航空航天仿真试验假人研制

柳松杨 徐元铭 杨春信

（北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京 100191）

航空航天仿真试验假人研制

柳松杨 徐元铭 杨春信

（北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京 100191）

介绍了国内航空仿真试验假人的功能要求和研制状况，将研制工作分为人体参数测量、机械结构、信号采集与处理和可靠性验证4个部分进行.重点阐述了仿真试验假人的骨架、关节和皮肤肌肉的材料选择及结构设计特点.传感测试能力可输出记录64路生理信号，整体性能接近美国军用假人ADAM的水平，为高危的载人航空航天装备动态性能试验测试提供了有效工具.

动态性能试验;仿真假人;传感器测试

在高危的载人航空航天动态性能试验中（如弹射救生等），由于试验环境往往会超过人的生理耐受能力而极具危险性，因此运用仿真假人代替真人进行试验成为了一种重要手段，它可以给载人装备的研制提供量化的、更具指导意义的数据指标.

从1960年开始，美国RSD公司和通用汽车一直从事混合型试验用假人——Hybrid系列的研发，以广泛用于汽车和航空航天试验，目前已发展到了Ⅲ型.美军方也于20世纪80年代初研制成功了肢体约束评估假人LRE［1］，用于飞机弹射座椅的气流吹袭防护试验.20世纪90年代又发展了更为先进的动态仿真假人ADAM，以满足第4代弹射座椅安全救生包线能达到1300 km/h的要求.该假人外形尺寸、质量和惯量参数符合美国第3、第97百分位的飞行员;分为17个分段，关节的活动度与真人一致，且具有拟人的阻尼特性;内部装测量位移、速度、加速度和力（矩）的传感器，可输出记录 64 路生理信号［2－3］.

我国航空航天试验所用的假人于20世纪70年代开始研制，但发展缓慢.假人主要参数是依据当时我国飞行员的人体测量数据，仅有外形尺寸和整体重量，对人体各分段的惯性参数没有仿真要求，仅能测胸腔三向加速度和角速度的生理参数，动态仿真能力极为有限，远不能满足现代装备动态性能试验的设计及生理评价要求.因此，研究发展先进的仿真试验假人显得十分重要.

1 仿真试验假人的功能要求

仿真试验假人最基本的功能要求是试验时假人的生理响应信号应尽可能地与真人接近.因此，基于人体的受损机理，必须依照3点原则［4］来设计用于动态试验测试的假人:①力学结构的仿真性;②力学性能的相似性;③重复使用性.其中，力学性能的相似性最为重要，它能保证在动态试验测试中获取可信的数据.仿真试验假人应具有如下特点:

1）假人各分段的尺寸、质量及质心分布符合真人的统计数据，目前我国飞行员人体统计数据的划分规格分为:第3、第5和第97百分位，类似于美国，但数据有所不同;

2）假人各关节的活动范围和真人接近，其臂关节、肘关节、腕关节、膝关节、髋关节、踝关节具有拟人的多自由度运动范围;

3）在人体结构一定的情况下，假人响应外部载荷的逼真程度取决于所使用的皮肤肌肉材料和骨架材料，材料的组合使用，可以使假人各部件具有接近真人的力（矩）-变形特性.

4）假人应具有丰富的数据测试能力，以满足各种动态试验测试的需要;

5）满足假人的性能可靠性验证.

2 仿真试验假人的研制

仿真试验假人的研制涉及多门学科，如人体解剖学、材料学、机械仿生学、结构力学及制造工艺等.作为一种测量装置，还需要用到信号分析、检测和数据采集等方面的知识.首先需要依据人体解剖学，将人体按骨性标志划分为若干分段，通过分析人体结构和各分段的功能和关系，建立简化的人体模型，并确定简化后的各分段的功能及其相互关系.然后利用机械仿生学和结构力学设计出代替各分段的机械部件，并将其按分段连接关系连成一体.本文将仿真试验假人的研制分为以下4个部分进行:人体参数测量、机械结构、信号采集与处理和可靠性验证.

2.1 人体参数测量

文献［5］确定第3、第50和第97百分位飞行员的主要外形尺寸，使仿真试验假人的外形尺寸符合现役相应百分位飞行员人体尺寸.将假人分为14个运动分段，分别为:头颈、躯干（上下躯干固定）、左（右）上臂、左（右）前臂、左（右）手、左（右）大腿、左（右）小腿和左（右）脚.分析相应百分位飞行员整体及14个分段的重量、重心和转动惯量.研制假人惯性测量装置，用于仿真假人的整体及14个分段的惯性参数的测量和验证.人体各分段划分以明显的骨性标志为分界点［6］.假人大腿制造尺寸为解剖大腿尺寸减（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减Δ3.其中，Δ1=膝高－胫骨点高;Δ2=髂嵴点高－大转子点高;Δ3=桡骨点高－肘高.

各运动分段是靠关节链接的，通过分析研究，假人四肢大关节的活动范围如表1所示.

表1 上下肢自由度运动范围

2.2 机械结构

2.2.1 材料选择

仿真试验假人的结构主要由金属骨架、关节和仿真皮肤肌肉组成.金属骨架常用铝合金、钛合金和钢材料制造;仿真皮肤肌肉、关节摩擦片和阻尼块等常用非金属材料制造.采用金属材料既可以模拟真人的骨骼刚度，又能增加假人的强度.表2给出了目前研制的仿真试验假人的结构材料类型.

表2 动态仿真试验假人结构材料

颈椎和腰椎往往需要有较强的弹性支撑，可选用硬橡胶.关节部分有阻尼减振和摩擦要求，可选用尼龙或聚四氟乙烯作减振片.

皮肤材料要有良好的拉伸性、弹性和韧性、抗撕裂能力强，且缓冲性能好;可通过试验来选用合适的复合高分子材料，如硅橡胶.泡沫可用来作肌肉，起到缓解冲击力和控制重量的作用.此外，皮肤肌肉材料还应具有良好的电绝缘性及加工制作方便等.

2.2.2 骨架及关节结构的设计

骨架的设计除要考虑人体测量给出的各分段的外形尺寸、惯性参数和关节活动度外，还要满足强度要求.骨架结构在试验中常需要受到较大的冲击力，因此其强度要能承受动态试验测试所提出的技术指标，如第4代弹射座椅救生速度1300 km/h的高速气流吹袭要求.

骨架的整体结构是根据机构理论建立起来的多刚体机械系统，其主要部件为头、颈、胸腔、腰椎、骨盆、肩关节、上臂、肘关节、前臂、腕关节、手、髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节和脚.因此，具体分析时，可先通过建立弹射座椅-假人系统的动力学数学模型，四肢处于自由状态，求出高气流速度下各部件所承受的最大载荷，并以此作为强度设计的依据，安全系数取1.5.根据强度设计要求与人体各分段的惯性参数选用骨架金属材料;参照人体各分段的硬度选用仿真皮肤肌肉材料.传感器的安装要符合信号采集与处理的要求.图1为所研制的动态仿真假人骨架示意图.

图1 动态仿真假人骨架

关节的设计要满足人体四肢大关节的活动范围.肩关节、肘关节、髋关节和膝关节的设计要考虑IG平衡及关节的阻尼.传感器作为骨架的一部分固定在骨架上.大多数假人要求为坐姿，而弹射假人还有站姿要求，因此髋关节的设计是必须的，它连接大腿和躯干，具有两个自由度，分别实现大腿相对躯干前后摆和左右侧摆，两个自由度运动情况分别通过一个角位移传感器测量.

以右侧髋关节为例，髋关节主体结构可设计为一个叉型构件（图2），叉型端面的孔与躯干外伸的额状面水平轴构成一个转动副，实现大腿前后摆动;叉型构件两个侧板上同轴的两个孔，通过一个与大腿固接的转轴，构成另外一个转动副，实现大腿左右侧摆.

在髋关节结构设计中，不仅要实现运动，而且还需要满足关节自由度限位、关节阻尼、关节摩擦力、角位移传感器的安装、关节摩擦力调整等要求.图3为髋侧摆关节的限位方式，利用髋叉型构件侧板上的凸台实现活动范围.软挡块与硬挡块粘接，实现关节到达极限位置时对碰撞力的吸收，模拟人体关节阻尼.软挡块采用高分子材料，周向原始尺寸为22°，可压缩角度为15°.

图2 髋关节结构设计三维图示意图

图3 髋侧摆关节的限位方式和关节阻尼

每个活动关节都具有一定的摩擦力，可以克服肢体的自重，使在没有其他外力作用时肢体可以保持某一姿态.摩擦力主要通过相对运动的两个构件之间的摩擦片实现.摩擦片由高分子材料加工而成，摩擦系数比较大，为了保证具有确定的摩擦面，摩擦片采用图4所示两种方式.

图4 髋侧摆关节内外侧摩擦片

2.2.3 皮肤肌肉的设计

假人皮肤肌肉的设计制造是外部形态仿生的关键.仿真皮肤肌肉分两层，用拉链闭合.除了选用符合人体生物力学特性的材料以外，外部造型的整体设计必须模拟真人皮肤的结构和造型、方便装卸、与假人骨架完全配合、最大程度地包裹金属骨架.根据假人骨架的设计进行肌肉各分段的划分（图5）.皮肤的加入将会对假人整体及各分段的参数产生影响，因此在设计初期就必须加以考虑和控制.

仿真皮肤肌肉各个环节的细节设计必须解决皮肤和骨架之间、皮肤和皮肤之间所存在的动态和静态的摩擦问题，以消除在假人关节活动中肌肉对运动的阻力.

图5 皮肤各环节设计总体图

2.3 信号采集和处理

传感器作为假人结构的一部分嵌入骨架中.传感器的数量、安装部位及技术要求可根据动态试验测试要求及参照国内外相关军用标准的人体生理耐限要求来制定.仿真试验假人所记录的信号包括载荷（力、力矩）、变形位移、角位移、角速度、加速度和温度，所用的传感器见表3.

信号记录系统采用自行研制的固态记录器及其供电电源，一并安装在假人胸腔内，能实时采集和记录64个通道信号.信号的记录采用Flash和带电RAM.固态记录器包括:信号调理、A/D转换器、中央控制器、存储显示和I/O输入输出电路，并有逻辑控制单元进行控制［7］.数据处理分析软件可直接读出数据曲线或任一曲线段上点的数值及统计值;可直接计算人体部分生理损伤耐限，如头部损伤耐限HIC，以及动态响应指数DRI等.

2.4 可靠性验证

在使用假人时，由于各种各样的问题和原因会造成假人皮肤或骨架损坏的情况发生，这对假人的仿真性能会产生很大的影响.因此，为了保证每次试验都能通过假人获取到可靠的数据，必须对假人进行性能验证.目前所研制的仿真试验假人已进行了高低温试验、电磁兼容性试验、振动试验、地面火箭滑车试验、高速气流吹袭试验和垂直冲击试验，如图6所示.

图6 仿真假人冲击试验

表3 仿真假人骨架上固定的传感器

3 结论

仿真试验假人是航空航天动态试验中一项重要的测试工具，具有人体的仿生结构，能模拟人体各分段的运动和转动;柔性皮肤结构具有拟人的拉伸弹性模量、邵氏硬度;具有力、加速度、位移量、角位移等生物力学参数获取能力，能反映人体各分段受力大小、运动方向和位移等.它作为一个量具可以评价在高危的动态试验中各种载荷是否会造成飞行员或宇航员的损伤，并为装备（尤其是救生防护装备）的设计和研制定型提供可靠依据.

目前研制的航空航天试验用的仿真试验假人，从参数计算、结构设计到材料选择都满足生物力学仿真假人的要求，具有形态相似性，生物力学仿真性和结构等效性，其性能介于美国军用的LRE假人与ADAM仿真假人之间;可以说，本仿真试验假人的研制实现了我国柔性动态仿真假人研究的跨越式发展.

（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，直升机防坠毁试验假人的研制与标定［J］.四川大学学报:工程科学版，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中国男性飞行员人体尺寸［S］GJB 4856—2003 Chinese male pilot body parameters［S］（in Chinese）

［6］戢敏，袁中凡，林大全.仿真假人人体参数的计算和分析［J］.中国测试技术，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］杨毅，柳松杨，刘宝善，等.标准动态仿真假人内部数据采集系统设计［C］//全国第十届安全救生学术交流会文集.武汉:湖北省科学技术协会，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">网络出版时间:

时间:2011-12-27 10:38;

CNKI:11-2625/V.20111227.1038.008

www.cnki.net/kcms/detail/11.2625.V.20111227.1038.008.html

柳松杨（1965－），男，湖北鄂州人，博士生，xuymg@sina.com.

（编 辑:李 晶）