王亞平，何 龍，2，王希闊，2，3，胡燦燦，張 穎

(1.南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094； 2.中國兵器工業(yè)第二零八研究所， 北京 102202； 3.中國人民解放軍63850部隊， 吉林 白城 137001)

1 引言

使用背架攜帶負載相比軟質背包具有以下優(yōu)點：在背負大負載長距離運動時，背包形狀不會隨所裝物品擺放位置不同發(fā)生變化，保護使用者腰、背部不受包內物體戳、撞影響；允許使用者根據(jù)重量合理分配物品擺放位置，避免壓力集中于肩部或某一塊肌肉，重力分配更合理，提高運動過程中負載穩(wěn)定性；具有足夠的強度，能夠承載更大重量等[1-2]。

懸浮背架在單兵攜行具、徒步背包上有著良好的應用前景。美國研究表明，懸浮背架在步行或跑動時能夠大幅減少使用者背部、頸部、膝蓋以及腳踝處所受沖擊[3]。O’Donovan等[4]通過人體運動過程中足底壓力、軀干彎曲角度、臀角以及代謝成本等方面，對懸浮背架效能進行了評價。Sniezek等[5]采用主觀問卷調查收集了兩名士兵完成步行和慢跑試驗后對懸浮背架的評價。

根據(jù)人體在運動時背包重心位置的控制調節(jié)方式，懸浮背架分為被動式與主動式。被動式懸浮背架主要是利用彈簧等元件的力學特性對負載重心進行調整，Putra等[7]利用時鐘彈簧設計了一款無源式浮動背包，通過建立背包固有頻率的數(shù)學模型，得到了背包運動中振動幅值最大時所對應的運動狀態(tài)，通過減少該狀態(tài)下背包振動幅值達到減輕疲勞的目的； Martin J P等[8]計了一種使用彈簧加載的倒立擺懸掛承載裝置，通過與運動時人體重心在冠狀面的左右位移異步振蕩，實現(xiàn)減少由于背包左右晃動給人體帶來的壓力；Roee Keren等[9]構建了一個彈簧阻尼系統(tǒng)模擬人行走時攜帶背包的懸掛系統(tǒng)，通過在人與背包間添加可切換離合器來實現(xiàn)背包和身體的彈性/剛性連接狀態(tài)切換，最大限度減少能量消耗。

主動式懸浮背架是通過實時檢測人體運動過程中步頻、步幅或垂直方向加速度等運動狀態(tài)的變化及負載特性，進行緩沖特性動態(tài)調整，實現(xiàn)減少人體所受沖擊及做功的目的。Rome等[3]通過彈性元件將背包上下背架相連，通過控制彈性元件長度，調節(jié)背架緩沖元件剛度；Xie等[10]開發(fā)了一種頻率可調懸浮背架，通過調節(jié)機構改變彈簧拉伸比，以調節(jié)系統(tǒng)剛度，并利用人體動能進行發(fā)電儲能。

提出了基于緩沖特性控制的主動式懸浮背架，通過負載運動試驗，獲得基于人體肌肉肌電信號的積分肌電和中值頻率等肌肉發(fā)力及疲勞特性值，上/下背架豎直方向位移、負載加速度及負載做功值，對主動懸浮背架與普通背架的效能特性進行了對比，驗證了主動式懸浮背架的可行性，也為懸浮背架研制提供了理論支撐和參考依據(jù)。

2 主動式懸浮背架原理及結構

基于緩沖特性控制的主動式懸浮背架總體結構如圖1所示，采用了雙框架-滑輪原理，以背架框作為基本框架，其他模塊按整體布局要求放置于背架框上。上背板、下背板、背架框、導軌支座與導軌組成下背架，下背架與人體通過肩帶、腰封等連接；滑塊與背包架組成上背架，背包固定于背包架。上背架沿固定于下背架的導軌做往復運動。上、下背架間采用彈性繩相連，彈性繩固定于繩夾1，繩夾1通過拉力傳感器1和組成上背架的背包架相連，彈性繩繞過導向輪并穿過夾緊機構的夾緊輪，再次繞過導向輪后與繩夾2相連，繩夾2和拉力傳感器2相連，傳感器固定于下背架架體之上。

圖1 背架整體結構示意圖

彈性繩工作示意圖如圖2(a)所示。 圖2(b)中背包架與夾緊機構之間，加深顯示部分為彈性繩有效工作部分，起緩沖作用；圖2(c)中夾緊機構與拉壓力傳感器之間，加深顯示部分為彈性繩的非有效工作部分。使用舵機作為繩長調節(jié)執(zhí)行模塊，舵機安裝于背架底部以降低背架重心，舵機輸出軸與緩沖特性調節(jié)機構中夾緊輪固連。

圖2 彈性繩工作示意圖

緩沖機構剛度動態(tài)調整流程如下：主控芯片以1 s內運動參數(shù)均值作為輸入，傳遞給控制系統(tǒng)，計算得到舵機轉角，舵機控制信號控制舵機轉動，并通過拉力傳感器檢測彈性繩非有效工作段拉力，計算得到彈性繩長度改變量，以判斷是否為最佳有效工作繩長。舵機轉動帶動緩沖特性調節(jié)夾緊機構轉動，從而調整彈性繩有效工作段長度，實現(xiàn)剛度調節(jié)。

3 主動懸浮背架效能仿真分析

3.1 主動懸浮背架機電耦合動力學模型

建立了主動懸浮背架機電耦合動力學仿真模型，如圖3所示。圖3(a)的左圖為在ADAMS中建立的主動懸浮背架多體動力學模型。由于下背架與人體固連，因此人體運動作為輸入運動直接加載于下背架上。圖3(b)為在MATLAB中建立的繩長控制仿真模型。繩長控制模型接收來自動力學模型的輸出參數(shù)，計算出目標有效繩長，根據(jù)舵機參數(shù)中舵機最大轉速，計算出舵機最大轉角，獲得PWM脈沖寬度改變量，傳入舵機控制模型中，舵機轉角發(fā)生改變，實現(xiàn)彈性繩有效工作段長度的改變。新的繩長參數(shù)再傳回ADAMS模型，以此循環(huán)直到仿真結束。

為考察主動控制系統(tǒng)對于不同運動狀態(tài)的主動控制效果，假設人體運動振幅與頻率均為正弦函數(shù)。如圖3(a)中右側曲線所示，幅值為振動幅度50 mm，變化范圍從1～51 mm，周期為10 s的正弦波；頻率為幅值4，變化范圍從0.5～4.5，周期10 s的正弦波。因此，下背架隨時間變化的垂直方向位移曲線如圖4所示。

圖3 繩長控制仿真模型

圖4 下背架垂直方向位移曲線

通過仿真獲得繩長改變量情況如圖5所示，由于舵機響應時間和最小識別角度變化(0.87°)的影響，繩長變化值與期望值之間存在一定差異，但規(guī)律基本吻合。

圖5 有效繩長改變量曲線

3.2 不同背架動力學特性對比

首先進行了正常運動狀態(tài)條件(人體運動垂直振動幅值50 mm，步頻2.5 step/s)下普通背架、被動式懸浮背架、主動式懸浮背架的對比。圖6為上背架垂直方向位移、做功、加速度曲線?？煽闯鱿噍^于普通背架、被動式懸浮背架，采用主動式懸浮背架時上背架垂直方向上位移、做功、加速度均有顯著減小。與被動式背架相比，采用主動式懸浮背架時負載位移減小了30%、負載做功減小了50%、加速度減小了20%。

圖6 正常步態(tài)下3種背架性能曲線

不同人體步態(tài)條件下，懸浮背架效能的提高程度不一樣，對步態(tài)變化情況下背架的效能進行對比分析。假設人體運動振幅與頻率與圖3相同。圖7為上背架位移、做功、加速度曲線，可看出相較于普通背架、被動式懸浮背架，采用主動式懸浮背架時上背架垂直方向上位移、做功、加速度均有顯著減小。與被動式懸浮背架相比，采用主動式懸浮背架時位移減小了40%、做功減小了55%、加速度減小了20%，從位移和做功角度來看，主動式懸浮背架對變化步態(tài)具有更好的適應性。

4 主動懸浮背架效能試驗分析

4.1 試驗設計及評價指標

試驗選擇了3名身體健康狀況良好的男性志愿者作為被試者。被試者試驗前24 h內無劇烈體力消耗；試驗前兩周內無發(fā)燒、感染等炎癥，未服用藥物，無急慢性肌肉骨骼疾病。被試者基本信息：年齡25±3歲，身高175±8 cm，體重78±8 kg。

采用DELSYS表面肌電測試儀，具有16個采樣頻率4 000 Hz 的EMG通道，48個最大采樣頻率296 Hz的三維運動加速度通道。根據(jù)人體背負負載運動的動作特點，選取如圖8所示腿部肌肉進行肌電測試[14]。

圖7 變化步態(tài)下3種背架性能曲線

圖8 腿部肌肉肌電測試狀態(tài)

采用積分肌電值(IEMG)和中值頻率(MF)作為肌電信號評價指標。運動過程中肌電信號的幅值變化情況，與參與運動的肌纖維數(shù)量、肌肉收縮力的大小成正相關，在一定程度上反映了肌肉的疲勞情況，積分肌電值(IEMG)為一段時間內肌肉活動過程中的放電總和，是反映肌肉疲勞程度的重要時域指標[13]：

(1)

式(1)中：t1為肌電信號開始采集的時間點；t2為肌電信號結束采集的時間點；H(t)為t時刻肌電值。

隨著肌肉疲勞度的增加，肌肉運動單位發(fā)出的脈沖串時間間隔增加，從頻域角度獲得的中值頻率也降低。中值頻率是將頻譜分成上、下面積相等的兩部分的值所對應的頻率[12]，為了剔除干擾信號，對于肌電數(shù)據(jù)進行濾波處理后，中值頻率(MF)可表示為：

(2)

式(2)中：f為頻率；P(f)為功率譜密度估計函數(shù)；fmax為帶通濾波上限值。

同時采用Codamation三維運動捕捉系統(tǒng)，獲取上背架在垂直方向上的位移和加速度，對位移進行積分得到人體背負負載所做的功。由于運動捕捉系統(tǒng)視場范圍有限，三維運動捕捉試驗記錄時間設定為7 s。由于在初始運動時，背架上下振動較大，故在振動趨于平穩(wěn)后，運動捕捉系統(tǒng)開始記錄數(shù)據(jù)。

室內試驗環(huán)境25 ℃，無噪聲、強光和氣流等干擾。被試者在初始自然站立狀態(tài)下聽到命令后，依據(jù)節(jié)拍器以3 step/s的步頻勻速行走，時長12 min，重復5組，每組試驗結束后被試者摘下背架，休息1 h以上，以保證肌肉得到充分休息。試驗現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 試驗現(xiàn)場圖

4.2 下肢肌肉積分肌電對比分析

由于3位被試者下肢肌肉積分肌電值變化規(guī)律基本一致，故選取被試者2數(shù)據(jù)進行具體分析。被試者背負普通無緩沖背架和主動式懸浮背架下，積分肌電值如表1所示。積分肌電變化規(guī)律如圖10所示。可以看出：2種背架下肌肉發(fā)力規(guī)律不太一致，主動式懸浮背架下腓腸肌外側積分肌電值最大，無緩沖背架下股內側肌積分肌電值最大。與無緩沖背架相比，主動式懸浮背架下大部分肌肉積分肌電值降低了，其中股內側肌降低最為顯著；但腓腸肌外側積分肌電值增加了。整體上，采用主動式懸浮背架時被試者肌肉發(fā)力程度減小。

表1 肌肉積分肌電值 Table 1 IEMG v·s

圖10 2種背架下積分肌電變化曲線

4.3 下肢肌肉中值頻率對比分析

針對濾波后的數(shù)據(jù)采用修正平均周期圖法，利用2 s時間段內肌電信號數(shù)據(jù)點求取功率譜，計算出對應的中值頻率[16]。再間隔1 s截取下一個2 s時間段的數(shù)據(jù)點獲取下一個中值頻率，以此類推求得整個過程的中值頻率。

為方便觀察中值頻率變化規(guī)律，對中值頻率曲線進行了二次曲線擬合。由于體質和鍛煉水平不同，不同個體間同一肌肉在肌肉強壯性和肌肉抗疲勞能力上存在很大差異。因此3位被試者的肌肉中值頻率特性規(guī)律存在較大差異，針對不同被試者的情況分別進行了分析。2種背架下不同肌肉的中值頻率擬合曲線如圖11。

被試者1在主動式懸浮背架下不同肌肉MF值存在較明顯差別，股外側肌與腓腸肌外側肌肉興奮度逐步提高，MF值未向低頻移動，在運動中后期出現(xiàn)疲勞趨勢；而脛骨前肌與比目魚肌在運動開始即出現(xiàn)了MF值的大幅降低，在中后期MF值向高頻移動，肌肉疲勞緩解。無緩沖背架下各肌肉MF值變化規(guī)律較為一致，股外側肌、股內側肌、脛骨前肌與股直肌在運動初期即發(fā)生MF值下移；腓腸肌外側在運動前期肌肉興奮度提高，在運動中期出現(xiàn)疲勞；比目魚肌變化不明顯。

圖11 2種背架下MF變化擬合曲線

被試者2在2種背架狀態(tài)下，所有肌肉的MF值整體上呈現(xiàn)向高頻移動的趨勢，主動式懸浮背架下股外側肌與股內側肌在運動后期出現(xiàn)MF值低頻移動趨勢，無緩沖背架下六塊肌肉在運動后期均出現(xiàn)低頻移動趨勢。

被試者3在主動式懸浮背架下，股直肌在運動開始即出現(xiàn)了MF值降低，在運動后期MF值向高頻移動；腓腸肌外側在運動中后期出現(xiàn)MF值下移；其他肌肉均呈現(xiàn)向高頻移動的趨勢。在無緩沖背架下，股直肌運動開始即出現(xiàn)了MF值大幅度降低，在運動中后期MF值向高頻移動；比目魚肌在運動后期MF值向低頻移動；股內側肌在運動過程中MF值一直處于低頻移動趨勢；其他肌肉變化不明顯。

將被試者運動結束時的MF與開始時的MF比較，獲得MF降低的肌肉數(shù)量，再對整個運動過程中MF出現(xiàn)低頻移動的肌肉數(shù)量進行統(tǒng)計，結果如表2所示?？梢钥闯鲈谥鲃邮綉腋”臣芟鲁霈F(xiàn)MF降低及有降低趨勢的肌肉數(shù)目均不大于無緩沖背架。

表2 2種背架下MF變化

4.4 背架緩沖性能分析

由于3位被試者2種背架狀態(tài)下的三維運動數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本一致，故選取被試者2數(shù)據(jù)進行具體分析，如圖12為被試者在2種背架的上背架位移曲線、加速度及做功。

圖12 上背架位移、加速度、做功曲線

從上背架位移曲線對比來看，2種背架振動頻率基本一致，存在時間相位差，主動式懸浮背架下平均振幅約為35 mm，無緩沖背架下平均振幅約為65 mm，振動幅度減小了46%；加速度減少了48%；做功減少了21%。

5 結論

1) 主動式懸浮背架能夠大幅度減少人體做功，對變化步態(tài)具有更好的適應性。

2) 與無緩沖背架相比，主動式懸浮背架下人體肌肉積分肌電普遍更低，腿部肌肉MF降低及有降低趨勢的數(shù)目均不大于無緩沖背架；垂直方向上的振動幅度減少了46%，加速度減少了48%，人體做功減少了21%。

提出的主動式懸浮背架具有更好地緩沖性能，可以有效緩解人體肌肉疲勞度。