柳松楊 徐元銘 楊春信

（北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

航空航天仿真試驗(yàn)假人研制

柳松楊 徐元銘 楊春信

（北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

介紹了國內(nèi)航空仿真試驗(yàn)假人的功能要求和研制狀況，將研制工作分為人體參數(shù)測(cè)量、機(jī)械結(jié)構(gòu)、信號(hào)采集與處理和可靠性驗(yàn)證4個(gè)部分進(jìn)行.重點(diǎn)闡述了仿真試驗(yàn)假人的骨架、關(guān)節(jié)和皮膚肌肉的材料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn).傳感測(cè)試能力可輸出記錄64路生理信號(hào)，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(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)測(cè)試提供了有效工具.

動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn);仿真假人;傳感器測(cè)試

在高危的載人航空航天動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)中（如彈射救生等），由于試驗(yàn)環(huán)境往往會(huì)超過人的生理耐受能力而極具危險(xiǎn)性，因此運(yùn)用仿真假人代替真人進(jìn)行試驗(yàn)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(dǎo)意義的數(shù)據(jù)指標(biāo).

從1960年開始，美國RSD公司和通用汽車一直從事混合型試驗(yàn)用假人——Hybrid系列的研發(fā)，以廣泛用于汽車和航空航天試驗(yàn)，目前已發(fā)展到了Ⅲ型.美軍方也于20世紀(jì)80年代初研制成功了肢體約束評(píng)估假人LRE［1］，用于飛機(jī)彈射座椅的氣流吹襲防護(hù)試驗(yàn).20世紀(jì)90年代又發(fā)展了更為先進(jìn)的動(dòng)態(tài)仿真假人ADAM，以滿足第4代彈射座椅安全救生包線能達(dá)到1300 km/h的要求.該假人外形尺寸、質(zhì)量和慣量參數(shù)符合美國第3、第97百分位的飛行員;分為17個(gè)分段，關(guān)節(jié)的活動(dòng)度與真人一致，且具有擬人的阻尼特性;內(nèi)部裝測(cè)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(hào)［2－3］.

我國航空航天試驗(yàn)所用的假人于20世紀(jì)70年代開始研制，但發(fā)展緩慢.假人主要參數(shù)是依據(jù)當(dāng)時(shí)我國飛行員的人體測(cè)量數(shù)據(jù)，僅有外形尺寸和整體重量，對(duì)人體各分段的慣性參數(shù)沒有仿真要求，僅能測(cè)胸腔三向加速度和角速度的生理參數(shù)，動(dòng)態(tài)仿真能力極為有限，遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代裝備動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)的設(shè)計(jì)及生理評(píng)價(jià)要求.因此，研究發(fā)展先進(jìn)的仿真試驗(yàn)假人顯得十分重要.

1 仿真試驗(yàn)假人的功能要求

仿真試驗(yàn)假人最基本的功能要求是試驗(yàn)時(shí)假人的生理響應(yīng)信號(hào)應(yīng)盡可能地與真人接近.因此，基于人體的受損機(jī)理，必須依照3點(diǎn)原則［4］來設(shè)計(jì)用于動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)試的假人:①力學(xué)結(jié)構(gòu)的仿真性;②力學(xué)性能的相似性;③重復(fù)使用性.其中，力學(xué)性能的相似性最為重要，它能保證在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)試中獲取可信的數(shù)據(jù).仿真試驗(yàn)假人應(yīng)具有如下特點(diǎn):

1）假人各分段的尺寸、質(zhì)量及質(zhì)心分布符合真人的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前我國飛行員人體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的劃分規(guī)格分為:第3、第5和第97百分位，類似于美國，但數(shù)據(jù)有所不同;

2）假人各關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍和真人接近，其臂關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)具有擬人的多自由度運(yùn)動(dòng)范圍;

3）在人體結(jié)構(gòu)一定的情況下，假人響應(yīng)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(yīng)具有豐富的數(shù)據(jù)測(cè)試能力，以滿足各種動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)試的需要;

5）滿足假人的性能可靠性驗(yàn)證.

2 仿真試驗(yàn)假人的研制

仿真試驗(yàn)假人的研制涉及多門學(xué)科，如人體解剖學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械仿生學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)及制造工藝等.作為一種測(cè)量裝置，還需要用到信號(hào)分析、檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集等方面的知識(shí).首先需要依據(jù)人體解剖學(xué)，將人體按骨性標(biāo)志劃分為若干分段，通過分析人體結(jié)構(gòu)和各分段的功能和關(guān)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(guān)系.然后利用機(jī)械仿生學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)出代替各分段的機(jī)械部件，并將其按分段連接關(guān)系連成一體.本文將仿真試驗(yàn)假人的研制分為以下4個(gè)部分進(jìn)行:人體參數(shù)測(cè)量、機(jī)械結(jié)構(gòu)、信號(hào)采集與處理和可靠性驗(yàn)證.

2.1 人體參數(shù)測(cè)量

文獻(xiàn)［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(yàn)假人的外形尺寸符合現(xiàn)役相應(yīng)百分位飛行員人體尺寸.將假人分為14個(gè)運(yùn)動(dòng)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(yīng)百分位飛行員整體及14個(gè)分段的重量、重心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量.研制假人慣性測(cè)量裝置，用于仿真假人的整體及14個(gè)分段的慣性參數(shù)的測(cè)量和驗(yàn)證.人體各分段劃分以明顯的骨性標(biāo)志為分界點(diǎn)［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(diǎn)高;Δ2=髂嵴點(diǎn)高－大轉(zhuǎn)子點(diǎn)高;Δ3=橈骨點(diǎn)高－肘高.

各運(yùn)動(dòng)分段是靠關(guān)節(jié)鏈接的，通過分析研究，假人四肢大關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍如表1所示.

表1 上下肢自由度運(yùn)動(dòng)范圍

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.2.1 材料選擇

仿真試驗(yàn)假人的結(jié)構(gòu)主要由金屬骨架、關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)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(qiáng)度.表2給出了目前研制的仿真試驗(yàn)假人的結(jié)構(gòu)材料類型.

表2 動(dòng)態(tài)仿真試驗(yàn)假人結(jié)構(gòu)材料

頸椎和腰椎往往需要有較強(qiáng)的彈性支撐，可選用硬橡膠.關(guān)節(jié)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(qiáng)，且緩沖性能好;可通過試驗(yàn)來選用合適的復(fù)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(yīng)具有良好的電絕緣性及加工制作方便等.

2.2.2 骨架及關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

骨架的設(shè)計(jì)除要考慮人體測(cè)量給出的各分段的外形尺寸、慣性參數(shù)和關(guān)節(jié)活動(dòng)度外，還要滿足強(qiáng)度要求.骨架結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)中常需要受到較大的沖擊力，因此其強(qiáng)度要能承受動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)試所提出的技術(shù)指標(biāo)，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(jié)構(gòu)是根據(jù)機(jī)構(gòu)理論建立起來的多剛體機(jī)械系統(tǒng)，其主要部件為頭、頸、胸腔、腰椎、骨盆、肩關(guān)節(jié)、上臂、肘關(guān)節(jié)、前臂、腕關(guān)節(jié)、手、髖關(guān)節(jié)、大腿、膝關(guān)節(jié)、小腿、踝關(guān)節(jié)和腳.因此，具體分析時(shí)，可先通過建立彈射座椅-假人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，四肢處于自由狀態(tài)，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(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)，安全系數(shù)取1.5.根據(jù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求與人體各分段的慣性參數(shù)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(hào)采集與處理的要求.圖1為所研制的動(dòng)態(tài)仿真假人骨架示意圖.

圖1 動(dòng)態(tài)仿真假人骨架

關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)要滿足人體四肢大關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍.肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)要考慮IG平衡及關(guān)節(jié)的阻尼.傳感器作為骨架的一部分固定在骨架上.大多數(shù)假人要求為坐姿，而彈射假人還有站姿要求，因此髖關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)是必須的，它連接大腿和軀干，具有兩個(gè)自由度，分別實(shí)現(xiàn)大腿相對(duì)軀干前后擺和左右側(cè)擺，兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)情況分別通過一個(gè)角位移傳感器測(cè)量.

以右側(cè)髖關(guān)節(jié)為例，髖關(guān)節(jié)主體結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)為一個(gè)叉型構(gòu)件（圖2），叉型端面的孔與軀干外伸的額狀面水平軸構(gòu)成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，實(shí)現(xiàn)大腿前后擺動(dòng);叉型構(gòu)件兩個(gè)側(cè)板上同軸的兩個(gè)孔，通過一個(gè)與大腿固接的轉(zhuǎn)軸，構(gòu)成另外一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，實(shí)現(xiàn)大腿左右側(cè)擺.

在髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不僅要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，而且還需要滿足關(guān)節(jié)自由度限位、關(guān)節(jié)阻尼、關(guān)節(jié)摩擦力、角位移傳感器的安裝、關(guān)節(jié)摩擦力調(diào)整等要求.圖3為髖側(cè)擺關(guān)節(jié)的限位方式，利用髖叉型構(gòu)件側(cè)板上的凸臺(tái)實(shí)現(xiàn)活動(dòng)范圍.軟擋塊與硬擋塊粘接，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)到達(dá)極限位置時(shí)對(duì)碰撞力的吸收，模擬人體關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三維圖示意圖

圖3 髖側(cè)擺關(guān)節(jié)的限位方式和關(guān)節(jié)阻尼

每個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)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(shí)肢體可以保持某一姿態(tài).摩擦力主要通過相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)構(gòu)件之間的摩擦片實(shí)現(xiàn).摩擦片由高分子材料加工而成，摩擦系數(shù)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(cè)擺關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)摩擦片

2.2.3 皮膚肌肉的設(shè)計(jì)

假人皮膚肌肉的設(shè)計(jì)制造是外部形態(tài)仿生的關(guān)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(xué)特性的材料以外，外部造型的整體設(shè)計(jì)必須模擬真人皮膚的結(jié)構(gòu)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(jù)假人骨架的設(shè)計(jì)進(jìn)行肌肉各分段的劃分（圖5）.皮膚的加入將會(huì)對(duì)假人整體及各分段的參數(shù)產(chǎn)生影響，因此在設(shè)計(jì)初期就必須加以考慮和控制.

仿真皮膚肌肉各個(gè)環(huán)節(jié)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)必須解決皮膚和骨架之間、皮膚和皮膚之間所存在的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的摩擦問題，以消除在假人關(guān)節(jié)活動(dòng)中肌肉對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻力.

圖5 皮膚各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)總體圖

2.3 信號(hào)采集和處理

傳感器作為假人結(jié)構(gòu)的一部分嵌入骨架中.傳感器的數(shù)量、安裝部位及技術(shù)要求可根據(jù)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)試要求及參照國內(nèi)外相關(guān)軍用標(biāo)準(zhǔn)的人體生理耐限要求來制定.仿真試驗(yàn)假人所記錄的信號(hào)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(hào)記錄系統(tǒng)采用自行研制的固態(tài)記錄器及其供電電源，一并安裝在假人胸腔內(nèi)，能實(shí)時(shí)采集和記錄64個(gè)通道信號(hào).信號(hào)的記錄采用Flash和帶電RAM.固態(tài)記錄器包括:信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換器、中央控制器、存儲(chǔ)顯示和I/O輸入輸出電路，并有邏輯控制單元進(jìn)行控制［7］.數(shù)據(jù)處理分析軟件可直接讀出數(shù)據(jù)曲線或任一曲線段上點(diǎn)的數(shù)值及統(tǒng)計(jì)值;可直接計(jì)算人體部分生理損傷耐限，如頭部損傷耐限HIC，以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)指數(shù)DRI等.

2.4 可靠性驗(yàn)證

在使用假人時(shí)，由于各種各樣的問題和原因會(huì)造成假人皮膚或骨架損壞的情況發(fā)生，這對(duì)假人的仿真性能會(huì)產(chǎn)生很大的影響.因此，為了保證每次試驗(yàn)都能通過假人獲取到可靠的數(shù)據(jù)，必須對(duì)假人進(jìn)行性能驗(yàn)證.目前所研制的仿真試驗(yàn)假人已進(jìn)行了高低溫試驗(yàn)、電磁兼容性試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、地面火箭滑車試驗(yàn)、高速氣流吹襲試驗(yàn)和垂直沖擊試驗(yàn)，如圖6所示.

圖6 仿真假人沖擊試驗(yàn)

表3 仿真假人骨架上固定的傳感器

3 結(jié)論

仿真試驗(yàn)假人是航空航天動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中一項(xiàng)重要的測(cè)試工具，具有人體的仿生結(jié)構(gòu)，能模擬人體各分段的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng);柔性皮膚結(jié)構(gòu)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(xué)參數(shù)獲取能力，能反映人體各分段受力大小、運(yùn)動(dòng)方向和位移等.它作為一個(gè)量具可以評(píng)價(jià)在高危的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中各種載荷是否會(huì)造成飛行員或宇航員的損傷，并為裝備（尤其是救生防護(hù)裝備）的設(shè)計(jì)和研制定型提供可靠依據(jù).

目前研制的航空航天試驗(yàn)用的仿真試驗(yàn)假人，從參數(shù)計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到材料選擇都滿足生物力學(xué)仿真假人的要求，具有形態(tài)相似性，生物力學(xué)仿真性和結(jié)構(gòu)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(yàn)假人的研制實(shí)現(xiàn)了我國柔性動(dòng)態(tài)仿真假人研究的跨越式發(fā)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(jī)防墜毀試驗(yàn)假人的研制與標(biāo)定［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào):工程科學(xué)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(shù)的計(jì)算和分析［J］.中國測(cè)試技術(shù)，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(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)仿真假人內(nèi)部數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［C］//全國第十屆安全救生學(xué)術(shù)交流會(huì)文集.武漢:湖北省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)，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(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:

時(shí)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）