专利名称：用于人体碰撞保护试验的四自由度假人膝关节机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于汽车碰撞试验的假人设计，特别涉及假人膝关节机构的设计，属于行人与车辆碰撞中行人保护技术领域。
背景技术：
汽车交通事故是威胁人类生命安全的一大公害，行人事故在汽车交通事故中占有很高的比例。为解决此问题，欧洲和日本都已经研制了用于行人碰撞保护的假人模块。
欧洲提高车辆安全委员会(EEVC)经过多年研究，先后制定并颁布了WG10和WG17标准，这两个标准采用其自行研制的行人模块试验，检验并评价车辆对行人下肢、髋部和头部的伤害。
但是，EEVC开发的行人腿部模块有很多有待改进的地方。首先是它们的膝关节模型只有两自由度。EEVC WG10和WG17行人下肢模块作了大量的简化，只规定了膝关节的侧向弯曲和相对位移两个方向的力学特性，没有考虑其前后方向的弯曲和相对位移。这种两自由度的下肢模块仅适合评价机动车与站立姿态的行人之间的侧面正撞，对侧面斜碰撞、前碰撞、后碰撞和行人步行姿态等复杂工况并不直接适用。在实际的行人与车辆碰撞事故类型中，人车碰撞的复杂工况是大量存在的。山西省400例行人交通事故中，后撞(人车同向)、前撞(人车相对)、侧撞(包含侧面正撞与侧面斜撞)分别占29％、5％、66％。这进一步说明，有必要开发新的具有4自由度的行人腿部模块，以更好的对人车碰撞进行模拟。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于人体碰撞保护试验的四自由度假人膝关节机构，使其能更好的对人车碰撞的复杂工况进行模拟和试验研究，以利于提高汽车交通事故中行人的安全性。
本发明的技术方案如下一种用于人体碰撞保护试验的四自由度假人膝关节机构，其特征在于该机构由大腿模块总成，主移动块总成，副移动块总成，小腿模块总成以及四条缆索组成；所述的大腿模块总成包括大腿套筒和设置在大腿套筒下部的转轴套筒，在大腿套筒和转轴套筒之间设有限位块；所述的转轴套筒内部设有三个阶梯孔，该套筒与大腿套筒有径向和轴向的配合关系，具有共同的轴线a；转轴套筒与限位块固定在一起，在大腿套筒的带动下，与轴套筒一起绕轴线a旋转；所述的主移动块总成包括主移动块和分别安装在主移动块上且与主移动块具有共同轴线b的两个对称安装的滑动轴承、两个对称安装的定位碟和设置在两定位碟之间的第一橡胶块；所述的副移动块总成包括副移动块、小腿转动块，在副移动块和小腿转动块之间安装有第一转动轴承和第二转动轴承，通过共有轴线c来实现转动配合；在小腿转动块下部的两个孔内分别装有第二橡胶块和第三橡胶块，在第二橡胶块和第三橡胶块的底端分别装有第三定位碟和第四定位碟，在所述副移动块上设有四个均布的缆索孔，在小腿转动块上设有与缆索孔相对应的缆索通道；所述的小腿模块总成包括小腿套筒、阶梯套筒和第四橡胶块，所述的阶梯套筒嵌套在小腿套筒中，在阶梯套筒的顶端安装有腿部垫片，在阶梯套筒的内部依次装有第四橡胶块、第六定位碟、一对膜片弹簧和第五定位碟；所述的两个滑动轴承、两个定位碟安装在转轴套筒内部的三个阶梯孔内，所述的轴线a和轴线b重合，所述的主移动块总成相对于大腿模块总成转动和左右向的移动；所述的主移动块设置在副移动块总成的上方，并在相对于副移动块总成作前后向运动；所述的副移动块和小腿转动块之间绕轴线c相对转动；所述的腿部垫片与副移动块总成下端固定在一起；所述的第一和第三缆索的一端分别与主移动块连接，另一端分别穿过设置在副移动块上的第一缆索孔和第三缆索孔以及小腿转动块上对应的缆索通道后，分别与第三定位碟和第四定位碟连接；所述的第二和第四缆索的一端分别与副移动块连接，另一端分别穿过设置在副移动块上的第二缆索孔和第四缆索孔以及小腿转动块上对应的缆索通道后，进入小腿模块总成与第五定位碟相连。
为了加工和安装方便，本发明所述的大腿模块总成上的转轴套筒和限位块分别采用对称的两部分构成。所述的主移动块采用对称结构的两部分构成本发明的技术特征还在于在所述的主移动块的下部设有截面为T形的台阶结构，在副移动块的顶部设有与该台阶结构相配合的插槽。
本发明与现有技术相比，具有以下突出性效果如前所述，由于EEVC WG10和WG17行人下肢模块作了大量的简化，只规定了膝关节的侧向弯曲和相对位移两个方向的力学特性，没有考虑其前后方向的弯曲和相对位移，因此这种两自由度的下肢模块仅适合评价机动车与站立姿态的行人之间的侧面正撞，对侧面斜碰撞、前碰撞、后碰撞和行人步行姿态等复杂工况并不直接适用。与欧洲的EEVC两自由度行人假人膝关节模块相比，增加了前后向转动和前后向移动两个自由度，新增加的两个自由度符合美国THOR正面碰撞假人膝关节所具有的力学特性。本发明作为一种新型的行人膝关节碰撞假人模块，具有更高的生物仿真性，也更能够适应各种复杂工况下的人车碰撞研究。
图1为四自由度膝关节结构整体模块结构示意图。
图2为四个总成的爆炸视图。为图1的分解爆炸视图。
图3为大腿模块总成的结构图(主视图)。
图4为图3的B-B剖视的局部放大图。
图5a为大腿套筒5的零件主视图。
图5b为大腿套筒5的零件左视图。
图6为主移动块总成2的结构图。
图7为图6的B-B剖视图。
图8为图6的A-A剖视图。
图9为副移动块总成3的结构图。
图10为图9的俯视图。
图11为图9的左视图(半剖视)。
图12为小腿模块总成4的结构图。
图13为图12的局部放大图。
图中1-大腿模块总成；2-主移动块总成；3-副移动块总成；4-小腿模块总成；5-大腿套筒；6a-第一转轴套筒；6b-第二转轴套筒；7a-第一限位块；7b-限位块；8a-第一滑动轴承；8b-第二滑动轴承；8c-第一转动轴承；8d-第二转动轴承；9a-第一定位碟；9b-第二定位碟；9c-第三定位碟；9d-第四定位碟；9e-第五定位碟；9f-第六定位碟；10-主移动块；11-副移动块；12-小腿转动块；13a-第一橡胶块；13b-第二橡胶块；13c-第三橡胶块；13d-第四橡胶块；14-阶梯套筒；15-小腿套筒；16a-第一膜片弹簧；16b-第二膜片弹簧；17-腿部垫片；18a-第一缆索；18b-第二缆索；19a-第一缆索孔；19b-第二缆索孔；19c-第三缆索孔；19d-第四缆索孔；20-插槽。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的原理、具体结构及实施方式作进一步的说明。
图1是本发明的设计总成图，图2是将设计分为4部分后的爆炸图，这四部分为大腿模块总成1、主移动块总成2、副移动块总成3和小腿模块总成4。下文将顺次说明4个部分的组成和装配关系，为说明方便，将人体站立时，自然的前后方向定义为前后方向，左右方向定义为膝关节的侧向，膝关节前后向转动自由度即人体做自然屈膝动作时所具有的自由度。
图3是大腿模块总成1的结构图。该总成由大腿套筒5、转轴套筒以及限位块构成。为方便加工和安装，将转轴套筒拆分制造成两个对称的部件，即第一转轴套筒6a和第二转轴套筒6b，在转轴套筒内部设有三个阶梯孔；大腿套筒5与两侧的第一转轴套筒6a和第二转轴套筒6b有径向和轴向的配合关系，其共同的轴线为轴线a。限位块同样被拆分制造成两个对称的部件，即第一限位块7a和第二限位块7b，转轴套筒与大腿套筒有径向和轴向的配合关系，具有共同的轴线a；转轴套筒与限位块固定在一起，限位块的顶部平面保证了它能在大腿套筒5的带动下，与转轴套筒一起绕轴线a旋转。
图6是主移动块总成2的结构图。该总成由第一滑动轴承8a、第二滑动轴承8b、第一定位碟9a、第二定位碟9b、主移动块10和第一橡胶块13a组成。其中第一滑动轴承8a、第二滑动轴承8b、第一定位碟9a，第二定位碟9b和第一橡胶块13a都安装在主移动块10上部的轴上，且都与主移动块10共轴线b。其中，橡胶块13a放置在中间，而其两端装配有第一定位碟9a和第二定位碟9b提供限位，第一滑动轴承8a和第二滑动轴承8b则分别装配在第一定位碟9a和第二定位碟9b的两端。主移动块为装配方便，必须沿图6的B-B剖线分开成两半制造，装配时则固定在一起。
图9是副移动块总成3的结构图。该总成由第一转动轴承8c、第二转动轴承8d、第三定位碟9c、第四定位碟9d、副移动块11、小腿转动块12、第二橡胶块13b、第三橡胶块13c、第一缆索18a和第二缆索18b组成。其中，副移动块11和小腿转动块12通过共有轴线c来实现转动配合，两者之间则装配有第一转动轴承8c和第二转动轴承8d。第二橡胶块13b和第三橡胶块13c分别安装在小腿转动块12下部的孔内，第三定位碟9c和第四定位碟9d分别装配在第二橡胶块13b和第三橡胶块13c的底端。
见图10和11，副移动块总成3中，还有四条缆索(图中画出两条)作为传动机构来实现特定的力学特性。其中，第一缆索18a穿过第一缆索孔19a及小腿转动块12上的对应缆索通道后，下端与第三定位碟9c连接，第三定位碟9c可向上运动压缩第二橡胶块13b。第二缆索18b穿过第二缆索孔19b及小腿转动块12上的对应缆索通道后，继续向下进入小腿模块总成4，具体连接方式将在后面介绍。第一缆索18a的上端连接在主移动块10上，第二缆索18b的上端连接在副移动块11上。此外，这两条缆索各有一条与之对称的缆索，以实现双向运动，这两条对称缆索分别从第三缆索孔19c和第四缆索孔19d中穿过，在图中没有绘出。
图12是小腿模块总成4的结构图，图13是其局部放大图。它由第五定位碟9e、第六定位碟9f、第四橡胶块13d、阶梯套筒14、小腿套筒15、第一膜片弹簧16a、第二膜片弹簧16b和腿部垫片17组成。所有这些部件都共轴线d。其中阶梯套筒14嵌套在小腿套筒15中，而腿部垫片17则固定在阶梯套筒14的顶端，这三个部件间没有相对运动。第四橡胶块13d安装在第六定位碟9f和腿部垫片17之间，处于预张紧状态，第一膜片弹簧16a和第二膜片弹簧16b处于第六定位碟9f和第五定位碟9e之间。如前所述，第二缆索18b进入小腿模块总成4，其下端与第五定位碟9e相连。
下面将说明各总成的装配关系。
见图3，第一转轴套筒6a和第二转轴套筒6b内部有以轴线a为轴的、左右对称的三段阶梯孔，而图6中的第一滑动轴承8a、第二滑动轴承8b、第一定位碟9a、第二定位碟9b则装配在此阶梯孔中。装配后，图3中的轴线a和图6中的轴线b重合；因此，装配后主移动块总成2可以相对大腿模块总成1转动和左右向的移动，以实现膝关节前后向转动自由度和膝关节侧向平动自由度。
图6中主移动块总成2的A-A剖面以下的部分为一台阶型结构，该部分可以与图10中副移动块总成3上方的插槽a配合，并在插槽a中做双向的移动。这样使得主移动块总成2可以相对副移动块总成3做前后移动，以实现膝关节前后向平动自由度。另外，副移动块总成3中的副移动块11和小腿转动块12之间可以相对转动，以实现膝关节侧向转动自由度。
图9中副移动块总成3的最下端与图12中的腿部垫片17用螺钉固定装配在一起，以保证小腿模块总成4可以与副移动块总成3一起运动。
下面将分自由度详细介绍本发明的工作原理和力学特性实现方式。
1).膝关节前后向转动自由度即人体膝关节的自然转动。实现方式如图7。
图3中，大腿套筒5可带动第一转轴套筒6a绕膝关节主移动块10做顺时针转动，但是第一转轴套筒6a的限位结构的两个端面可能与主移动块10的侧面接触，使得大腿套筒5相对主移动块10的转动角度在一定的范围内。这样就模拟了人体的自然屈膝动作，该自由度没有特别的阻力特性要求，但应具有一定的阻尼来保持碰撞时的稳定。
2).膝关节侧向平动自由度膝关节侧向平动设计参见图6和图7，其中第一转轴套筒6a(参见图3)相对于主移动块10左右运动来实现膝关节侧向平动。在其内部通过对橡胶块的设计实现特定的阻力特性要求。
如图3，大腿套筒5将带动第一转轴套筒6a和第二转轴套筒6b同时向一个方向(左或者右)运动，带动膝关节套筒内部机构的运动，从而产生要求的阻力特性。
图6显示了膝关节内部结构。第一橡胶块13a的两端各有一个定位碟，分别为第一定位碟9a和第二定位碟9b，图6中画出了第一定位碟9a的与主移动块10的相对位置。定位碟只能单向移动，即两个定位碟9a和9b都只能向中间移动，因此任意一个定位碟的移动会导致第一橡胶块13a被压缩，从而产生需要的阻力一位移曲线。第一滑动轴承8a的作用为承载第一转轴套筒6a。
具体的机构运动机制，参见图6，大腿套筒5将带动第一转轴套筒6a或第二转轴套筒6b同时向一个方向(左或者右)运动，假设此时运动方向为向左。第一转轴套筒6a和第二转轴套筒6b一起向左移动。第一转轴套筒6a会带动第一定位碟9a一起向第一橡胶块13a的方向移动，而第二定位碟9b由于只能向左单向移动，因此此时不会运动。此时，处于两个定位碟之间的橡胶块13a被压缩，产生弹性形变和阻力。至此膝关节侧向平动自由度即可实现。
3).膝关节前后向平动自由度参见图9，膝关节主移动块10能相对于膝关节副移动块11作前后运动。第一缆索18a上端与主移动块10相连，穿过膝关节副移动块11的第一孔19a(参见图11)；再穿过小腿转动块12后，其末端与第三定位碟9c固连。
当主移动块10相对于副移动块11向右方运动时，将通过第一缆索18a带动第三定位碟9c向上运动，此时第二橡胶块13b被压缩产生弹性形变，于是给主移动块10的运动造成阻力。这样膝关节前后向平动自由度即可实现。需要说明的是，由于膝关节前后向平动自由度在前后两个方向上都存在，因此图9中设计了对称的缆索结构，即在主移动块10的另一端也有一条缆索，穿过副移动块11上的孔及小腿转动块12上的缆索通道后与第四定位碟9d相连，其工作原理与第一缆索18a一致，以完整实现膝关节前后向平动自由度，该缆索在图9中没有画出。
4).膝关节侧向转动自由度如图10，膝关节侧向转动自由度，在机制上通过副移动块11上的转轴相对小腿转动块12的转动来实现。要求的力学特性仍然通过缆索传递来实现。如果假设小腿转动块12静止，副移动块11绕12作逆时针转动，则相对于12而言，副移动块11的第一缆索孔19b上升(见图11)，对称端的孔下降，这使第二缆索18b被拉伸，但是由于缆索本身可看成是不可伸长的，因此第二缆索18b的末端会升高。由于第二缆索18b的末端是与第五定位碟9e(见图13)相连的，因此造成第五定位碟9e对第一膜片弹簧16a和第二膜片弹簧16b的压缩，同时也会挤压第六定位碟9f并使之压缩第四橡胶块13d。
参见图13，在这个结构中，膜片弹簧和第四橡胶块13d处于串联状态。拉伸的初始阶段，第四橡胶块13d被预压缩，由阶梯套筒14通过第六定位碟9f施加预压缩力；当第二缆索18b对第五定位碟9e的作用力比较小时，压缩量主要由两个第一膜片弹簧16a和第二膜片弹簧16b实现；当第二缆索18b的拉伸力到了一定程度时，膜片弹簧被完全压缩，第四橡胶块13d开始变形，阶梯套筒14不再对第四橡胶块13d施加预压缩力，压缩量由第四橡胶块13d的变形来实现。这样膝关节侧向转动要求的分段的转角-力矩曲线由此得以实现。
与膝关节前后向平动自由度类似，由于转动也是双向的，因此在图8中第二缆索18b的对称位置，即副移动块11的另一端，也有一条同样的缆索，其与对应部件的连接方式，同第二缆索18b完全一致，只是图中为了简化没有画出。
权利要求
1.一种用于人体碰撞保护试验的四自由度假人膝关节机构，其特征在于该机构由大腿模块总成(1)，主移动块总成(2)，副移动块总成(3)，小腿模块总成(4)以及四条缆索组成；所述的大腿模块总成包括大腿套筒(5)和设置在大腿套筒下部的转轴套筒，在大腿套筒和转轴套筒之间设有限位块；所述的转轴套筒内部设有三个阶梯孔，该套筒与大腿套筒有径向和轴向的配合关系，具有共同的轴线a；转轴套筒与限位块固定在一起，在大腿套筒的带动下，与轴套筒一起绕轴线a旋转；所述的主移动块总成(2)包括主移动块(10)和分别安装在主移动块上且与主移动块具有共同轴线b的两个对称安装的滑动轴承(8a、8b)、两个对称安装的定位碟(9a、9b)和设置在两定位碟之间的第一橡胶块(13a)；所述的副移动块总成(3)包括副移动块(11)、小腿转动块(12)，在副移动块和小腿转动块(12)之间安装有第一转动轴承(8c)和第二转动轴承(8d)，通过共有轴线c来实现转动配合；在小腿转动块(12)下部的两个孔内分别装有第二橡胶块(13b)和第三橡胶块(13c)，在第二橡胶块和第三橡胶块的底端分别装有第三定位碟9c和第四定位碟9d，在所述副移动块上设有四个均布的缆索孔，在小腿转动块上设有与缆索孔相对应的缆索通道；所述的小腿模块总成(4)包括小腿套筒(15)、阶梯套筒(14)和第四橡胶块(13d)，所述的阶梯套筒嵌套在小腿套筒中，在阶梯套筒的顶端安装有腿部垫片(17)，在阶梯套筒的内部依次装有第四橡胶块(13d)、第六定位碟(9f)、膜片弹簧(16a、16b)和第五定位碟(9e)；所述的滑动轴承(8a、8b)、定位碟(9a、9b)安装在转轴套筒(6)内部的三个阶梯孔内，所述的轴线a和轴线b重合，所述的主移动块总成相对于大腿模块总成转动和左右向的移动；所述的主移动块(10)设置在副移动块总成(3)的上方，并在相对于副移动块总成作前后向运动；所述的副移动块(11)和小腿转动块(12)之间绕轴线c相对转动；所述的腿部垫片(17)与副移动块总成(3)下端固定在一起；所述的第一和第三缆索的一端分别与主移动块连接，另一端分别穿过设置在副移动块上的第一缆索孔和第三缆索孔以及小腿转动块上对应的缆索通道后，分别与第三定位碟和第四定位碟连接；所述的第二和第四缆索的一端分别与副移动块连接，另一端分别穿过设置在副移动块上的第二缆索孔和第四缆索孔以及小腿转动块上对应的缆索通道后，进入小腿模块总成(4)与第五定位碟(9e)相连。
2.按照权利要求1所述的用于人体碰撞保护试验的四自由度假人膝关节机构，其特征在于所述的大腿模块总成上的转轴套筒和限位块分别采用对称的两部分构成。
3.按照权利要求1所述的用于人体碰撞保护试验的四自由度假人膝关节机构，其特征在于所述的主移动块采用对称结构的两部分构成
4.按照权利要求1、2或3所述的用于人体碰撞保护试验的四自由度假人膝关节机构，其特征在于在所述的主移动块(10)的下部设有截面为T形的台阶结构，在副移动块的顶部设有与该台阶结构相配合的插槽(20)。
全文摘要
用于人体碰撞保护试验的四自由度假人膝关节机构，属于行人与车辆碰撞中行人保护技术领域。本发明由大腿模块总成，主移动块总成，副移动块总成，小腿模块总成以及四条缆索组成。上述四个总成以及缆索装配完毕后，通过橡胶块、弹簧等变形机构以及缆索等传动机构的作用，能完全实现欧洲EEVC行人假人膝关节机构的运动机制及力学特性，并且在此基础上增加了前后向转动和前后向移动两个自由度，可以实现EEVC假人膝关节机构无法实现的运动机制，新增加的两个自由度符合美国THOR正面碰撞假人膝关节所具有的力学特性。本发明作为一种新型的行人膝关节碰撞假人模块，具有更高的生物仿真性，也更能够适应各种复杂工况下的人车碰撞试验研究。
文档编号B25J17/00GK1827317SQ200610011609
公开日2006年9月6日 申请日期2006年4月7日 优先权日2006年4月7日
发明者周青, 杜汇良, 迈克尔·奎德, 雷鹏, 张金换, 黄毅 申请人:清华大学