Experimental-based positioning and simulation of human body models in bicyclist crashes

Abstract

As cycling continues to grow as a mode of transportation, an accurate and posture-aware representation of bicyclists in vehicle-impact scenarios becomes increasingly important. This thesis develops an integrated framework that combines realistic bicyclist posture measurement, automated positioning of human body models (HBMs), and finite element (FE) crash simulations to evaluate bicyclists’ injury mechanisms across key body regions. Bicyclist postures were experimentally captured using a photogrammetric motion-tracking approach during active pedaling. Male and female participants were measured while riding city, mountain, and racing bicycles and posture data were collected across multiple pedal angles, revealing substantial inter-subject variability. To translate these data into simulation, a landmark-based positioning methodology was developed. The method establishes direct correspondence between experimentally measured anatomical landmarks and skeletal landmarks defined on the HBM skeleton and applies a predefined kinematic hierarchy to ensure consistent joint articulation. This approach enables fast, reproducible, and user-independent positioning of HBMs into experimentally derived postures, making large posture-driven studies feasible, something not previously achievable in bicyclist safety research. Using this positioning framework, a parametric FE crash simulation campaign (108 simulations) was conducted with VIVA+ HBMs. The simulations examined the influence of vehicle speed, sex, bicycle type, pedal angle, and posture variation on injury outcomes. Injury assessment focused on the head, thorax, and lower extremities, using both global and tissue-based injury criteria. While vehicle speed remained the dominant influencing factor, posture-related parameters significantly affected injury risk, particularly in the lower extremities and head, and revealed sex- and bike-specific injury mechanisms. Overall, the thesis demonstrates that posture-aware modeling is essential for meaningful bicyclist injury assessment and provides a foundation for improved vehicle safety evaluation, the development of posture-aware test procedures, and future countermeasure design.

Καθώς η ποδηλασία αναπτύσσεται συνεχώς ως τρόπος μετακίνησης, η ακριβής αναπαράσταση των ποδηλατιστών, λαμβάνοντας υπόψη την στάση σώματός τους, και η αξιολόγηση της ασφάλειάς τους σε σενάρια σύγκρουσης με οχήματα καθίσταται ολοένα και πιο σημαντική. Η παρούσα διατριβή αναπτύσσει ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο που συνδυάζει ρεαλιστική μέτρηση της στάσης σώματος των ποδηλατιστών, αυτοματοποιημένη τοποθέτηση ανθρώπινων μοντέλων σώματος (Human Body Models – HBMs) και προσομοιώσεις σύγκρουσης με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (Finite Element – FE), με στόχο την αξιολόγηση των μηχανισμών τραυματισμού των ποδηλατιστών σε βασικές περιοχές του σώματος. Οι στάσεις σώματος των ποδηλατιστών καταγράφηκαν πειραματικά μέσω μιας φωτογραμμετρικής μεθόδου παρακολούθησης κίνησης κατά τη διάρκεια της ποδηλασίας. Άνδρες και γυναίκες που συμμετείχαν μετρήθηκαν σε ποδήλατα πόλης, βουνού και δρόμου, ενώ τα δεδομένα στάσης συλλέχθηκαν για πολλαπλές γωνίες πεταλιών, αποκαλύπτοντας σημαντική διακύμανση μεταξύ των συμμετεχόντων. Για τη μεταφορά αυτών των δεδομένων σε προσομοιώσεις, αναπτύχθηκε μια μεθοδολογία τοποθέτησης των ανθρώπινων μοντέλων βασισμένη σε ανατομικά σημεία αναφοράς (landmarks). Η μέθοδος αυτή καθιερώνει άμεση αντιστοιχία μεταξύ των πειραματικά μετρούμενων ανατομικών σημείων και των σκελετικών σημείων που ορίζονται στον σκελετό του HBM και εφαρμόζει προκαθορισμένη κινηματική ιεραρχία ώστε να διασφαλίζεται συνεπής κινηματική των αρθρώσεων. Η προσέγγιση αυτή επιτρέπει ταχεία, αναπαράξιμη και ανεξάρτητη από τον χρήστη τοποθέτηση των HBMs σε πειραματικά προσδιορισμένες στάσεις, καθιστώντας δυνατές παραμετρικές μελέτες βασισμένες στην στάση σώματος που προηγουμένως δεν ήταν εφικτές στην έρευνα ασφάλειας ποδηλατιστών. Με χρήση της μεθόδου τοποθέτησης που αναπτύχθηκε, πραγματοποιήθηκε μια σειρά παραμετρικών προσομοιώσεων σύγκρουσης με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (108 προσομοιώσεις) με χρήση των μοντέλων VIVA+ HBM. Εξετάστηκε η επίδραση της ταχύτητας του οχήματος, του φύλου, του τύπου ποδηλάτου, της γωνίας πεταλιών και της μεταβλητότητας της στάσης σώματος στους προκύπτοντες τραυματισμούς. Η αξιολόγηση επικεντρώθηκε στην κεφαλή, τον θώρακα και τα κάτω άκρα, χρησιμοποιώντας τόσο μακροσκοπικά όσο και τοπικά κριτήρια τραυματισμού. Παρότι η ταχύτητα του οχήματος παρέμεινε ο κυρίαρχος παράγοντας επιρροής, παράμετροι που σχετίζονται με την στάση σώματος επηρέασαν σημαντικά τον κίνδυνο τραυματισμού, ιδιαίτερα στα κάτω άκρα και στην κεφαλή, ενώ ανέδειξαν επίσης μηχανισμούς τραυματισμού που σχετίζονται με το φύλο και τον τύπο ποδηλάτου. Συνολικά, η εργασία αποδεικνύει ότι η μοντελοποίηση που λαμβάνει υπόψη τη μεταβλητότητα της στάσης σώματος είναι απαραίτητη για την ουσιαστική αξιολόγηση τραυματισμών ποδηλατιστών, και παρέχει τη βάση για τη βελτίωση της αξιολόγησης της ασφάλειας οχημάτων, την ανάπτυξη διαδικασιών αξιολόγησης που λαμβάνουν υπόψη την στάση σώματος και τον σχεδιασμό μελλοντικών μέτρων προστασίας.