Dispositif anthropomorphe d'essai
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mannequins d'essai de collision sont des dispositifs à grande échelle anthropométriques essai (DAE) qui simulent les dimensions, les proportions de poids et l'articulation de la corps humain, et sont généralement instrumenté pour enregistrer des données sur le comportement dynamique de l'ATD des impacts de véhicules simulés. Ces données peuvent inclure des variables telles que la vitesse d'impact, écrasant vigueur , cintrage, pliage, ou couple de rotation du corps et de décélération pendant un taux collision pour une utilisation dans essais de collision. Ils restent indispensables dans le développement et ergonomie dans tous les types de véhicules, des voitures à avions .
La nécessité pour les tests
Sur 31 août 1869 , Mary Ward est devenu ce que l'on croit être la première victime enregistrée d'une vapeur alimenté accident d'automobile (Karl Benz seulement inventé le moteur à essence automobile que nous connaissons en 1886). Mary Ward a été jeté hors d'un véhicule à moteur et tué dans Parsonstown, Irlande. Quelques années plus tard, le 13 septembre 1899 , Henry Bliss est entré dans les livres d'histoire comme l'Amérique du Nord de premier décès d'un véhicule automobile lorsqu'il a été frappé débarquant d'un New York City chariot . Depuis ce temps, plus de 20 millions de personnes à travers le monde ont perdu la vie à des accidents de véhicules à moteur.
La nécessité d'un moyen d'analyser et atténuer les effets de véhicules automobiles accidents sur le corps humain a été ressenti très tôt après la production commerciale de voitures a commencé à la fin des années 1890, et par les années 1930, avec l'automobile une partie commune de la vie quotidienne, le nombre de décès de véhicules automobiles devenait un problème grave. Les taux de mortalité ont dépassé 15,6 décès par 100 millions de véhicules-miles et continuaient de grimper; concepteurs de véhicules ont vu cela comme une indication claire qu'il était temps de faire des recherches sur les moyens de rendre leurs produits plus sûrs.
En 1930, le intérieur d'une voiture ne était pas un endroit sûr, même dans une collision à basse vitesse. Les tableaux de bord étaient en métal rigide, colonnes de direction étaient non-pliable, et saillantes boutons, des boutons et leviers étaient omniprésents. Les ceintures de sécurité étaient inouïe, et dans une collision frontale, passagers jetés à travers la pare-brise était très peu de chances d'éviter des blessures graves ou la mort. La carrosserie du véhicule lui-même est rigide, et les forces d'impact ont été transmises directement aux occupants du véhicule. Jusque dans les années 1950, voiture fabricants étaient sur le registre public comme disant accidents de véhicules tout simplement pas pu être faites de survivre; les forces dans un accident étaient trop grandes et le corps humain trop fragile.
tests de Cadaver
Detroit s ' Wayne State University était le premier à commencer le travail sérieux sur la collecte de données sur les effets des collisions à haute vitesse sur le corps humain. À la fin des années 1930, il n'y avait pas de données fiables sur la réponse du corps humain à une blessure physique extrême, et aucun des outils efficaces existent pour mesurer ces réponses. Biomécanique était un champ à peine à ses débuts. Il était donc nécessaire d'utiliser deux types de sujets de test afin de développer des séries de données initiales.
Les premiers sujets de test étaient humains cadavres. Ils ont été utilisés pour obtenir des informations fondamentales sur la capacité du corps humain à résister aux forces d'écrasement et de déchirement généralement expérimentés dans un accident à haute vitesse. Pour cette fin, l'acier roulements à billes ont été larguées sur crânes, et corps ont été jetés bas utilisé ascenseur puits sur des plaques d'acier. Cadavres équipé brut accéléromètres ont été attachés sur des voitures et soumis à des collisions frontales et renversements de véhicules.
1995 Journal of Trauma article d'Albert King, «Avantages humanitaires du cadavre de recherche sur la prévention des blessures", indique clairement la valeur en vies humaines enregistrées à la suite de la recherche de cadavre. Les calculs de King indiquent qu'à la suite des modifications de conception mises en œuvre jusqu'en 1987, la recherche de cadavre a depuis sauvé 8500 vies chaque année. Il note que pour chaque cadavre utilisé, chaque année 61 personnes survivent en raison de porter ceintures de sécurité, 147 vivent en raison de coussins gonflables, et 68 survivent l'impact du pare-brise.
Toutefois, les travaux de cadavres présenté presque autant de problèmes est résolu. Non seulement y avait-il de la morales et éthiques des questions liées au travail avec les morts, mais il y avait également des préoccupations de recherche. La majorité des cadavres disponibles étaient plus âgés Adultes américains européennes qui étaient morts morts non violentes; ils ne représentent pas une section démographique des victimes d'accidents. Victimes d'accidents décédés ne ont pas pu être utilisés en raison des données qui peuvent être recueillies à partir de ces sujets expérimentaux serait compromise par des blessures antérieures du cadavre. Comme deux cadavres sont les mêmes, et puisque toute partie spécifique d'un cadavre ne pouvait être utilisé qu'une seule fois, ce était extrêmement difficile d'obtenir des données de comparaisons fiables. En outre, les cadavres d'enfants ne étaient pas seulement difficile à obtenir, mais à la fois légale et l'opinion publique a fait efficacement inutilisable. En outre, comme les essais de collision est devenu plus routinier, cadavres appropriés sont devenus de plus en plus rares. Par conséquent, données biométriques ont été limitées, et biaisés vers les hommes blancs âgés.
tests de bénévoles
Certains chercheurs ont pris sur eux pour servir de mannequins de crash test. Colonel John Paul Stapp USAF se propulsé plus de 1000 km / h sur une fusée traîneau et arrêté en 1,4 secondes. Laurent Patrick, alors professeur à l'Université Wayne State, a enduré quelques 400 tours sur un fusée traîneau afin de tester les effets de la décélération rapide sur le corps humain. Lui et ses étudiants se sont laissé brisé dans la poitrine par des métaux lourds pendules, touchés au visage par des marteaux rotatifs à entraînement pneumatique, et pulvérisés avec du verre brisé pour simuler fenêtre implosion. Tout en admettant que cela lui fait "un peu mal", Patrick a dit que la recherche lui et ses étudiants était menée séminal dans le développement modèles mathématiques contre laquelle d'autres recherches pourraient être comparés. Mais tandis que les données de test en direct était précieuse, des sujets humains ne pouvaient pas résister à des tests qui allaient delà d'un certain degré de blessure physique. Pour recueillir des informations sur les causes et la prévention des blessures et des décès, il faudrait un autre type de sujet.
L'expérimentation animale
Vers le milieu des années 1950, la majeure partie des tests de cadavre de l'information pourrait apporter avait été récolté. Il était également nécessaire de recueillir des données sur la survie accident, recherche pour laquelle cadavres étaient nettement insuffisant. De concert avec la pénurie de cadavres, ce besoin a forcé les chercheurs à chercher d'autres modèles. Une description par Mary Roach de la Conférence de démonstration huitième Stapp Car Crash and Field montre la direction dans laquelle la recherche a commencé à se déplacer. «Nous avons vu les chimpanzés équitation traîneaux de roquettes, un ours sur un swing d'impact ... Nous avons observé un cochon , anesthésié et placé dans une position assise sur la balançoire dans le harnais, se est écrasé dans un volant deep-dish à environ 10 mph. "
Un objectif de recherche important qui ne pourrait être réalisé soit avec des cadavres ou des humains vivants était un moyen de réduire les dommages causés par empalement sur la colonne de direction. En 1964, plus d'un million de décès résultant de l'impact du volant avait été enregistrée, un pourcentage significatif de tous les décès; l'introduction par General Motors dans le début des années 1960 de la colonne de direction rétractable réduire le risque de la mort volant de cinquante pour cent. Les sujets animaux les plus couramment utilisés dans les études cabine-collision étaient porcs, principalement parce que leur structure interne est semblable à un être humain de. Les porcs peuvent également être placés dans un véhicule dans une bonne approximation d'un être humain assis.
La capacité de se asseoir droit était une condition importante pour les animaux de laboratoire afin qu'une autre blessure mortelle fréquente chez les victimes humaines, décapitation, pourrait être étudiée. De plus, il était important pour les chercheurs d'être en mesure de déterminer dans quelle mesure la conception de la cabine devait être modifié pour assurer circonstances de survie optimales. Par exemple, un tableau de bord avec trop peu de rembourrage ou de rembourrage qui était trop raide ou trop mou ne réduirait pas de manière significative blessure à la tête sur un tableau de bord avec aucun remplissage du tout. Bien que les boutons, leviers et boutons sont essentiels dans le fonctionnement d'un véhicule, qui modifications de conception seraient mieux veiller à ce que ces éléments ne ont pas déchirer ou victimes de ponction dans un accident. L'impact rétroviseur un événement important dans une collision frontale; comment un miroir devrait être construit de sorte qu'il est à la fois suffisamment rigide pour accomplir sa tâche et encore du faible risque de blessure si frappé.
Alors que les travaux de cadavres avait suscité une certaine opposition, principalement des institutions religieuses, il a été accepté à contrecoeur parce que les morts, étant mort, sentir pas la douleur et l'indignité de leur situation est directement liée à soulager la douleur de la vie. recherche sur les animaux, d'autre part, a suscité beaucoup plus grande passion. groupes tels que le droits des animaux ASPCA étaient véhéments dans leur protestation, et alors que les chercheurs tels que Patrick appuyé l'expérimentation animale en raison de sa capacité à produire des données fiables, applicables, il y avait néanmoins un profond malaise éthique sur ce processus.
Bien que les données de test animaux étaient encore plus facilement que les données obtenues sur des cadavres, le fait que les animaux ne étaient pas des gens et de la difficulté d'employer l'instrumentation interne adéquat limité leur utilité. L'expérimentation animale ne est plus pratiquée par l'un des principaux constructeurs automobiles; General Motors cessé de tester en direct en 1993 et d'autres fabricants ont emboîté le pas peu après.
Évolution Dummy
L'information recueillie à partir d'études de recherche et animales cadavre avait déjà été mis à une certaine utilisation dans la construction de l'homme simulacres dès 1949, lorsque "Sierra Sam" a été créé par Samuel W. Alderson à son Alderson Research Labs (ARL) et la Sierra Engineering Co. pour tester avions sièges éjectables et harnais de retenue des pilotes. Ce test impliquait l'utilisation de forte accélération à 1000 km / h (600 mph) traîneaux de roquettes, au-delà de la capacité des volontaires humains à tolérer. Au début des années 1950, Alderson et Grumman produit un mannequin qui a été utilisé pour effectuer des essais de collision dans les deux véhicules à moteur et d'aéronefs.
Alderson a continué à produire ce qu'il a appelé le VIP-50 série, construit spécifiquement pour General Motors et Ford , mais qui a également été adopté par le Bureau national des normes. Sierra suivi avec un mannequin de compétiteur, un modèle qu'il a appelé "Sierra Stan», mais GM, qui avait repris l'élan dans le développement d'un mannequin fiable et durable, trouvé aucun modèle ne satisfait à ses besoins. Les ingénieurs de GM ont décidé de combiner les meilleures caractéristiques de la série VIP et Sierra Stan, et ainsi en 1971 Hybrid je suis né. Hybrid je étais ce qu'on appelle un «50e percentile homme "factice. Ce est-à-dire, il a modelé un homme moyen en hauteur, la masse, et la proportion. L'original" Sierra Sam "était un homme mannequin 95e percentile (plus lourd et plus grand que 95% des mâles humains). En coopération avec la Society of Automotive Engineers (SAE), GM a partagé cette conception, et un 5e percentile mannequin femme ultérieure, avec ses concurrents.
Depuis lors, un travail considérable est allé dans la création de plus en plus sophistiqués mannequins. Hybrid II a été introduit en 1972, avec une amélioration épaule, la colonne vertébrale, et les réponses du genou, et de la documentation plus rigoureuse. Hybrid II est devenu le premier mannequin pour se conformer à la norme américaine Federal Motor Vehicle Safety (FMVSS) pour les essais de ceintures de sécurité abdominales et épaulières automobile. En 1973, un mannequin de sexe masculin du 50e percentile a été libéré, et l'Administration nationale de la sécurité des transports routiers (NHTSA) NHTSA a entrepris un accord avec General Motors pour produire un modèle dépassant la performance de Hybrid II dans un certain nombre de domaines spécifiques.
Même si une grande amélioration par rapport cadavres à des fins de test standardisé, Hybrid I et II hybride étaient encore très brut, et leur utilisation a été limitée à l'élaboration et l'essai conceptions de ceinture de sécurité. Un mannequin a été nécessaire, ce qui permettrait aux chercheurs d'explorer des stratégies de réduction des blessures. Ce est ce besoin qui a poussé les chercheurs GM pour développer la ligne hybride actuelle, l'Hybrid III famille de mannequins de crash test.
Hybrid III famille
Hybrid III, le mannequin homme du 50e centile, qui fait sa première apparition en 1976, est le familier mannequin d'essai de choc, et il est maintenant un homme de la famille. Se il pouvait se tenir debout, il serait 168 cm (5 »6 ") De haut et aurait une masse de 77 kg (170 kg). Il occupe le siège du conducteur dans toute l'Insurance Institute for Highway Safety (IIHS) 65 km / h (40 mph) compensée essais de collision frontale. Il est rejoint par un «grand frère», le percentile 95e Hybrid III, à 188 cm (6 pi 2 po) et 100 kg (223 lb). Mme Hybrid III est un mannequin femme 5e percentile, à un diminutif 152 cm (5 pi) de hauteur et 50 kg (110 lb). Les trois Hybrid III enfants mannequins représentent un vieux dix années, 21 kg (47 lb) de six ans, et à 15 kg (33 lb) de trois ans. Les modèles de l'enfant sont très récents ajouts à la famille crash test dummy; parce que peu de données sont disponibles sur les effets des accidents sur les enfants, et ces données sont très difficiles à obtenir, ces modèles sont basés en grande partie sur estimations et approximations. Le principal avantage fourni par Hybrid III est améliorée réponse du cou en flexion vers l'avant et la rotation de la tête qui simule mieux l'humain.
processus de test
Chaque Hybrid III subit calibrage avant d'un crash test. Sa tête est retiré et est passé de 40 centimètres à tester calibrer l'instrumentation de la tête. Puis la tête et le cou sont rattachés, mis en mouvement, et se arrêtèrent brusquement pour vérifier la flexion du cou bon. Hybrides portent la peau de chamois; les genoux sont frappés avec une sonde métallique pour vérifier perforation appropriée. Enfin, la tête et le cou sont fixés au corps, qui est fixé à une plate-forme de test et frappé violemment à la poitrine par un pendule lourd pour garantir que le nervures plier et fléchir comme ils le devraient.
Lorsque le mannequin a été déterminé à être prêt pour les essais, il est entièrement vêtu de jaune, peinture de marquage est appliquée à la tête et les genoux, et les marques d'étalonnage sont fixés sur le côté de la tête pour aider les chercheurs lorsque ralenti films sont examinés plus tard. Le mannequin est ensuite placé à l'intérieur du véhicule d'essai. Quarante-quatre canaux de données situés dans toutes les parties du mannequin Hybrid III, de la tête à la cheville, record entre 30 000 et 35 000 éléments de données dans un cadre typique 100-150 accident milliseconde. Enregistrée à un référentiel de données temporaire dans les factices de poitrine, ces données sont téléchargés sur l'ordinateur une fois le test terminé.
Parce que l'hybride est un dispositif de collecte de données normalisées, ne importe quelle partie d'un type hybride particulier est interchangeable avec ne importe quel autre. Une mannequin peut non seulement être testé à plusieurs reprises, mais si une partie devait échouer, il peut être remplacé par une pièce neuve. Un mannequin entièrement instrumenté vaut environ € 150 000.
Les successeurs de Hybrides
III hybrides sont conçus pour étudier les effets de chocs frontaux, et sont moins utiles pour évaluer les effets d'autres sortes d'impacts, tels que les impacts latéraux, chocs arrière, ou renversements. Après les collisions frontales, l'accident le plus commune de blessures graves est l'impact latéral.
Le SID (impact latéral Dummy) famille de mannequins d'essai a été conçu pour mesurer la côte, la colonne vertébrale, et des effets sur les organes internes lors de collisions latérales. On évalue également la colonne vertébrale et la décélération nervure et la compression de la cavité thoracique. SID est la norme d'essai du gouvernement américain, EuroSID est utilisé dans l'Europe pour assurer la conformité aux normes de sécurité et SID II (s) représente une 5e percentile des femmes. BioSID est une version plus sophistiquée du SID et EuroSID, mais ne est pas utilisé dans une capacité de réglementation. Le WorldSID est un projet visant à développer une nouvelle génération de mannequin dans le cadre du Organisation internationale de normalisation.
BioRID est un mannequin conçu pour évaluer les effets d'un choc arrière. Son but principal est à la recherche Whiplash, et d'aider les concepteurs à développer tête et du cou appuis efficaces. BioRID est plus sophistiquée dans sa construction de moelle hybride; 24 simulateurs de vertèbre permettent BioRID d'assumer un coin posture naturelle beaucoup plus, et de démontrer le mouvement du cou et de la configuration vu dans des collisions par l'arrière.
CRABI est un mannequin enfant utilisé pour évaluer l'efficacité des dispositifs de retenue pour enfants, y compris ceintures de sécurité et coussins d'air. Il existe trois modèles de la CRABI, représentant 18 mois, 12 mois et 6 mois vieux enfants.
THOR est une 50e percentile mannequin mâle avancée. Le successeur de Hybrid III, THOR a une colonne vertébrale plus humanlike et bassin et son visage contient un certain nombre de capteurs qui permettent l'analyse des impacts du visage avec une précision impossible à obtenir actuellement avec d'autres mannequins. La gamme de THOR de capteurs est également supérieure en quantité et de la sensibilité que ceux de Hybrid III.
Poursuite du développement est nécessaire sur les mannequins qui peut répondre à la préoccupation que, même si moins de vies sont perdues, il ya encore une centaine de passagers gravement blessés pour chaque décès et les blessures invalidantes aux jambes et les pieds représentent un grand pourcentage de déficiences physiques résultantes.
Un secteur important du public voyageur n'a pas encore été représentés dans les essais de collision ordinaire - les femmes enceintes. Le premier prototype accident enceinte mannequin d'essai a été construit par l'ingénierie des chercheurs de l'Université de Loughborough au Royaume-Uni dans le but d'améliorer la conception de ceinture de sécurité. Il dispose d'un récipient rempli de liquide dessus du bassin de reproduire le fœtus et utérus. Ceintures peuvent être inconfortables pour les femmes enceintes de sorte que certains choisissent de ne pas les porter, ce qui réduit leur sécurité à un moment où il devrait être augmentée. Une deuxième enceinte mannequin d'essai de collision a été conçu par un étudiant à l'Université de l'Idaho.
Future du mannequin
mannequins d'essai de collision ont fourni des données précieuses sur la façon dont les organismes humains réagissent dans des accidents et ont grandement contribué à l'amélioration de la conception des véhicules. Alors qu'ils ont sauvé des millions de vies, comme des cadavres et des animaux, ils ont atteint un point de retour de données réduit.
Le plus grand problème avec l'acquisition de données à partir de cadavres, d'autres à leur disponibilité, ce est que un élément essentiel de tests standardisés, répétabilité, était impossible. Peu importe la façon dont de nombreux éléments d'un test précédent pourraient être réutilisés, le cadavre devait être différent à chaque fois. Bien mannequins modernes ont surmonté ce problème, les testeurs se heurtent encore essentiellement le même problème quand il se agit de tester le véhicule. Un véhicule peut être écrasé qu'une seule fois; peu importe le soin le test est effectué, il ne peut pas être répété exactement.
Un deuxième problème avec des mannequins, ce est qu'ils sont et ne seront toujours environ humaine. Quarante-quatre canaux de données sur un mannequin Hybrid III ne est même pas une représentation à distance du nombre de canaux de données en une personne vivante. Le mimétisme des organes internes est brut, au mieux, ce qui signifie que même si les cadavres et les animaux ne sont plus les principales sources de données sur les accidents, ils doivent toujours être utilisés dans l'étude des lésions des tissus mous.
L'avenir des essais de collision a commencé au même endroit tout a commencé: Wayne State University. Roi H. Yang est l'un des chercheurs de la Wayne State impliqué dans la création détaillée des modèles informatiques de systèmes humains. Actuellement, les chercheurs de la Wayne State ne ont pas assez vite ni ordinateurs qualifiée programmeur pour créer des simulations de tout le corps, mais l'analyse des blessures des systèmes du corps individuels commence à produire des résultats fiables et encourageants.
L'avantage de l'ordinateur, ce est qu'il ne est pas lié par loi physique. Un véhicule virtuel se est écrasé une fois peut être uncrashed puis se est écrasé à nouveau d'une manière légèrement différente. Un arrière virtuel peut être rompu ininterrompue, la configuration a changé ceinture de sécurité, et à l'arrière re-cassé. Lorsque chaque variable est contrôlable et reproductible chaque événement, le besoin d'expérimentation physique est fortement réduite.
Au début du 21e siècle, la certification légale des nouveaux modèles de voitures est encore nécessaire pour être fait en utilisant des mannequins physiques dans les véhicules physiques. La prochaine génération de mannequins d'essais de collision peut se acquitter de leurs tâches entièrement sur un écran d'ordinateur.
