车辆碰撞模拟仿真分析假人模型

关于车辆碰撞仿真分析用人体模型的认识

——学习笔记及认识总结

李良 车辆工程 30608020406

人体模型：以人体参数为基础建立，描述人体形态特征和力学特征的有效工具，是研究、分析、设计、评价、试验人机系统不可缺少的重要辅助手段。

根据人体模型的用途进行分类：

1、设计用人体模型——汽车用H 点人体模型

2、作业分析用人体模

3、工作姿势分析用人体模型

4、动作分析用人体模型

5、人机界面匹配评价用人体模型

6、动力学分析用人体模型

7、运动学分析用人体模型

8、试验用人体模型——汽车碰撞试验用人体模型

一、概况介绍

车辆碰撞仿真分析用人体模型

车辆碰撞过程中，车内成员运动的动力学过程具有大位移、非线性、多自由度、瞬时性等特点，建立适合于这些特点的、基于多体系统动力学的人机模型，是进行车辆碰撞过程车内成员运动响应分析的关键技术问题。

基于多体系统动力学的二维和三维人体模型，应用于汽车碰撞过程中乘员运动响应的仿真分析、汽车碰撞行人事故中人体运动的仿真分析等问题的研究。

人体模型的结构：（以 MUL3D 汽车碰撞人体运动响应 为例）

1、人体模型的组成：13个刚体——头部、颈部、胸部、腰腹部、臀部、左右上臂、左右前臂和手、左右大腿、左右小腿和足。

2、相邻刚体之间的铰接约束形式根据人体关节的解剖学结构特点选取。

胸部与左右上臂之间的肩关节 ——万向节

人机系统匹配评价用人体模型

车辆碰撞仿真分析用人体模型

左、右上臂与左、右前臂之间的肘关节——转动副

左、右大腿与左、右小腿之间的膝关节——转动副

其它各关节——球面副

3、为了描述和计算人体与车身有关结构之间的碰撞力，根据碰撞接触的可能形式，将人体模型各组成部分的形状用椭球加以描述，将车身有关结构部分的形状用平面加以描述，按椭球与平面的贯穿接触来计算贯穿接触力。

二、虚拟现实中多刚体人体模型的构建

1、人体Hanavan 模型概述

在虚拟环境中模拟人体运动，首先就是要建立逼真的人体模型。从运动生物力学角度看，还要建立运动技术的力学模型，必须知道内在规律和约束条件两类因素。人体的外形主要是由人体的骨骼结构和附着在骨骼上的肌肉运动决定的。在人体运动过程中，皮肤的形变随着骨骼的弯曲和肌肉的伸展与收缩而变化。人体外形模型构建通常采用棒模型、表面模型和体模型三种方法。棒模型是将人体轮廓用棒图形和关节来表示。表面模型是由一系列多边形和曲面片的表面将人体骨骼包围起来表示人体外型，该模型可以通过修改表面点来表示人体的运动，也可以消除其隐藏面，真实感较强，但有限的多边形面表示人体表面光滑性不够。体模型是由基本体素的组合来表示人体外型，如采用圆柱体、椭球体、球体等体素来构造人体。

人体在忽略受力产生形变的情况下，可看作一

个由关节点连接的多个刚体所构成的系统。人体运

动仿真系统的人体模型通常采用的是汉纳范

（Hanavan）模型。它将人体分解为1 5 段，由头、

上躯干、下躯干、左上臂、左下臂、左手、右上臂、

右下臂、右手、左大腿、左小腿、左脚、右大腿、

右小腿、右脚组成，每一段皆为匀质

的不可变形的刚体，各段之间以绞链相连接[5]。对

于一般的刚体，任意时刻只要知道它的空间位置、

姿态，就能在空间中描述这个刚体。而人体不同于

一般的刚体，人体是由200 多个旋转关节组成的复

杂形体，仅仅依靠三个位置量、三个姿态角不能模拟真实的人体运动，需要提供所有的关节数据。所以人体运动的仿真要远复杂于一般的刚体，也就更具挑战性。

2、三维人体模型设计

由于人体结构的复杂性，有必要对人体进行抽象和简化，为了更好的描述运动，把人构造成层次结构。人体骨架模型主要由关节和骨骼构成。有些关节结构比较复杂，比如肩关节，它实际上由很多组织构成，但这里只把它当作一个类似铰链的关节。对于骨骼也作了简化，比如前臂本来是由尺骨和桡骨组成的，这里把尺骨和桡骨合并为一个骨骼，把骨骼看作不可形变的刚体。

关节是连结人体各部位的环节，也是人体运动的枢纽，是传递力和力矩、使人体能作正常运动的重要器官。人体关节的自由度多，因而可实现许多精细运动。人体各个关节（分为车轴关节、滑车关节、椭圆关节、鞍状关节、球窝关节）活动的方向与角度，与关节的表面形态有密切的关系，且决定着关节运动的自由度[ 2 ]。

一个物体沿X（Y、Z ）轴方向移动称具有一个自由度，绕X（Y、Z ）轴方向转动称具有一个自由度，要确定一个物体的空间位置和姿态至少需要六个自由度。

人体关节根据实际运动动作通常被模拟为圆柱绞、万向绞和球铰，它受到人体运动生理上的限制。所有关节，在健康状态下加上肌肉和韧带的关系，某一关节的自由度不多于3 个，所以必须明确人体各关节运动的约束条件。

人体模型中各肢体之间存在一定的运动连带关系。将关节看成点,将关节之间的骨骼看成是链,就可以按照运动关系将各肢体链接起来。人体分层结构其实就是树形结构。每个节点只有一个父亲，根节点无父亲；关节的父亲和儿子是骨骼，每个关节只有一个儿子；骨骼的父亲和儿子是关节；每块骨骼可能有多个子关节。根据汉纳范（Hanavan）人体运动系统模型，总共定义了15 个关节15 块骨骼；根骨骼是下躯干骨骼，其父关节是jRoot，是面向世界坐标的，是树的总根。

3、三维人体模型设计实现

针对人体模型的复杂性，采用参数化的方法来表述人体的拓扑信息、几何信息以及物理信息。即把人体分成由不同的块和关节组成，各个块和关节用参数来描述，然后用树结构把各块的关系表示出来。对于人体模型的构造过程，具体来说，可根据某一个块的参数来构造出人体某一部分的骨架，这个骨架是采用面向对象技术，由骨骼类、关节类按具体的基本形体来表现[ 4 ]。

人体模型的主要目的是进行人体运动仿真研究，以及提供虚拟现实或三维游戏角色。运用面向对象技术将人体划分为骨骼类、关节类，按人体结构层次建立了人体多刚体模型，为今后实现人体运动打下了基础。人体模型的各关节的活动均可由成员变量控制，这样就可以根据人体运动方程和碰撞检测结果，完成站立、坐下、下蹲、卧倒、步行、奔跑、跳跃、攀援、爬行、游泳、取物、推拉、射击等基本动作[1]。开发者也可以根据需要，组合出更加复杂的人体动作。

三、汽车碰撞过程中人员响应的仿真建模