一种乘员自适应下肢约束系统、方法及车辆与流程

1.本发明涉及一种成员安全系统和方法，更具体地说，涉及一种乘员自适应下肢约束系统、方法及车辆。


背景技术：

2.随着高级辅助驾驶和自动驾驶的发展，智能座舱内的座椅呈现多种变化形式。目前比较受欢迎的前排副驾位使用新场景，包括不同靠背角度的座椅姿态，座椅长滑轨前后大范围移动等，使得乘客更愿意在长途旅行中采用半躺的姿态。
3.然而，这种频繁使用的新场景会导致安全隐患。由于座舱场景变化迅速，碰撞安全法规和标准的制定相对滞后，目前对乘员安全的评估标准还停留在考核标准规定的设计位置，相应的约束系统设计也是均围绕法规考核的标准坐姿进行的。
4.在实际道路工况中，乘员在半躺状态下或前方无仪表板/手套箱阻挡时若发生碰撞，现有的约束系统不能起到理想的效果。其中，安全腰带下潜是常见的一种危险状态。下潜是指安全带腰带在乘员运动过程中，从乘员骨盆髂骨位置滑移到腹部，由此造成内脏伤害的一种约束系统失效现象。在大靠背角度和乘员前方膝部和小腿无约束的情况下，下潜很容易发生。
5.另一方面，现有技术中的约束系统通常仅适用于在碰撞后执行的对乘员的约束保护，因此现有技术的约束系统体现的是对乘员下肢的保护，避免乘员下肢受到创伤，但并不涉及对乘员下潜等潜在危险的预警和调整。但是，这些约束都是在碰撞发生后才执行的，从而无法解决在车辆未发生碰撞之前，乘员（安全腰带）下潜的隐患问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的乘员下潜的安全隐患问题，本发明提供一种乘员自适应下肢约束系统、方法及车辆，至少能够对乘员下潜的危险提供预警和调整，改善甚至避免乘员下潜的安全隐患。
7.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种乘员自适应下肢约束系统，包括：乘员监测系统，乘员监测系统监测乘员位置和乘坐姿态，其中乘坐姿态包括乘员的骨盆位置以及安全带腰带的位置；信息处理系统，信息处理系统根据乘员位置和乘坐姿态判断乘员下潜风险；执行系统，执行系统根据下潜风险开启或关闭，且结合乘员位置和乘坐姿态对乘员的膝部和脚部位置进行约束。
8.根据本发明的一种实施方式，乘员监测系统包括车内雷达、摄像组件、座椅和靠背传感器；车内雷达通过识别乘员的心跳频率、呼吸频率的至少其中之一来判断乘客位置；摄像组件拍摄乘员的骨盆位置，并且通过识别乘员的关节点位来确定乘员的盆骨位置；座椅和靠背传感器提供乘员位置和乘坐姿态的辅助定位。
9.根据本发明的一种实施方式，信息处理系统按照一定周期，根据乘员位置和乘坐姿态判断乘员下潜风险；信息处理系统判断风险达到危险值时发出警报，在风险小于危险
值时解除警报；信息处理系统判断风险达到危险值且维持时间超过预定时长时，开启执行系统。
10.根据本发明的一种实施方式，执行系统包括膝部挡板、举升机构、丝杆；膝部挡板连接至仪表板下部，其形状与乘员腿部的形状相适应，其包括金属板状本体，以及本体表面覆盖的软质材质；丝杆设置于仪表板内部；举升机构设置于膝部挡板的两侧边缘，且与膝部挡板相连接；丝杆带动举升机构伸展或收缩，使得膝部挡板可以朝向乘员下肢方向伸出或收回，以此约束乘员膝部位置。
11.根据本发明的一种实施方式，膝部挡板的背面包括导槽；举升机构包括两根举升杆并构成x字形，两根举升杆的连接处通过转轴相连接并可以自由转动；举升杆构成的x字形的一个端部与膝部挡板固定连接，另一个端部可活动地设置于导槽内。
12.根据本发明的一种实施方式，还包括距离传感器：距离传感器获取乘员的膝部位置，执行系统根据膝部位置使得膝部挡板与乘员膝部保持限定的距离。
13.根据本发明的一种实施方式，执行系统包括脚踏板、底部轨道、滑动电机。底部轨道沿车辆的前后方向安装于车辆的地板上；脚踏板可活动地安装在底部轨道上；滑动电机驱动脚踏板在底部轨道上前后运动，使得脚踏板约束乘员的脚部位置。
14.根据本发明的一种实施方式，脚踏板与底部轨道的倾斜角度可调，且脚踏板的表面包括用于阻挡乘员脚部向上移动的挡块。
15.为实现上述目的，本发明还采用如下技术方案：一种车辆，该车辆包括本发明的乘员自适应下肢约束系统。
16.为实现上述目的，本发明还采用如下技术方案：一种乘员自适应下肢约束方法，包括：监测乘员位置和乘坐姿态，其中乘坐姿态包括乘员的骨盆位置以及安全带腰带的位置；根据乘员位置和乘坐姿态判断乘员下潜风险；根据下潜风险，并且结合乘员位置和乘坐姿态对乘员的膝部和脚部位置进行约束。
17.根据本发明的一种实施方式，通过识别乘员的心跳频率、呼吸频率的至少其中之一来判断乘客位置；拍摄乘员的骨盆位置，并且通过识别乘员的关节点位来确定乘员的盆骨位置；利用座椅前后位置、高低位置、脚托位置、坐垫前端翘起角度、靠背角度的至少其中之一对乘员位置和乘坐姿态进行辅助定位。
18.根据本发明的一种实施方式，当下潜风险达到危险值且维持时间超过预定时长时，约束乘员膝部位置并且阻挡乘员脚部向上移动来约束乘员的脚部位置，直至乘员改变乘员位置或乘坐姿态。
19.在上述技术方案中，本发明通过自适应的下肢约束系统，解决在乘员靠背和坐垫夹角增大坐姿下或座椅向后调整导致传统仪表板和手套箱不能阻止下肢运动时的乘员下潜问题。同时调整在正面碰撞的过程中，乘员的运动姿态，使副驾驶气囊和安全带肩带可以更有效的发挥作用，降低乘员伤害。
附图说明
20.图1是本发明系统的布置示意图；图2是膝部执行机构的结构示意图；图3a和3b是膝部执行机构的工作状态示意图；
图4是脚部执行机构的结构示意图；图5是图4是b方向的示意图；图6是图4中c方向的示意图。
21.图中：10-乘员监测系统，20-信息处理系统，30-执行系统；31-膝部执行机构，311-膝部挡板，312-举升机构，313-丝杆，314-举升电机，315-转轴，316-横向杆；32-脚部执行机构，321-脚踏板，322-底部轨道，323-踏板电机，324-蜗杆，325-铰链，326-前后滑动电机，327-挡块。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例，对本发明实施例中的技术方案进一步作清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例用来作为解释本发明技术方案之用，并非意味着已经穷举了本发明所有的实施方式。
23.所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
24.参照图1，本发明首先公开一种乘员自适应下肢约束系统，其主要包括：乘员监测系统10、信息处理系统20和执行系统30，其中执行系统30又可以进一步分为膝部执行机构31和脚部执行机构32。
25.如图1所示，乘员监测系统10主要由车内雷达、摄像组件、靠背角度传感器等设备组成。乘员监测系统10的主要作用是通过上述设备识别座舱布置场景、乘员所处位置和乘坐姿态等。本发明所述的乘坐姿态主要包括两项，即：乘员的骨盆位置、安全带腰带的位置。
26.继续参照图1，车内雷达安装在顶棚中间，车内雷达通过识别乘员的心跳频率、呼吸频率的至少其中之一，或者综合人体呼吸频率和心脏跳动来判断乘客位置。摄像组件安装在车内顶棚前横梁或a柱位置，可以拍摄到乘员骨盆。摄像组件通过算法识别乘员重要关节点位，尤其是重点识别骨盆髂骨位置，同时识别安全带腰带位置。摄像组件拍摄乘员的骨盆位置，并且通过识别乘员的关节点位来确定乘员的盆骨位置。座椅和靠背传感器检测座椅位置和靠背角度信息，由座椅内置的电机位置获取，通过can线将信息传输到信息处理系统20。座椅和靠背传感器检测的主要信息包括座椅前后位置、高低位置、脚托位置、坐垫前端翘起角度、靠背角度等，提供乘员位置和乘坐姿态的辅助定位。
27.作为乘员监测系统10的另一种实施方式，乘员监测系统10可以由摄像头，座椅位置和靠背角度传感器、占位传感器等部件组成。占位传感器安装在座椅坐垫内，通过感知重量判断是否有乘客，属于成熟技术，而车内雷达可以作为占位传感器的替代方案。当座椅占位传感器或车内雷达识别到副驾驶位置有人时，同时车速高于25km/h时，检查系统开始工作。当副驾驶无人或车速低于要求时，10s后系统停止工作。
28.继续如图1所示，信息处理系统20根据乘员位置和乘坐姿态判断乘员下潜风险。信息处理系统20按照一定周期，根据乘员位置和乘坐姿态判断乘员下潜风险，并且在判断风险达到危险值时发出警报，在风险小于危险值时解除警报。
29.作为本发明的一种优选实施方式，当信息处理系统20根据乘员监测系统10获得的输入参数预测出乘员下潜风险过大时，首先由副驾位置的主屏幕发出声音和图像的报警，提醒乘员改变坐姿。如果乘员改变坐姿，信息处理系统20重新评估风险，如果下潜风险降低至允许范围，报警解除，如果6秒后乘员继续处于危险状态，则激活执行系统30开始动作。
30.作为本发明的一种优选实施方式，当乘员监测系统10监测到安全带腰带中线位置，同时位于左右两侧髂骨位置以上大于25mm时，信息处理系统20判断认为具有下潜高风险。当腰带中线同时位于左右两侧髂骨以下大于25mm时，信息处理系统20判断认为具有下潜低风险，其他情况判断认为下潜中风险。
31.信息处理系统20判断风险达到危险值且维持时间超过预定时长时，开启执行系统30。信息处理系统20可根据乘员监测系统10收集到的座舱布置场景、乘员位置、乘坐姿态与数据库中的研究数据进行比较，尤其比较乘员的骨盆位置以及安全带腰带的位置数据。信息处理系统20根据下潜风险等级，在发现乘员有下潜风险时发出警报，并且进一步对执行系统30提出运动指令，结合乘员位置和乘坐姿态对乘员的膝部和脚部位置提供必要的约束。
32.作为本发明的一种优选实施方式，数据库中的数据由车辆研发中的计算机仿真数据组成。仿真模型包含座椅、内饰、白车身、执行系统30和假人，碰撞中车身变形产生的冲击载荷通过整车试验中车身上的加速度传感器获得的信号加载到模型中的白车身上。仿真模型按照c-ncap规程中标准工况，进行仿真和物理试验的对标验证，通过doe的方法对座椅位置、假人位置、碰撞工况参数进行仿真计算，得到各参数对应的假人下潜风险和伤害预测。
33.参照图2-图6所示，执行系统30根据信息处理系统20提供的下潜风险开启或关闭，且结合乘员位置和乘坐姿态对乘员的膝部和脚部位置进行约束，当下潜风险达到危险值且维持时间超过预定时长时，约束乘员膝部位置并且阻挡乘员脚部向上移动来约束乘员的脚部位置，直至乘员改变乘员位置或乘坐姿态。
34.特别地，本发明的执行系统30分为两部分，分别是膝部执行机构31和脚部执行机构32。
35.如图2和图3a、3b所示，膝部执行机构31是一个安装在仪表盘底部、正对着乘员的膝部，且可以伸缩的活动机构，其主要包括膝部挡板311、举升机构312、丝杆313，举升电机314、转轴315等部件。
36.如图2所示，从正面来看，膝部挡板311连接至仪表板下部，其形状与乘员腿部的形状相适应。膝部挡板311的主要构成包括一个金属板状本体，以及在本体表面覆盖的软质材质。作为本发明的一种优选实施方式，膝部挡板311是一块矩形的金属板，具有一定的刚度和强度，并且膝部挡板311的外表面覆盖汽车的内饰材料，使得膝部挡板311和汽车内饰能够保持一致。
37.继续参照图2，膝部挡板311的背面，举升机构312设置于膝部挡板311的两侧边缘，且与膝部挡板311相连接。如图2所示，举升机构312有两个，分别设置在膝部挡板311的左右两侧。在膝部挡板311的背面还设有举升电机314，举升电机314的作用是通过丝杆313来最终带动举升机构312伸缩，以此控制膝部挡板311的伸出和缩回。
38.如图3a和3b所示，丝杆313设置于仪表板内部，其举升机构312伸展或收缩，使得膝部挡板311可以朝向乘员下肢方向（尤其是膝盖方向）伸出或收回，以此约束乘员膝部位置。
中间丝杆313的优势在于可以自锁，在挡板受到冲击时，机构不会退缩。
39.结合图2和图3a、3b，举升电机314安装在仪表板中的骨架上，布置在膝部挡板311中间位置。举升电机314的输出端与丝杆313相连，丝杆313安装在膝部挡板311中间位置，丝杆313两端有两个横向杆316，分别布置在膝部挡板311上下边缘。横向杆316两端与导轨相连，导轨布置在膝部挡板311两侧边缘，如此布置的优势是使用一个举升电机314同时控制两侧举升机构312，解决同步问题及节省成本。
40.参照图3a和3b，举升机构312是一个由两根举升杆共同构成的x形状的部件，即两根举升杆在各自的中间部分相连并构成x字形，两根举升杆的连接处通过转轴315相连接并可以自由转动。
41.继续参照图3a和3b，膝部挡板311的背面包括导槽，举升杆构成的x字形的一个端部与膝部挡板311固定连接，另一个端部可活动地设置于导槽内。作为本发明的一种优选实施方式，如图3b所示，举升机构312的两个端部可以都位于导槽内，同样可以实现本发明的技术目的。
42.本领域的技术人员可以理解，图3b所示的是举升机构312的两个端部均在膝部挡板311的导槽内运动的情形。而当举升机构312的一个端部固定在膝部挡板311背面，另一个端部在膝部挡板311的导槽内活动时，膝部挡板311伸出的纵向位置可以偏移其初始位置，例如比图3b所示的膝部挡板311的位置更靠上/靠下一点的位置。
43.作为本发明的另一种实施方式，举升机构312布置在挡板y向两侧边缘，由两个举升杆组成，举升杆中间通过转轴315相连，可以自由转动，形成x形状。举升杆末端与膝部挡板311相连，可以在挡板背面的导槽内滑动。举升杆的另一个末端与横向杆316相连，随着横向杆316上下运动，使得举升杆组成的x形状高度拉长，挡板被顶升。
44.继续如图3a和3b所示，膝部挡板311可以向乘员方向移动或收回，并且当膝部挡板311收回时与仪表板融为一体，形状和安装角度与传统汽车的手套箱接近。
45.在膝部执行系统30工作时，电机将初始位置的丝杆313向内拉动，在这样的拉力之下，丝杆313的两个端部朝向电机方向运动。当电机转动时，丝杆313带动两端的横向杆316上下运动。
46.此时，x字形的举升机构312从“较扁”的形状（如图3a所示）逐渐被“拉长”，从而形成一个“较长”的x字形（如图3b所示），举升机构312的至少一个端部在膝部挡板311的导槽内运动，使得膝部挡板311被从仪表箱下部被推出。
47.作为本发明的一种优选实施方式，膝部挡板311附近还设置距离传感器。距离传感器获取乘员的膝部位置，使得膝部执行机构31根据乘员膝部的位置，调整膝部挡板311与乘员膝部保持限定的距离。
48.乘员标准坐姿时，膝部执行机构31与仪表板融为一体。乘员处于大靠背角时（视为有下潜风险），膝部执行机构31向靠近人体方向移动，将膝部挡板311移动到膝盖一定范围内。当乘员改变坐姿或位置后，膝部执行机构31可以自动收回或更新至新的适合位置。
49.作为本发明的一种优选实施方式，本发明的距离传感器将150mm作为参照值。膝部执行机构31通过传感器获得的乘员膝部位置，与膝部始终保持150mm以内的距离，直至下潜风险解除，自动收回。当下潜风险重新识别时，自动开启。
50.参照图4-图6，执行系统30还包括脚部执行机构32，其主要由脚踏板321、底部轨道
322、踏板电机323、蜗杆324、铰链325、前后滑动电机326、挡块327等部件构成。脚部执行机构32的一个重要特征是既可以前后移动、又有角度调节，并且其顶部还具有挡块327。
51.如图4-图6所示，底部轨道322沿车辆的前后方向安装于车辆的地板上，脚踏板321可活动地安装在底部轨道322上。作为本发明的一种优选实施方式，脚踏板321的底部导轨可以与座椅导轨共用。
52.脚踏板321可以相对于乘员有两个方向上的运动。第一个是通过前后水平方向上的运动，即前后滑动电机326驱动脚踏板321在底部轨道322上前后运动，使得脚踏板321约束乘员的脚部位置。
53.第二个是垂直方向上的运动，由于脚踏板321和底座交接处由铰链325连接，因此脚踏板321可以沿整车y向转动，即垂直方向。踏板电机323驱动蜗杆324向上顶升，使得脚踏板321与底部轨道322的倾斜角度可调，即脚踏板321朝上运动来约束乘员的脚部位置。
54.作为本发明的一种实施方式，图5示出了图4b方向的结构，脚踏板321背面有踏板电机323和蜗杆324结构，以此控制脚踏板321的倾斜角度。踏板电机323和蜗杆324布置在脚踏板321中间位置，踏板电机323转轴315沿xy平面布置，使高度方向尺寸减小。
55.另一方面，如图6所示，脚踏板321的表面包括用于阻挡乘员脚部向上移动的挡块327，并且挡块327设置在脚踏板321的最上沿，挡块327的作用是阻挡脚部向上运动。挡块327的高度和位置经过模拟计算，以能够有效约束脚部向上运动为目标，同时挡块327尽可能小巧，不影响舒适度。
56.综合图2-图6的结构可以看出，本发明至少在两个方向上对乘员下肢进行约束，分别是利用膝部执行机构31对乘员的膝部位置进行约束，同时利用脚部执行机构32对乘员的脚部进行约束。
57.本领域的技术人员可以理解，当乘员发生下潜时，其下肢的位置必然发生改变，通常又两种不同的表现。第一种表现为下肢过分伸直，整个人大致呈一种“伸直腿”的状态，即脚部过分往前伸展，导致整个乘员的背靠角度变大、脚托位置朝前，盆骨位置偏移到座椅前方。第二种表现为下肢过分蜷曲，整个人大致呈一种“跪姿”，即脚部过分往后缩，乘员的膝盖下沉，导致整个乘员的背靠角度变大、脚托位置朝后，盆骨位置偏移到座椅前方如图1所示，为了针对上述两种不利的乘员下潜情形，本发明同时对乘员下肢的约束作用在于：当脚部执行机构32对乘员的脚部位置进行约束时，其能提供一个大致朝向乘员小腿方向向上的力f2，该力f2用以维持乘员小腿一定弯曲的坐姿，避免出现上述第一种下肢过分伸直（伸直腿）的状态。
58.与此同时，膝部执行机构31对乘员的膝部位置进行约束时，其能提供一个大致垂直于乘员小腿方向向后的力f1，该力f1用以位置乘员的膝部不至于过分下沉，避免出现上述第二种下肢过分蜷曲（跪姿）的状态。
59.上述两个方向的力f1、f2缺一不可，即膝部执行机构31、脚部执行机构32需要共同对乘员下肢进行约束才能取得最佳效果。如果只有力f1，那么即便可以避免第二种下肢过分蜷曲（跪姿）的状态，却不能防止上述第一种下肢过分伸直（伸直腿）的状态。反之，如果只有力f2，那么即便可以避免第一种下肢过分伸直（伸直腿）的状态，却不能防止上述第二种下肢过分蜷曲（跪姿）的状态。
60.本发明的乘员自适应下肢约束系统特别适用于当前比较热门的零重力座椅，该座椅是一种类似人在失重状态的坐姿，人接近与平躺状态，靠背与水平夹角约60
°
，坐垫翘起，人体脊柱受力均匀分布，最大程度满足舒适性的要求。相对于舒适性，零重力座椅需要在满足舒适的情形下保证乘员不至于下潜，因此本发明的乘员自适应下肢约束系统特别可以和该种座椅进行搭配。
61.作为本发明的第二方面，本发明还公开一种车辆，该车辆包括上述的乘员自适应下肢约束系统，这里不再赘述。
62.作为本发明的第三方面，本发明还公开一种乘员自适应下肢约束方法，其主要执行以下步骤：步骤s1：首先监测乘员位置和乘坐姿态，尤其是乘员的骨盆位置以及安全带腰带的位置。
63.步骤s2：根据乘员位置和乘坐姿态判断乘员下潜风险。
64.步骤s3：根据下潜风险，并且结合乘员位置和乘坐姿态对乘员的膝部和脚部位置进行约束。
65.本发明方法所执行的步骤已经在上述自适应下肢约束系统中做出说明，这里不再赘述。然而，本发明的方法可以集成在特定的控制装置中。
66.本发明的该控制装置可以是一种计算机程序产品，其中，当计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行如以上各方法实施例中的方法的部分或全部步骤。
67.本发明的该控制装置可以是一种应用发布平台，其中，应用发布平台用于发布计算机程序产品，其中，当计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行如以上各方法实施例中的方法的部分或全部步骤。
68.在本发明的各种实施例中，应理解，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的必然先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
69.本发明的各个系统、单元若以软件功能单元的形式实现时，可以存储在一个计算机可获取的存储器中。基于这样的理解，本发明的技术方案的部分或者全部，可以通过软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干请求用以使得一台或多台计算机设备(例如个人计算机、服务器或者网络设备等，具体可以是计算机设备中的处理器)执行本发明的各个实施例上述方法的部分或全部步骤。
70.本领域的技术人员可以理解，本发明所列举的各个实施例的全部或部分步骤可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，这些计算机程序可以集中或分布式地存储于一个或多个计算机装置中，例如存储于可读存储介质中。上述计算机装置包括只读存储器(read-only memory，rom)、随机存储器(random access memory，ram)、可编程只读存储器(programmable read-only memory，prom)、可擦除可编程只读存储器(erasable programmable read only memory，eprom)、一次可编程只读存储器(one-time programmable read-only memory，otprom)、电子抹除式可复写只读存储器(electrically-erasable programmable read-only memory，eeprom)、只读光盘(compactdisc read-only memory，cd-rom)或其他光盘存储器、磁盘存储器、磁带存储器、或者能够用于携带或存储数据的计算机可读的任何其他介质。
71.本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。