孫汐暢，莫新民，紀(jì)平鑫，宋 鵬，韋祖拔

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

現(xiàn)役大口徑火炮炮彈質(zhì)量超過(guò)45 kg，備戰(zhàn)階段單個(gè)作戰(zhàn)單元炮車與彈藥補(bǔ)給車的補(bǔ)彈質(zhì)量超過(guò)10 t，彈藥輸送、補(bǔ)彈與裝填主要依靠人工完成，這種人工搬運(yùn)屬于高強(qiáng)度的重復(fù)性勞動(dòng)，研究表明，在重負(fù)荷條件下多次重復(fù)某一動(dòng)作，容易造成人體背腹部或肩部肌肉拉傷。外骨骼助力系統(tǒng)是一種人體體能增強(qiáng)裝備，通過(guò)穿戴在人體外部的機(jī)械構(gòu)件將負(fù)荷重量傳遞到地面，同時(shí)利用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)化，為穿戴者助力，可有效提升士兵戰(zhàn)斗力、緩解疲勞、預(yù)防骨骼肌肉損傷。該系統(tǒng)的應(yīng)用為解決大口徑火炮彈藥運(yùn)輸搬運(yùn)的士兵體能消耗問(wèn)題提供了思路。

由于不同任務(wù)場(chǎng)景下的外負(fù)荷物理屬性(體積、質(zhì)量、質(zhì)心等)具有差異性，外骨骼裝備對(duì)外負(fù)荷的感知和適應(yīng)能力將直接影響其助力效能的發(fā)揮與提升[1-3]。筆者擬從火炮彈藥運(yùn)輸搬運(yùn)外骨骼系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)形式出發(fā)，建立外負(fù)荷背負(fù)狀態(tài)的理論模型并計(jì)算分析不同外負(fù)荷對(duì)外骨骼髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)期望力矩的影響，研究一種外負(fù)荷估算方法，并在模擬試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，以期實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)在人-機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)外負(fù)荷變化的預(yù)估，進(jìn)而優(yōu)化提升外骨骼系統(tǒng)的背負(fù)性能與適應(yīng)能力。

1 外骨骼負(fù)荷估算模型建模

1.1 模型概述

外骨骼的外負(fù)荷包含了靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩種因素[4]，其中靜力學(xué)因素來(lái)自于外負(fù)荷產(chǎn)生的重力力矩，動(dòng)力學(xué)因素主要來(lái)自于外負(fù)荷的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量產(chǎn)生的力矩。在實(shí)際環(huán)境中，存在穿戴外骨骼運(yùn)輸或搬運(yùn)不同型號(hào)的火炮彈藥、物資設(shè)備等情況，作業(yè)過(guò)程中還隨時(shí)存在裝上或卸下重物等情況，由于外負(fù)荷質(zhì)量和質(zhì)心位置的隨機(jī)性變化，將導(dǎo)致外骨骼系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)需求特性在不同時(shí)刻存在明顯差異。

圖1分別描述了外骨骼背負(fù)系統(tǒng)在幾種典型外負(fù)荷場(chǎng)景[5-8]，質(zhì)心位置在不同場(chǎng)合下差異較大。

考慮到人體肢體、運(yùn)動(dòng)及行為特點(diǎn)，穿戴外骨骼系統(tǒng)既要實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的承載功能又要盡可能減少對(duì)人肢體運(yùn)動(dòng)的干涉，該系統(tǒng)通常的形態(tài)是將電源模塊、控制模塊、動(dòng)力單元模塊及負(fù)載布置在人體的上半身，如圖2所示。這些模塊即構(gòu)成了外骨骼系統(tǒng)背架的本體構(gòu)型，同時(shí)也是承載外負(fù)荷的主要功能區(qū)域。當(dāng)外骨骼系統(tǒng)承載重物執(zhí)行任務(wù)時(shí)，其負(fù)荷經(jīng)由背架、髖關(guān)節(jié)、大小腿支桿、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)支撐將重力傳遞至地面[9-11]。因此，背架的設(shè)計(jì)既要滿足功能要求又要兼具性能體現(xiàn)，是外骨骼系統(tǒng)的重要分支系統(tǒng)，既要在空間上給相應(yīng)模塊的留有安裝空間，又要符合人體運(yùn)動(dòng)生理特點(diǎn)。

當(dāng)外骨骼承載了重量為G的外負(fù)荷時(shí)，背架及外負(fù)荷對(duì)外骨骼髖關(guān)節(jié)產(chǎn)生作用力矩,如圖3所示。外負(fù)荷對(duì)外骨骼髖關(guān)節(jié)產(chǎn)生的力矩作用變化主要集中在人體矢狀面上，因此將外負(fù)荷產(chǎn)生的力矩作用集中于矢狀面上分析。裝載在背架上的外負(fù)荷質(zhì)心為P，背架桿OC與水平面的夾角為θ，背架OC與CA之間的固定夾角為α.

質(zhì)心與背架的距離如圖3所示，假設(shè)繞O點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為I，該系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù)L為

(1)

(2)

(3)

1.2 外負(fù)荷的力矩估算

由式(3)可知，當(dāng)外負(fù)荷的質(zhì)量增大、質(zhì)心位置遠(yuǎn)離O點(diǎn)，則外負(fù)荷對(duì)O點(diǎn)產(chǎn)生的力矩MO將增大。外負(fù)荷對(duì)O點(diǎn)力矩的變化將影響助力效果，外骨骼控制系統(tǒng)無(wú)法及時(shí)獲知負(fù)荷力矩的突然增大或減小，不能及時(shí)優(yōu)化力矩控制策略，從而降低助力效能。

在圖3的背架上加裝三維力傳感器與姿態(tài)傳感器，通過(guò)測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)估算出外負(fù)荷對(duì)O點(diǎn)的實(shí)時(shí)力矩變化信息，可以及時(shí)有效地為外骨骼控制算法提供模型修正，從而提高助力效能。從矢狀面上看，三維力傳感器分別位于背架的A、B兩點(diǎn)處，外負(fù)荷通過(guò)傳感器與背架相連，在背架運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中外負(fù)荷對(duì)背架的力矩信息可通過(guò)力傳感器測(cè)得。背架運(yùn)動(dòng)時(shí)測(cè)得的三維力分別為FAx、FAy、FBx和FBy，其方向如圖3所示。此時(shí)外負(fù)荷對(duì)O點(diǎn)產(chǎn)生的力矩滿足以下關(guān)系式(按照逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?：

(FAx+FBx)·lOD′-(FAy·lAD+FBy·lBD),

(4)

式中：∑Fi×xi是傳感器測(cè)得的各方向力與其作用點(diǎn)到O點(diǎn)的矢量長(zhǎng)度的叉乘之和，即由傳感器測(cè)得的作用力矩之和；lOD′、lAD和lBD為背架上的固定長(zhǎng)度。

背架與外骨骼通過(guò)E點(diǎn)和O點(diǎn)連接。當(dāng)外骨骼工作時(shí)，由人或外骨骼產(chǎn)生的外置動(dòng)力源在E點(diǎn)處推動(dòng)整個(gè)背架運(yùn)動(dòng)，其作用力Fw滿足：

Fw×lOE=

MO=(FAx+FBx)·lOD′-(FAy·lAD+FBy·lBD)，

(5)

式中，lOE是外動(dòng)力源作用點(diǎn)到O點(diǎn)的長(zhǎng)度。

1.3 外負(fù)荷重量、質(zhì)心位置與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量估算

質(zhì)心到O點(diǎn)的距離lOP及l(fā)OP與水平面的夾角θ′可以通過(guò)任意兩不同靜止姿態(tài)下測(cè)得的傳感器力矩信息和兩姿態(tài)相對(duì)夾角求得。假設(shè)現(xiàn)在靜止的任意兩種姿態(tài)下測(cè)得的外負(fù)荷對(duì)O點(diǎn)的力矩分別為M1和M2，并且其中一種姿態(tài)下三維力傳感器讀數(shù)分別為：FAx0、FBx0、FAy0和FBy0.在這兩種姿態(tài)下背架桿OC與水平面夾角分別為θ1和θ2，則有：

(6)

由式(5)可得：

(7)

外負(fù)荷重量大小為：

(8)

由式(5)～(7)可得外負(fù)荷質(zhì)心位置參數(shù)：

(9)

由式(8)可求出外負(fù)荷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

(FAy·lAD+FBy·lBD)-GlOPcosθ1].

(10)

2 估算模型實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

為考核并驗(yàn)證上述估算模型，根據(jù)外骨骼系統(tǒng)背架的使用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并搭建了估算模型實(shí)驗(yàn)裝置，如圖4所示。本實(shí)驗(yàn)裝置由背架、外負(fù)荷承載框架、液壓油缸、直線導(dǎo)軌、三維力傳感器和姿態(tài)傳感器、硬件主板和軟件系統(tǒng)等組成。背架整體固連，沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，底部(即O點(diǎn))與基座鉸接。為真實(shí)模擬外骨骼系統(tǒng)的尺寸大小和安裝方式，該實(shí)驗(yàn)裝置與外骨骼樣機(jī)的桿件長(zhǎng)度和配重位置基本保持一致。姿態(tài)傳感器位于圖4(b)中對(duì)稱軸上的C點(diǎn)正下方，外負(fù)荷承載框架與背架的3個(gè)連接點(diǎn)為S1、S2和S3，分別加裝三維力傳感器。3處連接點(diǎn)均采用鉸接的方式，以避免產(chǎn)生額外力矩作用。實(shí)驗(yàn)時(shí)在外負(fù)荷承載框架中增減重物塊，通過(guò)程序控制油缸以替代人和外骨骼推動(dòng)背架運(yùn)動(dòng)，并將液壓油缸力信息、三維力傳感器信息和姿態(tài)傳感器信息通過(guò)FPGA高速傳感器接口傳入嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算和分析，再將計(jì)算結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳入電腦進(jìn)行顯示和保存。實(shí)驗(yàn)流程和軟件界面分別如圖5、6所示。

3 負(fù)荷估算方法實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)時(shí)首先選定任意兩個(gè)不同姿態(tài)的靜止?fàn)顟B(tài)下讀取力和角度信息以估算lOP及θ′，為估算出外負(fù)荷重量G及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I提供數(shù)據(jù)；之后控制油缸搖動(dòng)背架并讀取傳感器信息。實(shí)驗(yàn)采用4組不同質(zhì)量的重物塊作為外負(fù)荷，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后，通過(guò)計(jì)算繪制出4組曲線，如圖7所示。從圖中可以看到，通過(guò)背架上三維力傳感器測(cè)得并估算的力矩值與油缸的等效作用力矩值基本吻合。

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在剔除了噪音等干擾之后，對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的力矩信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，匯總?cè)绫?所示。表1中平均誤差為兩對(duì)比力矩差值的平均值。通過(guò)估算得到的外負(fù)荷重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量結(jié)果如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

表2 外負(fù)荷參數(shù)估算結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，使用三維力傳感器和姿態(tài)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并對(duì)外負(fù)荷進(jìn)行需求力矩的預(yù)估是相對(duì)準(zhǔn)確的。本實(shí)驗(yàn)中，由于傳感器采集信號(hào)出現(xiàn)噪音干擾、背架安裝位置不完全對(duì)稱導(dǎo)致其質(zhì)心偏離矢狀面以及理論模型的簡(jiǎn)化等都可能造成結(jié)果出現(xiàn)偏差。從表1中可以看到，隨著外負(fù)荷增大，相對(duì)平均誤差值有所增加。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著技術(shù)發(fā)展，武器口徑不斷增大，在彈藥裝填和飛機(jī)掛載等方面，亟需解決士兵搬運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)力量不夠和體力不支的問(wèn)題，也對(duì)借助外骨骼進(jìn)行彈藥裝填的技術(shù)提出了更高要求。筆者提出的外骨骼負(fù)載估算方法能為外骨骼控制系統(tǒng)提供外負(fù)荷產(chǎn)生力矩的實(shí)時(shí)信息，增強(qiáng)了火炮彈藥搬運(yùn)和運(yùn)輸外骨骼對(duì)外負(fù)荷變化的適應(yīng)能力，為改善外骨骼系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)模型提供了一個(gè)新的思路。同時(shí)，設(shè)計(jì)的估算模型實(shí)驗(yàn)裝置可運(yùn)用于估計(jì)不規(guī)則形狀和質(zhì)量的外負(fù)荷重力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對(duì)后續(xù)研究開展具有重要意義。

該估算方法適用于研究外負(fù)荷與人體正中矢狀面貼近的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)于外負(fù)荷質(zhì)心偏離矢狀面較遠(yuǎn)，則可能產(chǎn)生較大誤差，因此在三維空間中綜合考慮重力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的情況，將是下一步需要繼續(xù)探究的問(wèn)題。