基于人体下肢生物力学特性及事故分析的下肢冲击器模型研究
行人腿型冲击器生物力学响应分析
094 学术Academic PEDESTRIAN LEGFORM IMPACTORS一、概论车辆对行人下肢的碰撞保护越来越成为汽车行业内研究的热点与难点，包括股骨骨折、胫骨骨折、韧带断裂在内的下肢损伤，是行人与车辆碰撞中最易出现的受伤情况[1]。
因此，在许多国家或地区标准法规或NCAP 评价规程中，都对车辆对行人下肢的碰撞保护进行了评估[2-4]。
在评价车辆对行人下肢的保护时，常使用行人假人腿型冲击器撞击车辆前端相应位置，在撞击过程中采集冲击器各个传感器的信号作为伤害评估指标，从而对车辆对行人碰撞保护能力进行评价。
现阶段最常用使用的行人腿型冲击器为Flex-PLI ，ECE R127、Euro NCAP 、C-NCAP 等相关法规与规程均将Flex-PLI 作为车辆行人保护测试所使用的冲击器。
但是随着研究的深入，Flex-PLI 被发现在一些对较高车辆高度的试验中不能很好的反应实际碰撞情况，同时Flex-PLI 对于股骨损伤的评价也与实际情况存在一定差异，这是因为Flex-PLI 缺少对人体095腿型上部质量的模拟，导致生物仿真性上与真实人体存在差异。
因此，国外一些组织机构针对具有良好生物仿真性的行人腿型冲击器开展了一系列研究工作。
欧洲seniors-project 开展了对Flex-PLI/UBM （Upper Body Mass ）研究工作[5]，研究结果表明在Flex-PLI 上部增加了上体质量块UBM 的Flex-PLI/UBM 腿型冲击器在碰撞过程中运动姿态、运动轨迹相比于Flex-PLI 更接近实际人体，具有更好的生物仿真性。
除Flex-PLI/UBM 之外，另外一种先进行人腿型冲击器（advanced Pedestrian Legform Impactor, aPLI ）由日本汽车研究所（Japan Automobile Research Institute, JARI ）和日本汽车工业协会（Japan Automobile Manufacturers Association, JAMA ）完成开发设计。
人体下肢三维有限元模型在交通损伤中的应用研究进展
人体下肢三维有限元模型在交通损伤中的应用研究进展杜现平;曹立波;张冠军;张恺【摘要】下肢损伤在交通损伤中仅次于头部损伤位居第二,给社会和家庭造成沉重的负担.下肢有限元仿真模型的发展,为交通事故中下肢损伤机理研究和汽车结构参数优化提供了强有力的工具,与其它研究方法相比具有显著的优势.我国下肢有限元模型的发展尚处于起步阶段.针对国内外近20年下肢有限元模型的发展做了论述,并提出了今后构建高生物仿真度的下肢模型需要解决的问题.【期刊名称】《汽车工程学报》【年(卷),期】2014(004)004【总页数】10页(P235-244)【关键词】交通损伤;有限元模型;下肢;损伤机理【作者】杜现平;曹立波;张冠军;张恺【作者单位】湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南,长沙410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南,长沙410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南,长沙410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南,长沙410082【正文语种】中文【中图分类】U461.91世界卫生组织在2013年的报告中指出，全世界每年约有124万人死于道路交通事故，2 000～5 000万人遭受非致命伤害[1]。
根据NASS（National Automotive Sampling System）的统计数据，下肢在道路交通安全事故人体8个损伤部位（头部、面部、颈部、胸部、腹部、脊柱、下肢、上肢）中仅次于头部而居第2位。
其中，乘员占21.5% [2]，行人占85% [3]。
虽然下肢损伤一般不会产生致命性的伤害，却容易导致长期肢体功能障碍，甚至残疾，给生活带来不便，也给家庭和社会造成沉重负担。
因此，研究交通事故中下肢损伤的机理，具有重要的意义和价值。
损伤生物力学可以研究人体在外界载荷下的损伤及作用机理。
目前，研究手段主要有：物理模型、志愿者试验、动物试验、尸体试验、数学模型。
人体下肢运动力学分析与建模
III
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杭州电子科技大学 硕士学位论文 人体下肢运动力学分析与建模 姓名：洪晓明 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：叶明 20091201
杭州电子科技大学硕士学位论文
摘要
研制下肢假肢是为了改善残疾人的生活质量和促进医疗福利事业的发展， 同 时智能假肢也是机器人学和生物医学工程领域深受关注的研究方向。 智能下肢假 肢通过检测穿戴者的运动状态来控制假肢运动，从而提高步态的灵活性、协调性 和安全性。我国下肢残疾者人数众多，国内在智能下肢假肢的研究水平上也明显 落后于欧美发达国家，因此为肢体残疾人提供性能优良、价格低廉的假肢器械是 残疾人事业发展的重要任务。 人体下肢运动分析和建模是研究假肢的重要内容， 本文紧密围绕国家自然科 学基金资助项目“膝上假肢的运动力学信息获取与多运动模式控制方法研究 （60705010） ” ，主要做了以下几个方面的工作： 建立人体下肢运动生物力学信息获取系统， 利用表面电极获取下肢运动肌电 信号；利用多轴加速度传感器来检测大腿和小腿的倾角，获取肢体的姿态以及膝 关节角度和角速度； 下肢的脚与地面之间接触状态和作用力等信息采用足底安装 压力传感器的方式检测。 根据人体的结构和运动学的分析，建立人体下肢运动数学模型。比较动力学 建模中通常采用的拉格朗日法、牛顿-欧拉法等的优缺点，选用拉格朗日建模方 法，从系统能量角度出发构建人体下肢的动力学模型，并进行动力学分析，得到 关节力矩。 基于 Matlab/SimMechanics 仿真工具箱人体下肢运动系统建模，选取了平地 行走、上坡、上阶梯三种不同的运动模式，每种运动模式下分为摆动期和支撑期 两个阶段，建立相应的模型，以各关节的角位移、角速度、角加速度为输入，仿 真得到各种运动模式下髋关节和膝关节力矩。在平地行走模式下，将求解拉格朗 日方程所得到的关节力矩与 Matlab/SimMechanics 建模仿真所得的力矩进行比 较，两者基本吻合，证明了建立的模型比较合理。 运用数学统计方法对下肢运动参数进行分析， 首先应用新阈值消噪方法对肌 电信号进行消噪处理，用平均值法提取特征向量，利用回归分析的方法研究表面 肌电信号与关节力矩之间的关系，通过数据分析，表明关节力矩与表面肌电信号 近似成线性关系，在此基础上得出了关节力矩与表面肌电信号的表达式。运用回 归分析中多项式拟合方法对力矩与时间的关系进行建模， 得出了各种运动模式下 关节力矩与时间的关系，为下肢假肢的控制方法研究提供了实验与理论的依据。 关键词：运动生物力学，动力学，关节力矩，SimMechanic 建模，回归分析
行人保护aPLI腿型吸能空间
行人保护aPLI腿型吸能空间作者：谭冰花，李博，王亚军，徐立笑，潘一鸣来源：《计算机辅助工程》2022年第02期摘要：為提高行人保护aPLI腿型的安全性能得分，以在整车开发预研阶段预留合理的吸能空间为目的，对aPLI腿型安全碰撞进行仿真，计算碰撞得分情况。
基于简化仿真模型，使用优化软件计算得到针对轿车的行人保护aPLI腿部保护所需吸能空间，指导新车型行人保护开发设计。
关键词： aPLI腿型; 碰撞评价; 行人保护; 吸能空间; 优化中图分类号： U467.1;TB115.1文献标志码： BaPLI energy absorption spacebased on pedestrian protectionTAN Binghua， LI Bo， WANG Yajun， XU Lixiao， PAN Yiming（Chery Automobile Co.， Ltd.， Wuhu 241006， Anhui， China）Abstract： To improve the safety performance score of aPLI （advanced pedestrian legform impactor） legform for pedestrian protection， the aPLI legform safety collision is simulated to reserve reasonable energy absorption space in the pre-research stage of vehicle development， and the collision score is calculated. Based on the simplified simulation model， the energy absorption space required for the aPLI legform protection of vehicle pedestrian protection is calculated using the optimization software， which can provide guidance for the development and design of the pedestrian protection for the new vehicle models.Key words： aPLI legform; collision evaluation; pedestrian protection; energy absorption space; optimization0引言随着人民生活水平逐步提高，汽车保有量不断增加，道路交通环境也愈加复杂。
中国人体小腿冲击仿真分析与损伤准则的研究
ｔ ｏ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ｋ ｌ ｅ ｌ ｉ ｇ ａ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｏ ｔ ｈ ｅ ｒ ｌ ｉ ｇ ａ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ａ ｒ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ｂ ｅ ａ ｍ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ．Ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｗｅ ｒ ｌ ｅ ｇ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｎ
杜现 平 ， 张冠 军 ， 曹立 波 ， 胡 跃群
（ １ ．湖南大学， 汽 车车身先进设计制造 国家重点 实验 室， 长沙 ４ １ ０ ０ ８ ２ ；２ ．中南大学湘雅三 医院放射科 ， 长沙 ４ １ ０ ０ １ ３ ）
［ 摘要 ］ 在 已开发 的中国人体 ５ ０百分位 男性小 腿有 限元 模型 的基 础上 ， 加入脚 部模型 和与踝关节 动力学特 性相关 的 １ １ 条踝关节韧带和 １ １ 束肌 肉有 限元模型 ， 以进 行踝关节动 力学特性 的研究 和肌 肉主动 力 的模拟 。采用 单点积分壳单元模拟踝关节韧带 ， 其余韧带采用梁单元模拟 。基 于乘员小腿 的碰撞损伤载荷特点 ， 采用两种 小腿轴 向冲击试验 ， 对小腿模 型进行 了验证 。结果显示 ， 小腿 轴向冲击动力学 特性 曲线与试 验吻合较好 ， 说 明模 型具有 较 高 的生物逼真度 。在此基础上 ， 利用模型 ， 对胫骨指数 （ Ｔ Ｉ ） 与修 正胫骨 指数 （ Ｒ Ｔ Ｉ ） 的损 伤预测 能力进行 评估 ， 对 比 了中国人体 与欧美人体 的差异 。结果表 明， 尽管 Ｒ Ｔ Ｉ 改善了小腿 的骨 折损伤 的预测 能力 ， 但对 于中国 ５ ０百分 位男 性小腿 ， Ｒ Ｔ Ｉ 仍然低 估了其损 伤程 度 ， 需进行相应 ］ Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ ５ ０ ｔ ｈ ｐ ｅ ｒ ｃ ｅ ｎ ｔ ｉ ｌ ｅ ｍａ ｌ ｅ ｌ ｏ ｗ ｅ ｒ － ｌ ｅ ｇ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｅ ｄ ， ｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｏ ｔ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ， ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ —
中国人体小腿冲击仿真分析与损伤准则的研究
中国人体小腿冲击仿真分析与损伤准则的研究杜现平;张冠军;曹立波;胡跃群【摘要】在已开发的中国人体50百分位男性小腿有限元模型的基础上,加入脚部模型和与踝关节动力学特性相关的11条踝关节韧带和11束肌肉有限元模型,以进行踝关节动力学特性的研究和肌肉主动力的模拟.采用单点积分壳单元模拟踝关节韧带,其余韧带采用梁单元模拟.基于乘员小腿的碰撞损伤载荷特点,采用两种小腿轴向冲击试验,对小腿模型进行了验证.结果显示,小腿轴向冲击动力学特性曲线与试验吻合较好,说明模型具有较高的生物逼真度.在此基础上,利用模型,对胫骨指数(TI)与修正胫骨指数(RTI)的损伤预测能力进行评估,对比了中国人体与欧美人体的差异.结果表明,尽管RTI改善了小腿的骨折损伤的预测能力,但对于中国50百分位男性小腿,RTI仍然低估了其损伤程度,需进行相应修正.【期刊名称】《汽车工程》【年(卷),期】2016(038)011【总页数】7页(P1324-1330)【关键词】中国人体;小腿模型验证;胫骨指数;修正胫骨指数;欧美人体【作者】杜现平;张冠军;曹立波;胡跃群【作者单位】湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙410082;湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙410082;湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙410082;中南大学湘雅三医院放射科,长沙410013【正文语种】中文下肢损伤是汽车碰撞事故中人体中度损伤(abbreviated injury scale(AIS)2, AAAM)中频率最高的损伤形式[1]。
尽管下肢损伤一般不会产生致命性的伤害，但也是导致永久残疾最主要的原因之一[2]。
其中，脚部及踝关节损伤占所有下肢损伤的30%～40%[3]，Pilon骨折作为其中最严重的损伤形式，是导致下肢残疾的最主要的原因[4]。
作为各国NCAP测试中重要的评判指标，降低下肢损伤也一直是各汽车厂商的研究重点。
《基于多体动力学和有限元方法对人体下肢生物力学的研究》范文
《基于多体动力学和有限元方法对人体下肢生物力学的研究》篇一一、引言人体下肢的生物力学研究在体育科学、医学康复、运动训练等多个领域具有广泛的应用价值。
本文旨在利用多体动力学和有限元方法，对人体下肢的生物力学进行深入研究，以揭示其运动机制、动力学特性和潜在的生物力学问题。
二、研究背景及意义随着科技的发展，多体动力学和有限元方法在生物医学工程领域得到了广泛应用。
多体动力学能够有效地模拟和分析复杂系统的运动学特性，而有限元方法则能够详细地描述材料和结构的力学行为。
将这两种方法应用于人体下肢的生物力学研究，有助于更深入地了解人体下肢的运动学、动力学特性以及在各种生理、病理条件下的响应机制。
这将对提高体育训练效率、预防和治疗运动损伤等方面具有重要的实用价值。
三、研究方法本研究采用多体动力学和有限元方法相结合的方式，对人体下肢进行生物力学研究。
具体步骤如下：1. 建立人体下肢的多体动力学模型。
通过收集相关的人体尺寸数据，建立各关节、肌肉、骨骼等部位的几何模型，并利用多体动力学软件进行模型参数化。
2. 利用有限元方法对人体下肢的骨骼、肌肉等组织进行建模。
根据组织的材料属性，建立相应的有限元模型。
3. 通过多体动力学模拟人体下肢的运动过程，分析其运动学和动力学特性。
同时，将模拟结果与实际实验数据进行对比，验证模型的准确性。
4. 利用有限元方法分析人体下肢在各种生理、病理条件下的力学响应，揭示其潜在的生物力学问题。
四、研究结果1. 通过多体动力学模拟，我们发现人体下肢在运动过程中，各关节的力矩、角度等运动学参数具有明显的规律性。
这些规律性参数对于理解人体下肢的运动机制具有重要意义。
2. 有限元分析表明，人体下肢在承受外力作用时，骨骼、肌肉等组织的应力分布具有明显的特点。
这些特点有助于我们了解人体在各种生理、病理条件下的响应机制。
3. 通过对比多体动力学模拟结果和实际实验数据，我们发现模型具有较高的准确性。
这为进一步研究人体下肢的生物力学提供了可靠的依据。
人体下肢生物力学建模研究进展
第１０卷第４期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．１０№．４２０１５年８月 ＣＡＡＩＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｙｓｔｅｍｓ Ａｕｇ．２０１５ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４７８５．２０１５０３０３９网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／２３．１５３８．ｔｐ．２０１５０７０２．１１０４．００１．ｈｔｍｌ人体下肢生物力学建模研究进展邵明旭，王斐，殷腾龙，刘健（东北大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳１１０８１９）摘 要：人体下肢生物力学建模与仿真是穿戴式外骨骼机器人系统开发的一个重要内容。
对其研究所获得相关的理论与技术方法对生物动力学、康复医学、假肢及运动康复器械设计等领域的发展具有促进作用。
本文以人体下肢生物力系统为研究对象，概括和总结了国内外下肢建模与仿真技术的研究现状，就目前普遍采用的基于Ｌａｇｒａｎｇｅ方程和角动量定理的多刚体模型法、仿真软件建模法、Ｈｉｌｌ三元素法、黑箱训练等方法进行了详细的分析，并对研究趋势进行了展望。
本文所综述的动力学建模与仿真验证方法对实现穿戴式外骨骼机器人和谐自然人机交互设计具有重要的指导意义。
关键词：下肢生物力学建模；Ｌａｇｒａｎｇｅ方程；角动量定理；Ｈｉｌｌ模型；仿真软件建模；黑箱训练法中图分类号：ＴＰ３９１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３－４７８５（２０１５）０４－０５１８－１０中文引用格式：邵明旭，王斐，殷腾龙，等．人体下肢生物力学建模研究进展［Ｊ］．智能系统学报，２０１５，１０（４）：５１８－５２７．英文引用格式：ＳＨＡＯＭｉｎｇｘｕ，ＷＡＮＧＦｅｉ，ＹＩＮＴｅｎｇｌｏｎｇ，ｅｔａｌ．Ｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｈｕｍａｎｌｏｗｅｒｌｉｍｂｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇ［Ｊ］．ＣＡＡＩＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｙｓｔｅｍｓ，２０１５，１０（４）：５１８－５２７．ＲｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｔｈｅｈｕｍａｎｌｏｗｅｒｌｉｍｂｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇＳＨＡＯＭｉｎｇｘｕ，ＷＡＮＧＦｅｉ，ＹＩＮＴｅｎｇｌｏｎｇ，ＬＩＵＪｉａｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０８１９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｈｕｍａｎｌｏｗｅｒｌｉｍｂｓｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｏｎｔｅｎｔｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｗｅａｒａｂｌｅｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｒｏｂｏｔｓ．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓｄｅｒｉｖｅｄｆｒｏｍｔｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｃａｎｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｍｅｄｉｃｉｎｅａｎｄｐｒｏｓｔｈｅｔｉｃ／ｏｒｔｈｏｔｉｃｄｅｖｉｃｅｓ．Ｔｈｉｓｗｏｒｋｒｅｖｉｅｗｓｔｈｅｓｔａｔｅ－ｏｆ－ｔｈｅ－ａｒｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｆｏｒｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓｏｆｈｕｍａｎｌｏｗｅｒｌｉｍｂｓａｎｄｍａｋｅｓａｎａｌｙｓｉｓｏｆｐｏｐｕｌａｒｍｅｔｈｏｄｓ，ｓｕｃｈａｓｍｕｌｔｉ－ｂｏｄｙｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｍｏｄｅｌｉｎｇ，ＨｉｌｌｔｈｒｅｅｅｌｅｍｅｎｔｓｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｂｌａｃｋｂｏｘｔｒａｉｎｉｎｇｍｏｄｅｌｉｎｇｂａｓｅｄｏｎＬａｇｒａｎｇｅｅｑｕａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｏｒｅｍｏｆａｎｇｕｌａｒｍｏｍｅｎｔｕｍ．Ｔｈｅｆｕｔｕｒｅｐｒｏｓｐｅｃｔｓｉｎｔｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｆｉｅｌｄａｒｅａｌｓｏｐｒｏｖｉｄｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｎａｔｕｒａｌｌｙｈａｒｍｏｎｉｏｕｓｈｕｍａｎ－ｒｏｂｏｔｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｏｆｗｅａｒａｂｌｅｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｒｏｂｏｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｈｕｍａｎｌｏｗｅｒｌｉｍｂ；Ｌａｇｒａｎｇｅｅｑｕａｔｉｏｎ；ｔｈｅｏｒｅｍｏｆａｎｇｕｌａｒｍｏｍｅｎｔｕｍ；Ｈｉｌｌｍｏｄｅｌ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｂｌａｃｋｂｏｘｔｒａｉｎｉｎｇｍｏｄｅｌｉｎｇ收稿日期：２０１５－０３－２４． 网络出版日期：２０１５－０７－０２．基金项目：中央高校基础科研业务费资助项目（１２０１２４００２）；辽宁省自然科学基金资助项目（２０１３０２００４０）．通信作者：王斐．Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｆｅｉ＠ｉｓｅ．ｎｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ． 随着ＭＥＭＳ、材料、控制和计算机技术的飞速发展，以及我国快速进入老龄化社会后对康复辅助设备的旺盛需求，穿戴式外骨骼机器人技术在世界范围内引起了越来越多学者的关注。
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罔３删向自ｌ载（山，力矩）和载荷 作用时问对峙骨骨折的影响
２００６中国救车＆全＆术目日、研ｌｊ台
载时间超过４ｍｓ，就能造成胫骨骨折
２．２膝关节损伤
Ｒａｍｅｔ等人采用Ｆ脏生物样本对人体膝戈前的耐竖限度进行了研究，建议在准静态载衙 条件下人体膝关节横向剪切的耐受限度为２０ｒａｍ…。‰ｌｚｅｒ等人研究了人体下肢标本庄高速 （４０ｋｍ／ｈ）碰撞Ｆ的生物山学响应，膝芙节横向剪切位移平均值选到１６ｒａｔａ时骺骨骨折，
特性不芷。
尽管ＪＡＭＡ．ＪＡＰｄ下肢冲击器的生物力学特性忧于ＴＩＬＬ冲击器，但其膝部韧带的实验 可重复性水太，且无法确定朦关节弯曲和剪切变形对其损伤的影响，仍小能完好地模拟人体 下肢。且Ｐ述冲击器都没有考虑＾体上身质最、脚与地面的接触情况等对安验结果的影响。 实际上，采用ｒ胺冲击器来评价汽车与行人下肢的碰撞安全性能．其结果土要应该能够 反映不同汽车前郎结构对行人下胜的碰撞损伤程度的好坏．从而用于指导改进汽车前部的结 构设计。因此，过分追求冲击嚣的牛物力学结构与人体下肢相近也许并非培好的办法。如果 采用简单结构能够达到该目的，则其实验的重复性及町靠性将更高。术文在ＥＥＶＣ冲击器 结构的摹础上，通过修改其邮分参数值，探讨了提高其评价性能的斤法。
为２
５－８ｋＮ ７”。Ｎｙｑｕｉ
ｓｔ等人通过动态三点弯曲实验，得出
７±ｌ
男性胫骨骨折的碰撞力峰值为４
４¨，弯曲力矩为
３１７±８８ｘｌⅡ＝立性则分别为４ １±Ｉ ２ｋＮ和２７８±３０Ｎｍ’。 Ｙａｎｇ则认为造成腿骨丹始骨折的力的大小取决于载荷
的加载速度及作用的时问。胫骨骨折与载荷的大小及作用时 间的关系如图３所示１。胫骨受到的力越』＝、作用时间越长，
图５冲击器与车碰撞实验布置
表４仿真实验输出的损伤风险值 一奎型 ．．实验搓型 至曲角匿
１．２５ １．９０
一最太剪切位整
０．８５ １．６５
．．加速度
０．５３ ０．６１
．
金让
２．６３ ４．１６
Ａ珏！｜ＴＲＬ冲击器 一 新冲击器
下肢冲击器参数改进研究
本文根据国外损伤生物力学研究得到的下 肢膝关节剪切、弯曲变形特性ｕ划，修改新建下 肢冲击器模型中模拟膝关节剪切、弯曲变形的 平移铰链和旋转铰链刚度定义。修改前后的剪 切特性加载函数定义曲线如图６所示。修改前 的加载函数位移值小于１０ｍｍ，且随着剪切位移 的增大，力大幅度增加。修改后的加载函数剪 切位移定义范围扩大到３５ｍｍ以上，且随着剪切 位移的增加，力变化较平缓，当位移较大时甚 至有所减小，可以模拟较大的膝关节相对位移。
２００６中国汽车宜全技术国际研讨会
基于人体下肢生物力学特性及事故分析的 下肢冲击器模型研究
曾立波，张冠军，危海烟，白中浩
湖南大学，现代车身技术教育部重董宴验室，湖南长沙４１
００８２
摘要车文对人体Ｆ肢的牛物力学特性进行Ｔｎ纳分析。通过建立种不同时期的典型牟型模型， 进行仿真宜嘧．井与事敞统＂分析结粜进行对№，表明￡Ｅ虻标准中果用的ＴＲＬ ｒ脏冲击８的实验结粜 不能很好地用ｒ评忻不同汽车前部结构对打人Ｆ肢的保护性能。通过恬政下肢冲出嚣的参数定义．建 ｉＴ新的Ｆ啦冲击器模掣井进行７帽虚的仿真分析．得到７鞍好的仿真蛮验结粜，Ⅲ“川干指导新Ｆ
情况。 然而，由于ＴＲＬ下肢冲击器中大腿和小腿采
用刚性结构，与＾体腿骨币同，不能模拟腿骨弯 曲运动。虽然胫骨上瑞的加速度传感器可以反映
三ｑ
目２ ＪＡＭＡ－ＪＡＲＩ
Ｆ肢冲击％
胫骨上端受力情况．｜＿日当碰撞部位改变时，Ｂ口使加速度传感器测晕值很小也会产生骨折现象，
崮而该装置不能准确反映其它受撞击部位受损情况。膝关节由刚性弯曲板组成，模拟的韧带 刚度太火，使腺关节弯曲变形量较人体实际变形量偏小。受弹簧剪切变形的限制．该冲击器 只能评估２０％以上的过载量ｎ因此．该冲击器存模拟膝关节损伤及腿骨变形时生物力学
ＡＥＣＡ（ＰＡＲＴＡｌ ＡＥＣＡ（ＰＡＲＴＢｌ
２ｍ／ｓ
３基于事故统计分析的仿真模型建立
为了分析聚用ＴＲＬ冲击器进行宴骂盎的结果是否能反映不同车型对行人Ｆ肢的碰撞损伤
表２ ｆⅢ前部土ｇ寥数 １型 Ａ型（７０年代） Ｂ型１９０年代） 保险杠』二端岛虚
０ ５３６ｍ
裳础机早前瑞高度
０ ７７６ｍ
０ ７４５ｍ
雠睑札－，发动机罩ｍ离
击器可测量胫骨加速度、膝关口弯曲角度和剪切
位移，并设置，阻尼元件米减少模型震动，增强 实验的稳定性和町重复性…。
豁１Ｉ
圈Ｉ ＥＥＶＣ（＂ＩＸＬ）下肢冲击＃
２００６中田汽车安全技术目断研讨会
日本汽车制造协会（ＪＡＭＡ）和同本汽车研究所（ＪＡＲＩ）从２０００年开始研究开发具有较
高生物特性的下肢冲击器，２００２年研究出Ｉ均ＪＡＭＡ－ＪＡＲＩ Ｆ肢冲击器改进了腿骨的柔韧性和
位移／－
…一１＂ＲＩ．冲击嚣——新冲击器
图６修改前后剪切特性刚度加载函数 力一位移曲线对比
．８９．
２００６中国汽车安全技术国际研讨会
修改前后弯曲特性加载函数定义如图７所 示。修改前后曲线波形及变化趋势相似，只是 修改后的加载函数中力的数值明显减小，即刚 度减小，弯曲变形幅度增加。在模拟弯曲变形 时，还定义了卸载函数，随着加载函数的改变， 卸载函数也做了相应的修改。另外，为了模拟
肢≯¨ｉ＃结构的Ｊｆ发。
关键宇：汽车与行人碰撞．人体下腔＋臃关节，损伤７－物山学，Ｆ肢冲由器＋仿真
Ｓｔｕｄｙ ｏｎＬｅｇｆｏｒｍｌｍｐａｃｔｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎＡｃｃｉｄｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ＢｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＨｕｍａｎＬｏｗｅｒＬｉｍｂｓ
ＬｉｂｏＣａｏ，ＧｕａｊｕｎＺｈｎｇ，Ｈａｉｙ ａＴｌＷｅｉ，ＺｈｏｎｇＨａｏＢａｉ
２
行人下肢损伤生物力学
当发生汽乍与行＾碰撞事故时，外部载荷通过汽车前部与人体接触传递到人体下胜。当
下肢的生物力学响应超过了人体下肢的损伤耐受限度时，就会导致下肢生物组织的损伤和正 常生理功能构破坏。行人下肢损伤形式主要有般骨骨折、胫骨和腓骨骨折及膝关节损伤等“。
２Ｉ腿骨骨折
由于生物力学实验条件的限制，不同研究者通过实验得到的结果有较大差别。Ｋｒｅｓｓ等 人通过实验得到股骨骨折的碰撞力峰值为３－ｌＯｋＮ，力矩为 ３２０Ｎｍ…。Ｋｒａｍｅｒ等人通过实验得到胫骨骨折的碰撞力峰值
膝关节的结构，且有较好的生物特性，如图２所示‘”。／ｄ＝ＪＡＭＡ．ＪＡＲＩ ２００３下肢冲击器 （ＦＩｅｘ．ＰＬｌ２００３）中ｏ”，腿骨被分成组多节，每节
都用螺蝗钉从外部拧紧。同时，该冲击器模拟， 大腿骨节、胫骨月牙板、阻及用螺旋弹簧张紧的
钢丝绳表示的四条膝关节韧带，因而较好地模拟 了人体膝关节。该模型每多有１５个测量通道可以 测量腿骨的应变、韧带的延长咀及膝部骨头横向 和内侧载荷．园而可蚍确定整个腿骨的裁荷分布
较大的弯曲变形，刚度定义中的阻尼系数也适
当进行了调整。 为了验证新冲击器模型，本文同样采用不
弯曲角度／ｆａｄｓ
图７修改前后弯曲特性刚度加载函数 弯曲角度一力曲线对比
同时期的三种车型进行碰撞仿真分析，其结果如表３、表４所示。新冲击器的弯曲角度逐次
减小，最大剪切位移也逐次减小，损伤综合评价值随着车型变化明显，变化规律与事故统计
弯曲角度约为８—１３度”。
ＥＥＶＣＷＧＩ
７制定的利用下肢冲击器对行人下肢损伤进行评价的标准要求如袁Ｉ所示。由
表ｌ可知．评价标准中辫切位移限值太小，对应丁ＴＲＬ冲击器的剪切刚性太太。欧洲新车评 价程序（ＳＣＡＰ）十２００４年制定的新车评价标准采用丁ＥＥＶＣ提出的实验评价指标对新车型进＝ｆ＿＿＿ 评价。由于¨前的许多车型难以全面达到要求．欧洲汽车工业协会（ＡＣＥＡ）对该实验方法提出 了部分修改，分为两个阶段对车型进行评价，现阶段土要要求满足ＡＣＥＡ（ＰＡＲＴ Ａ）的评价 标准， ２０１０年后才逐步满足Ｂ部分的要求”。
ｉｍｐａｃｔｏｒ
ｐｒｅｆｅｒａｂｌｅ
Ｋｅｙｗｏｒａｓ：ｃ”ｐｅｄｅｓｍａｎ ｓｌｍｕ｛ａｔｉｏｎ
ｉｍｌｘａｅｔ，ｂ…１０ｗ日ｌｉｍｂ，ｋｚｅｅ
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ห้องสมุดไป่ตู้
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Ａｂｎｒａｃｔ：Ｂｉｏｍｅｅｈａｍｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｎｓｔｉｃｓ
达到２８ｒａｍ时骨干／干骺端骨折”。ＴＩＬＬ报告指出，在２０％的损伤几率下，Ｒａｍｅｔ Ｋａｊｚｃｒ ｅＩｄ研究数据显示的膝关节横向剪切位移分别为１６４ｒａｍ和ｌＳｍｍ’。 根据１５ ２０ｋｍ／ｈ碰撞速度Ｆ膝若节的横向剪切响应，存碰撞的第一个１０ｍｓ内．横向错
ｅｔ
ａｌ和
位峰值为９－１Ｉ肌。当膝关节１５—２０ｋｍ／ｈ碰撞速度Ｆ受侧向弯矩作用时．碰捕后２０ｍｓ内侧向
０１１５ｍ
０１９５ｍ
Ｏ ５０５ｍ
嗣鏖■
Ｏ
ａ）Ａ型车００年代）
Ｏ‘’
ｂ）Ｂ型乍（９０年代） 图４ Ｔ同年代车型及其仿真模型
Ｏ
ｃ）Ｃ型车（Ⅸ代）
２００６中国汽车安全技术国际研讨会
特性，本文采用了德国的交通事故损伤统计数据。Ｏｔｔｅ等人列举了三种不同时期的车型对行 人下肢的损伤统计数据。在行人与７０年代车型发生碰撞时，行人膝关节损伤占３１．７％１在 行人与９０年代车型发生碰撞时，行人膝关节损伤占２６．６％；而在与现代车型发生碰撞时， 行人膝关节损伤减少为２３．０％ｎ副。现代车型由于采用圆滑、 光顺、较软的前部结构，对行人下肢的损伤明显减小。本文 在对各种车型前部进行参数统计的基础上，建立了三种不同 时期的车型的多刚体仿真模型，各车型前部主要尺寸如表２ 所示，仿真模型如图４所示。冲击器与汽车碰撞仿真按照ＮＣＡＰ 规定的下肢冲击器实验的布置形式，如图５所示，车处于静 止状态，冲击器通过释放装置发射后自由运动，以ｌ １．１ｍ／ｓ 的速度水平撞击汽车前保险杠。 下肢冲击器模型与三种不同时期车型进行碰撞仿真实验结果如表３所示。把表３中的损 伤峰值除以相应的评价标准值，即剪切位移６ｍｍ，加速度２００９，弯曲角度２ｌ。，并把同一 次实验的损伤比值相加，定义其为下肢损伤风险，结果如表４所示。 从表３可知，对应于Ａ型、Ｂ型和Ｃ型车，冲击器的弯曲角度逐次减小，最大剪切位移 有增有减，冲击加速度也有增有减，难以反映不同时期的车型对行人下肢的保护性能好坏。 若采用损伤风险值来进行评价，其结果则与实际情况相符。