3.3 腳部的封閉層結(jié)構(gòu)

腳部封閉層參照鞋子結(jié)構(gòu)。鞋子從結(jié)構(gòu)上分為素頭式、分節(jié)式、舌式、圍蓋式等結(jié)構(gòu)[8]。在碰撞試驗中,行人假人的腳部不受人心理認知的影響,試驗中鞋子的主要功能是方便行人假人的穿脫,故鞋子定為舌式結(jié)構(gòu)。

在縫制過程中褲裝的腳腕部分與鞋相連接。由于面料的服貼性較差,常規(guī)的直接縫合使得腳腕與腳面連接處產(chǎn)生堆疊,影響褲子的整體美觀性。重新對此處的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,將褲子的腳腕前部余量與鞋舌相結(jié)合形成插片,讓鞋舌末端的弧線契合腳腕的圍度,減少紡織品在腳面的堆疊,提升連體鞋子的合體程度,如圖6所示。

圖6 鞋子插片示意圖

4 AEB下肢外封閉層款式設(shè)計及樣板開發(fā)

綜合假人關(guān)鍵部位的人體工學分析,下肢封閉層款式及外封閉層結(jié)構(gòu)樣板如圖7和圖8所示。

圖7 行人假人下肢封閉層款式圖

圖8 外封閉層結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

5 AEB行人假人下肢外封閉層虛擬試衣與成衣制作

將掃描的行人假人模型導入CLO3D軟件作為虛擬試衣的模特,樣板虛擬縫合后的試衣效果如圖9所示,整體較為合體。樣衣制作效果如圖10所示。

圖9 假人虛擬試衣圖

圖10 假人下肢外封閉層的三視面

6 結(jié)語

將國內(nèi)某公司開發(fā)的行人假人進行三維掃描得到假人的下肢數(shù)據(jù),使用人體工學對假人下肢進行分析,確定關(guān)鍵部位的放松量,結(jié)合所掃描的假人下肢數(shù)據(jù)最終得到假人下肢外封閉層的樣板。通過樣衣試驗確定樣板的可行性,研究結(jié)果表明所開發(fā)的樣板符合要求,同時為國內(nèi)假人的標準的制定提供了一定的技術(shù)參考。