孫汐暢，莫新民，紀平鑫，宋 鵬，韋祖拔

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

現(xiàn)役大口徑火炮炮彈質(zhì)量超過45 kg，備戰(zhàn)階段單個作戰(zhàn)單元炮車與彈藥補給車的補彈質(zhì)量超過10 t，彈藥輸送、補彈與裝填主要依靠人工完成，這種人工搬運屬于高強度的重復性勞動，研究表明，在重負荷條件下多次重復某一動作，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裝備，通過穿戴在人體外部的機械構件將負荷重量傳遞到地面，同時利用動力驅(qū)動單元實現(xiàn)機械能轉(zhuǎn)化，為穿戴者助力，可有效提升士兵戰(zhàn)斗力、緩解疲勞、預防骨骼肌肉損傷。該系統(tǒng)的應用為解決大口徑火炮彈藥運輸搬運的士兵體能消耗問題提供了思路。

由于不同任務場景下的外負荷物理屬性(體積、質(zhì)量、質(zhì)心等)具有差異性，外骨骼裝備對外負荷的感知和適應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輸搬運外骨骼系統(tǒng)的具體結(jié)構形式出發(fā)，建立外負荷背負狀態(tài)的理論模型并計算分析不同外負荷對外骨骼髖關節(jié)機構期望力矩的影響，研究一種外負荷估算方法，并在模擬試驗平臺上進行測試和驗證，以期實現(xiàn)控制系統(tǒng)在人-機運動過程中對外負荷變化的預估，進而優(yōu)化提升外骨骼系統(tǒng)的背負性能與適應能力。

1 外骨骼負荷估算模型建模

1.1 模型概述

外骨骼的外負荷包含了靜力學和動力學兩種因素[4]，其中靜力學因素來自于外負荷產(chǎn)生的重力力矩，動力學因素主要來自于外負荷的轉(zhuǎn)動慣量產(chǎn)生的力矩。在實際環(huán)境中，存在穿戴外骨骼運輸或搬運不同型號的火炮彈藥、物資設備等情況，作業(yè)過程中還隨時存在裝上或卸下重物等情況，由于外負荷質(zhì)量和質(zhì)心位置的隨機性變化，將導致外骨骼系統(tǒng)的動力學需求特性在不同時刻存在明顯差異。

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

考慮到人體肢體、運動及行為特點，穿戴外骨骼系統(tǒng)既要實現(xiàn)負荷的承載功能又要盡可能減少對人肢體運動的干涉，該系統(tǒng)通常的形態(tài)是將電源模塊、控制模塊、動力單元模塊及負載布置在人體的上半身，如圖2所示。這些模塊即構成了外骨骼系統(tǒng)背架的本體構型，同時也是承載外負荷的主要功能區(qū)域。當外骨骼系統(tǒng)承載重物執(zhí)行任務時，其負荷經(jīng)由背架、髖關節(jié)、大小腿支桿、膝關節(jié)和踝關節(jié)支撐將重力傳遞至地面[9-11]。因此，背架的設計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模塊的留有安裝空間，又要符合人體運動生理特點。

當外骨骼承載了重量為G的外負荷時，背架及外負荷對外骨骼髖關節(jié)產(chǎn)生作用力矩,如圖3所示。外負荷對外骨骼髖關節(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，假設繞O點的轉(zhuǎn)動慣量為I，該系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù)L為

(1)

(2)

(3)

1.2 外負荷的力矩估算

由式(3)可知，當外負荷的質(zhì)量增大、質(zhì)心位置遠離O點，則外負荷對O點產(chǎn)生的力矩MO將增大。外負荷對O點力矩的變化將影響助力效果，外骨骼控制系統(tǒng)無法及時獲知負荷力矩的突然增大或減小，不能及時優(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，通過測量傳感器數(shù)據(jù)估算出外負荷對O點的實時力矩變化信息，可以及時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兩點處，外負荷通過傳感器與背架相連，在背架運動的過程中外負荷對背架的力矩信息可通過力傳感器測得。背架運動時測得的三維力分別為FAx、FAy、FBx和FBy，其方向如圖3所示。此時外負荷對O點產(chǎn)生的力矩滿足以下關系式(按照逆時針方向為正)：

(FAx+FBx)·lOD′-(FAy·lAD+FBy·lBD),

(4)

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

背架與外骨骼通過E點和O點連接。當外骨骼工作時，由人或外骨骼產(chǎn)生的外置動力源在E點處推動整個背架運動，其作用力Fw滿足：

Fw×lOE=

MO=(FAx+FBx)·lOD′-(FAy·lAD+FBy·lBD)，

(5)

式中，lOE是外動力源作用點到O點的長度。

1.3 外負荷重量、質(zhì)心位置與轉(zhuǎn)動慣量估算

質(zhì)心到O點的距離lOP及l(fā)OP與水平面的夾角θ′可以通過任意兩不同靜止姿態(tài)下測得的傳感器力矩信息和兩姿態(tài)相對夾角求得。假設現(xiàn)在靜止的任意兩種姿態(tài)下測得的外負荷對O點的力矩分別為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)

外負荷重量大小為：

(8)

由式(5)～(7)可得外負荷質(zhì)心位置參數(shù)：

(9)

由式(8)可求出外負荷轉(zhuǎn)動慣量：

(FAy·lAD+FBy·lBD)-GlOPcosθ1].

(10)

2 估算模型實驗裝置設計

為考核并驗證上述估算模型，根據(jù)外骨骼系統(tǒng)背架的使用特點，設計并搭建了估算模型實驗裝置，如圖4所示。本實驗裝置由背架、外負荷承載框架、液壓油缸、直線導軌、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，沒有相對運動，底部(即O點)與基座鉸接。為真實模擬外骨骼系統(tǒng)的尺寸大小和安裝方式，該實驗裝置與外骨骼樣機的桿件長度和配重位置基本保持一致。姿態(tài)傳感器位于圖4(b)中對稱軸上的C點正下方，外負荷承載框架與背架的3個連接點為S1、S2和S3，分別加裝三維力傳感器。3處連接點均采用鉸接的方式，以避免產(chǎn)生額外力矩作用。實驗時在外負荷承載框架中增減重物塊，通過程序控制油缸以替代人和外骨骼推動背架運動，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FPGA高速傳感器接口傳入嵌入式實時系統(tǒng)進行計算和分析，再將計算結(jié)果通過網(wǎng)絡傳入電腦進行顯示和保存。實驗流程和軟件界面分別如圖5、6所示。

3 負荷估算方法實驗及結(jié)果

實驗時首先選定任意兩個不同姿態(tài)的靜止狀態(tài)下讀取力和角度信息以估算lOP及θ′，為估算出外負荷重量G及轉(zhuǎn)動慣量I提供數(shù)據(jù)；之后控制油缸搖動背架并讀取傳感器信息。實驗采用4組不同質(zhì)量的重物塊作為外負荷，進行數(shù)據(jù)采集后，通過計算繪制出4組曲線，如圖7所示。從圖中可以看到，通過背架上三維力傳感器測得并估算的力矩值與油缸的等效作用力矩值基本吻合。

通過對實驗數(shù)據(jù)進行分析，在剔除了噪音等干擾之后，對實驗獲得的力矩信息進行數(shù)據(jù)處理，匯總?cè)绫?所示。表1中平均誤差為兩對比力矩差值的平均值。通過估算得到的外負荷重量和轉(zhuǎn)動慣量結(jié)果如表2所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果

表2 外負荷參數(shù)估算結(jié)果

實驗測試結(jié)果表明，使用三維力傳感器和姿態(tài)傳感器進行數(shù)據(jù)采集并對外負荷進行需求力矩的預估是相對準確的。本實驗中，由于傳感器采集信號出現(xiàn)噪音干擾、背架安裝位置不完全對稱導致其質(zhì)心偏離矢狀面以及理論模型的簡化等都可能造成結(jié)果出現(xiàn)偏差。從表1中可以看到，隨著外負荷增大，相對平均誤差值有所增加。

4 結(jié)束語

隨著技術發(fā)展，武器口徑不斷增大，在彈藥裝填和飛機掛載等方面，亟需解決士兵搬運過程中出現(xiàn)力量不夠和體力不支的問題，也對借助外骨骼進行彈藥裝填的技術提出了更高要求。筆者提出的外骨骼負載估算方法能為外骨骼控制系統(tǒng)提供外負荷產(chǎn)生力矩的實時信息，增強了火炮彈藥搬運和運輸外骨骼對外負荷變化的適應能力，為改善外骨骼系統(tǒng)運動和動力學模型提供了一個新的思路。同時，設計的估算模型實驗裝置可運用于估計不規(guī)則形狀和質(zhì)量的外負荷重力矩和轉(zhuǎn)動慣量，對后續(xù)研究開展具有重要意義。

該估算方法適用于研究外負荷與人體正中矢狀面貼近的應用場景，對于外負荷質(zhì)心偏離矢狀面較遠，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)動慣量的情況，將是下一步需要繼續(xù)探究的問題。