16 車輛研測資訊 2008-08

百年來車子的舒適度、美觀及速度上都有了

很大的改善，可是在享受車輛帶給我們的便利之

餘，車輛對於人類可能產生的傷害的問題亦同樣的

顯現出來。特別是因車輛事故而造成的生命安全顧

慮尤其令人注目。因此車輛安全工程師便在汽車上

增設不少的防護裝置，諸如吸能軟墊(Padding)、安

全帶 (Belt)、空氣囊 (Airbag)等，期望用這些防護

裝置來減少人員的傷亡，可是如何去評估這些新的

安全裝置，了解其效果。最直接的方法，就是使用

真人來測試，但是以人道的觀點，自願者的可能性

並不高，而使用大體的生物變異性、實驗的重複性

及測試數量都會造成評估的困難度，因此變通的方

法就是使用一種創新的儀器，即不會傷及受測者，

亦能有像人的反應及實驗的重複性，此種創新的人

體替代品就是人類測試裝置(Anthropomorphic Test

Device, ATD)或者一般所稱之的碰撞人偶(Crash test

dummy)。

碰撞人偶的歷史

其實最早對碰撞人偶的研究感到興趣的並非汽

車業者，而是航太工業，它們利用人偶於自動彈射

座椅、降落傘等求生設施的評估，早先它們也是使

用自願者及動物實驗，直到將速度提高到自願者再

也無法忍受的階段，"Sierra Sam"的人偶因此而設

計出來代替自願者，這大約是在1950年代左右，設

計這個人偶的工程師為美國空軍Alderson Research

Lab(ARL)及Sierra Engineering Co.的Samuel Alderson

(圖1)。

之後Alderson 又根據第一個人偶製造一系列的

VIP (Very Important People)及Sierra系列的人偶，改

善原有的生物真實性及能代表男性與女性的尺寸，

將這些人偶用於相關測試。後來汽車公司也開始對

人偶產生興趣，在1971年，通用汽車公司(General

Motors)的工程師就採用VIP及Sierra系列人偶的部

份設計，加上一些新的改善，使人偶更經得起耐

久 (Durability)測試，接下來的兩年間更將所謂的

國立成功大學機械工程學系 黃才火冏教授

▲ 圖1. Sierra Sam人偶

車輛研測資訊 2008-08 17

專 題 報 導

Hybrid I、Hybrid II 分別介紹給大眾，基本上在這

一時刻所發展出來的Hybrid系列人偶皆屬於50%美

國男性大小的人偶。

此時美國政府感受到發展人偶的必要性，所以

就由美國交通安全管理局(National Highway Traffic

Safety Administration, NHTSA)，結合產官學，如

產業界的通用汽車公司(G M)及車輛工程師協會

(SAE)，及學界的密西根大學的運輸研究(University

of Michigan Transportation Research Institute,

UMTRI)等單位，希望能發展出一未來可用之標準

人偶。1976，Hybrid III就正式的介紹給業界及使用

者 【Foster et. al.., 1977】。而自從1980年代Hybrid

II及Hybrid III 就一直是美國法規所規定的標準人

偶，不只如此，歐洲法規、日本法規等也都採用

Hybrid III為標準人偶，這個人偶的特色在生物的擬

真性(Biofidelity)，測試的重複性及耐久性都是一大

突破，並對傷害的判斷有簡單而量化的決定方式，

這些都讓Hybrid III 至今能讓業界所使用的原因。

可是Hybrid III在80年代只純對50%美國男性

身材來設計，並專為前撞測試(Frontal impact)，

再者近年來更多安全防護設施也設計出如空氣囊

(Airbag)，乘員受傷的方式亦隨之改變，其受衝擊

方向亦也不會只單從前方而來，因為這些種種因

素50%男性Hybrid III似乎亦不敷使用，所以一連

串的Hybrid家族就相繼發展出來(圖2)，美國交通

安全管理局(NHTSA)亦發展一個新的人偶，名字

叫THOR(圖3)。其實除了美國之外，日本在1952

有他們的第一個配重人偶(圖4)，近幾年更對行人

人偶的發展有所進展，如圖5所示日本本田汽車

公司(Honda)所發展的Polar人偶 【Akiyama et al.,

2001】。在歐洲有早期TNO所為小孩設計的P-series

及Q-series人偶，近期其他團隊有一些新的突破，

如圖6所示具有很像真人脊椎的後撞人偶(BioRID)

及先進的側撞人偶(EuroSID)等。另外國際的合作也

積極的展開，如WorldSID人偶便是在國際合作中所

開發出來的。

▲ 圖2. Hybrid人偶家族

▲ 圖3. THOR人偶 ▲ 圖4. 第一個日本 人偶 (1952, by Dr. Kondo)

▲ 圖5. Honda汽車

公司所發展的

Polar人偶

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碰撞人偶設計

根據Hybrid III的設計者之一Harold Mertz博士

所定義【Mertz, 2002】：碰撞人偶是一個人體的機

械替代裝置（Mechanical surrogate of human），它

將代理真實人體去承受撞擊力，可是它又要用來評

估新的車輛安全裝置，所以人偶亦要有量測的功

能。

前段所言的人偶機械替代裝置，就要人偶必須

有生物擬真性（Biofidelity）的特性，所謂人偶生

物擬真性最基本就是所設計的人偶要合乎真實的人

體幾何（Anthropometry），人體幾何包含人體尺寸

大小、各部位主要的特徵點（Landmarks）、質量

(Mass)、慣量(Inertia)、密度(Density)等，而這些特

質與人的性別、年齡有相當的關係，而且人的生物

特性有很大的差異性，所以需要一些具有代表性的

統計資料，這也是現今沒能以一個共用人偶來代表

所有測試乘員的原因。

根據生物統計資料，現在人偶可區分為成人與

小孩，成人有分男性與女性，以尺寸可分成小尺寸

的5％，平均尺寸的50％及大尺寸的95％，而小孩

就沒有以性別來區分，其主要區分方法是以年齡，

目前區分有10歲、6歲、3歲及一些18個月以下的嬰

兒人偶。密西根大學（UMTRI）就有根據些現有資

料統合一組人偶身材幾何的資料【Schneider et. al.,

1983】，現有的人偶大部分會以此組資料為本做設

計，圖7即是一組5％成人女性的坐姿圖，當然資料

亦會包含一些表面特徵點（Surface landmarks）、

關節位置（Joint center）、各部位重心（Segment

CG）、部位原點（Segment origins）、部位區分平

面（Segmentation plane）及部位與整體座標系統關

係等。這些資訊都會影響人偶的行為，所以設計時

必須找到合適的平衡點。

人偶量測裝置與校正

當人偶用來評估車輛安全，除了擬真性外，當

然也要有量測功能，如加速度、形變及受力等，根

據量測的資料，才能有量化的傷害判斷能力，最基

▲ 圖6. 後撞人偶(BioRID)

▲ 圖7. 5％成人女性的坐姿身材幾何的資料

車輛研測資訊 2008-08 19

專 題 報 導

本就是於人偶頭部的重心裝置能量測三個方向的加

速度規，因為頭部傷害指數（Head Injury Criterion,

HIC）就是利用頭部加速度算取。另外頸部傷害則

需要在人偶頸部上加裝力傳感器用於量測頸部受力

及力矩，當然我們希望傳感器的質量越小越好，以

致不會影響人偶的生物幾何，加速度規質量尚可接

受，可是力傳感器就得小心，在配置時則需將力傳

感器其質量考慮並配重，以至於不會讓其人體幾何

失真。當然還有一些量測方法要靠人偶工程的巧思

去設計，如量測胸腔形變的CRUX就是利用三個量

角器 (Potentiometer) 所達成量測三維形變的功用(圖

8)，所以設計人偶必須把它當成一個儀器來設計，

還必須小心傳輸訊號的線路，因為一個測試有百個

訊號要接受，因此訊號線也相當多，如何安排這些

線路亦是人偶設計工程很重要的課題，另外這些線

路亦可能妨礙人偶的運動，所以無線化的資料擷取

系統也開始見於人偶之設計，如圖9 iDummy就是

其中一種，是一種裝置在人偶內的資料擷取系統

【In-dummy DAS】。

人偶基本上是一種儀器，

它的準確性、穩定性、耐用性

及重複性是相當重要，要維

持這些特性除了在設計下功

夫，出廠前與使用前後的校正

維護也相當重要，而人偶設計

一系列校正測試從頭部到下

肢皆有(圖10)，根據校正的結

果，我們再對人偶做適當的

修正，如此一來才能確保可信的量測結果。

未來的發展

近年電腦工業進步神速，利用電腦來模擬人的

運動及反應也成為相當熱門的研究，所謂的虛擬人

偶（Virtual dummy）就被發展出來，主要用來模擬

人偶的工具為多體動力學（Multibody dynamics）

及有限元素法（Finite element method），目前FTSS

▲ 圖8. 量測胸腔三維形變的CRUX 【NHTSA, 2008】

▲ 圖10. 人偶校正

▲ 圖9. iDummy (http://www.icrashtech.com/)

20 車輛研測資訊 2008-08

有模擬Hybrid III的模型。當然有些研究者就直接往

真人模型去發展，日本豐田汽車公司(Toyota)所發

展的THUMS (Total HUman Model for Safety)就是一

個直接模擬真人的虛擬乘員(圖11)【Miki, 2000】。

使用虛擬乘員最大目的就是希望能在虛擬世界

從事車輛安全評估及測試，事先預知測試結果避免

實驗的失真，如此一來可節省實車測試成本並達成

安全評估效果。很明顯的虛擬乘員可能是未來人偶

發展上一個很大的突破，但是人體的複雜性，現行

的虛擬乘員仍有很大的空間去發展，不久的將來虛

擬乘員相信一定會取代真實人偶的大部份工作。

就現在發展狀況而言，大部分的實車測試與安

全評估的工作仍會由實體人偶來承擔，所以Hybrid

人偶才會發展一整個家族的成員，並改善某些部位

的設計，設計使其更具有生物擬真性。又因新的生

物測試資料出來，且新的安全防護裝置改變新的

傷害模式(Injury pa ttern)，所以對人偶的改善就有

其必要性。而面對這需求，世界各地的安全工程師

便有許多對策，因為碰撞人偶相當貴重，且要取得

對一個全新人偶共識也需一段很長時間，簡單方式

就從現在的標準人偶去改善或將人偶某些部位重新

設計，最有名的例子就是THOR-LX(圖12)，這是

小腿部的新設計，但亦可使用於現今的Hybrid人偶

（Retrofitting），勿需再購買新的人偶，只需更換

新設計人偶小腿，所以實體人偶應該還需受苦受難

好幾十年才能退休到博物館享清福。

▲ 圖11. Toyota汽車公司發展虛擬乘員THUMS

▲ 圖12. THOR-LX (NHTSA, 2008)

車輛研測資訊 2008-08 21

專 題 報 導

結語

筆者與人偶接觸是因為工作的關係，從參與

Polar至THOR的發展，漸漸對碰撞人偶有所了解，

人偶從英文字面直譯dummy就是一個笨人的意思，

說實話他或她真笨，亦要代替我們先去承受碰撞

力，可是它又可以很聰明的替我們收集資料來改善

車輛安全，這種笨與不笨之間的效用其實是靠我們

使用與設計者去彰顯。人是一個複雜的結構，人偶

即是一個仿人的生物機械結構，其中包含多項學術

研究的整合，如生物力學、人體動力及運動學、人

體幾何學、機械設計及仿人模擬等。套一句寫在美

國交通安全管理局(NHTSA)舊標章上的經營信念，

人偶其實是一個人救人的研究。對於一個已開發國

家而言，如何保護自己的國民，並且減少社會成本

對於意外事故的開支是相當重要的課題。在歐美日

等許多國家都已經立法規定車廠必須達到對乘員安

全的某些要求，並且許多的車廠皆已經開始在注意

這些問題。人偶的使用可提供車廠所做出對於乘員

安全防護設計的效果參考，以提升產業競爭力。

參考文獻

1. Foster, J.K. et. a l.. (1977), "Hybrid III- A

Biomechanically-based Crash Test Dummy," The

21st Stapp Crash Conference, SAE# 770937,

pp975-1014

2. Akiyama et al. (2001), "Development and

application of the new pedestrian dummy," SAE

paper# 2001-06-0048

3. Mertz (2002), "Anthropomorphic Test Devices,"

Nahum and Melvin eds. Accidental Injury-

Biomechanics and Prevention. 2nd edition,

Springer, NY, pp72-88

4. Schneider e t a l.(1983), "Development of

Anthropometrically Based Design Specifications

for An Advanced Adult Anthropomorphic Dummy

Family," Vol. 1, Report No. DOT-HS-806-715/

UMTRI-83-53-1, The University of Michigan

Transportation Research Institute, Ann Arbor.

5. Miki (2000), "Development of Computer Model of

Human Body Named“THUMS" (Total Human

Model for Safety)," R&D Review of Toyota

CRDL Vol. 35 No. 2

6. Denton-ATD (2008), http://www.dentonatd.com/

7. NHTSA (2008), http://www.nhsta.gov/

8. FTSS (2008), http://www.ftss.com/