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Simcenter Madymo之THOR假人定位
2020-09-05 23:58:39· 来源：数字化工业软件技术期刊 作者：朱航彬
01 THOR假人简介Simceneter Madymo 2020.1版本中的THOR假人模型已经更新至V3.1版本，包含EuroNCAP THOR和NHTSA THOR两种模型。对于每种THOR模型，又分别开发了椭
01 THOR假人简介
Simceneter Madymo 2020.1版本中的THOR假人模型已经更新至V3.1版本，包含EuronCAP THOR和NHTSA THOR两种模型。对于每种THOR模型，又分别开发了椭球型和Facet型假人模型，适用于不同的应用开发阶段。
在THOR的仿真应用中，大家或许碰到过一些假人定位的困扰，下面就来详细介绍剖析一下Simcenter Madymo的THOR假人定位问题。下面所述内容，对椭球型或Facet型假人模型都有效。
02 物理THOR与Madymo THOR的定位关系
2.1 假人H点
Madymo THOR假人的H点，与物理THOR假人的H点是完全重合的，其定位只需将试验测量结果直接输入到假人H点定位铰Dummy_jnt的各个自由度上即可。
2.2 假人姿态POSTURE
物理THOR假人设计有4个档位，代表假人不同的坐姿。可以通过姿态调节装置进行调整。其4个档位ERECT、NEUTRAL、SLOUCHED、SUPER SLOUCHED分别对应角度为-9°、0°、9°、12°。在NCAP试验中，POSTURE要求调整在SLOUCHED档位，即POSTURE角度为9°。
而在Madymo THOR假人的模型中，定义了用于调整假人姿态的DEFINE参数SpineLowPitchAngle。根据试验摆放的姿态，输入对应的数值即可。
2.3 假人髋部及上半身定位
确定假人髋部及上半身位置的有4个倾角传感器：髋部传感器、腰椎T12传感器、胸椎T6传感器、颈部传感器。这些倾角传感器，可以直接读取各个部位的摆放角度。
这些倾角传感器在Madymo THOR假人上分别对应的位置，为下图绿色标记点的位置。倾角传感器安装在一个固定的平台上，是代表该处与水平方向的夹角。测量得到的角度，与Madymo THOR假人的姿态定位角或物理假人的机构转动角之间存在一定的关系。我们分别从假人物理设计方面，以及Madymo THOR假人建模方面来了解他们的关系。
髋部角
假人髋部的俯仰转动角度，定义为髋部角。用参数PelvisPitchAgnle表示。
物理THOR假人，髋部倾角传感器被安装在物理假人的髋部基准模块（Pelvis base Module）上。而髋部基准模块的传感器安装平台，与绝对水平面存在7°的夹角。即假人竖直坐姿放置时，髋部倾角传感器的读数应为7°。髋部基准模型示意图如下。
试验中髋部倾角传感器的读数用参数PelvisTiltSensorY表示。如，髋部倾角传感器的读数值为33°，则有
将髋部倾角传感器的读数直接定义为髋部角，则有PelvisPitchAngle=PelvcTiltSensorY，即：
对于Madymo THOR假人模型，髋部角通过Dummy_jnt的Y向转动来定位。而假人的Dummy_jnt初始方向与水平方向一致，即Y向初始角度与THOR髋部倾角传感器存在7°夹角。因此对于Madymo THOR假人的Dummy_jnt Y向转动角度可以利用下面关系确定。
腰椎弯曲角
腰椎倾角传感器与髋部倾角传感器之间的夹角，我们定义为腰椎弯曲角，用参数LumbarBendingAngle表示。
当腰椎T12笔直的时候，腰椎倾角传感器与髋部倾角传感器存在2.4°的夹角。如下示意图。
因此腰椎的弯曲角度LumbarBendingAngle，存在以下关系式，其中LumbarTiltSensorY为腰椎T12倾角传感器读数：
前面介绍假人姿态POSTURE，我们定义参数SpineLowPitchAngle来表示POSTURE姿态角度。而这个角度，代表的是腰椎T12倾角传感器LumbarTiltSensorY与胸椎T6倾角传感器ThoracicTiltSensorY之间的夹角。即有关系#LumbarTiltSensorY = #ThoracicTiltSensorY + #SpineLowPitchAngle。
因此，可以用胸椎倾角传感器ThoracicTiltSensorY来表示腰椎弯曲角LumbarBendingAngle：
在Madymo THOR假人的模型中，腰椎的弯曲方向通过两个铰LumbarSpineUp_jnt和LumbarSpineLow_jnt的Y向转动来实现。将腰椎弯曲角度LumbarBendingAngle平分到两个铰中，即可实现Madymo THOR假人的腰椎定位。如下表示：
胸椎弯曲角
颈部倾角传感器与胸椎倾角传感器之间的夹角，我们定义为胸椎弯曲角，用参数ThoracicBendingAngle表示。
颈部倾角传感器安装在颈部俯仰改变装置（Neck Pitch Change Mechanism）的上平台。颈部俯仰改变装置产生的夹角，我们定义为颈部俯仰角，用参数NeckPitchAngle表示。根据颈部俯仰改变装置的设计标准，每调节一个齿，角度将改变3°。
当颈部俯仰改变装置保持中性状态时，颈部俯仰角NeckPitchAngle为零。
根据THOR的设计标准，当颈部俯仰改变装置保持中性状态时，颈部倾角传感器NeckTiltSensorY与胸椎倾角传感器ThoracicTiltSensorY的夹角为17°。
因此胸椎弯曲角度ThoracicBendingAngle与颈部俯仰角NeckPitchAngle，颈部倾角传感器NeckTiltSensorY及胸椎倾角传感器ThoracicTiltSensorY之间存在以下关系式：
在Madymo THOR假人模型中，胸椎弯曲角的改变通过自由铰ThoracicSpineFlex_jnt的Y向转动来实现，因此改变ThoracicSpineFlex_jnt的Y向角度如下。
2.4 假人头颈部定位
假人的颈部弯曲角，用参数NeckBendingAngle来表示，将决定着头部的转角及重心位置。通过颈部倾角传感器NeckTiltSensorY，以及头部倾角传感器HeadTiltSensorY（如下定义）可以确定颈部弯曲角度。
根据THOR假人的设计标准，当颈部垂直状态时，头部倾角传感器与颈部倾角传感器之间没有角度偏移，即夹角为0°。因此颈部弯曲角NeckBendingAngle可以表示为：
在Madymo THOR假人模型中，颈部模型由6个铰组成，这些铰的转动，共同形成假人颈部弯曲角。而为了避免THOR假人模型的颈部初始力矩过大，将颈部弯曲角合理分配到每个铰的转动自由度上。参考定义如下：
2.5 假人四肢定位
Madymo THOR假人的四肢定位，完全根据物理假人的定位值，调节各个关节对应的铰自由度即可。跟混III假人以及其他所有假人的定位方式相同，简单易理解，这里不再赘述。
03 总结
在物理试验中，我们会记录5个倾角传感器的读数（实际上只需要4个倾角传感器），以及假人H点和其他定位标志点的测量值。根据上面的详细介绍，尤其是髋部、假人上半身及头颈部的定位，在模型中按照对应的倾角传感器名称，直接输入对应的试验数据即可完成Madymo THOR假人模型的定位。
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