周加永，胡 浩，范天峰，王保華，馮博琳

（1.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099；2.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081；3.西安軍代局駐咸陽(yáng)地區(qū)軍代室，陜西 咸陽(yáng) 712099）

0 引言

在軍事變革迅猛發(fā)展的今天，單兵已經(jīng)成為未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中最基本、最重要的作戰(zhàn)平臺(tái)。隨著科技的進(jìn)步以及裝備種類(lèi)越來(lái)越齊全，高強(qiáng)度和高消耗已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的主要特點(diǎn)，為適應(yīng)作戰(zhàn)任務(wù)多樣化要求，各國(guó)士兵們隨身攜帶的武器裝備越來(lái)越多，負(fù)重越來(lái)越大，導(dǎo)致士兵容易疲勞，飽受肌肉酸痛以及關(guān)節(jié)炎的苦惱。因此，增強(qiáng)士兵體能，避免骨骼肌肉損傷，增強(qiáng)單兵戰(zhàn)斗力是亟需解決的重要問(wèn)題，在此趨勢(shì)下，利用技術(shù)措施增強(qiáng)士兵的體能，避免骨骼肌肉損傷已成為各國(guó)軍方的研究熱點(diǎn)。在實(shí)際軍事應(yīng)用需求牽引下，能夠有效提高單兵體能的單兵助力機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，單兵助力機(jī)器人是一種模仿人體外骨骼而開(kāi)發(fā)的新型一體化裝置，集成了信息感知、信息融合和智能控制等技術(shù)，穿戴在士兵身上，將士兵的智力和外骨骼的“體力”完美結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)為士兵提供額外力量支撐和運(yùn)動(dòng)輔助等功能。

目前，美國(guó)的HULC、Soft Exosui、Onyx、TALOS、XOS2，俄羅斯的Rantnik-3、法國(guó)的Hercules、土耳其的ASYA 以及韓國(guó)的LEXO 等單兵助力機(jī)器人都依靠電力提供動(dòng)力輔助，能為士兵提供有效的助力，然而對(duì)電力的依賴(lài)也使單兵助力機(jī)器人的應(yīng)用受到限制?，F(xiàn)有的電池技術(shù)無(wú)法持久地為單兵助力機(jī)器人提供能量，電力很有可能在任務(wù)中途就耗盡，嚴(yán)重影響單兵助力機(jī)器人在戰(zhàn)場(chǎng)上的持續(xù)使用。單兵無(wú)源助力機(jī)器人無(wú)需外部能源，運(yùn)用生物力學(xué)和人體運(yùn)動(dòng)負(fù)重管理，通過(guò)機(jī)械杠桿，將士兵負(fù)重轉(zhuǎn)移到身體上的合理位置，能夠協(xié)助士兵在戰(zhàn)場(chǎng)上負(fù)載裝備，而不影響士兵的戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作。最近幾年歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)無(wú)源助力機(jī)器人進(jìn)行了深入研究，并有比較成熟的單兵無(wú)源助力機(jī)器人進(jìn)行了戰(zhàn)場(chǎng)試用。典型代表有加拿大仿生動(dòng)力公司的被動(dòng)式可穿戴柔性外骨骼Power Walk、加拿大MAWASHI 公司的UPRISE 無(wú)動(dòng)力柔性外骨骼、澳大利亞DST 的OX 無(wú)動(dòng)力柔性外骨骼、俄羅斯的JSCGB 工程公司的K2 被動(dòng)柔性外骨骼系統(tǒng)，以及美國(guó)洛克希德馬丁公司的FORTITS 等。我國(guó)在單兵無(wú)動(dòng)力助力機(jī)器人研究方面也取得了一定的成果，近日我國(guó)某單兵無(wú)源助力機(jī)器人已在海拔5 000 m 的西藏阿里地區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，能為戰(zhàn)士在高原負(fù)重巡邏中提供一定程度的助力。

國(guó)內(nèi)外單兵無(wú)源助力機(jī)器人，雖然取得了不錯(cuò)的成果，有的還在野外環(huán)境下進(jìn)行了測(cè)試，但是大都用于單兵負(fù)重，真正能滿足高原、山地、叢林、城市等復(fù)雜地形環(huán)境作戰(zhàn)的并不多。為此，亟需對(duì)功能完善的單兵無(wú)源助力機(jī)器人進(jìn)行研究，以滿足未來(lái)野戰(zhàn)行軍、高原巡邏、山地/城市作戰(zhàn)等特定軍事任務(wù)，增強(qiáng)士兵體能、減少人體代謝消耗、減輕和預(yù)防士兵損傷，為新一代單兵綜合系統(tǒng)提供高效的局部關(guān)節(jié)和全身助力解決方案。本文以實(shí)際軍事應(yīng)用需求為牽引，從設(shè)計(jì)要求入手，設(shè)計(jì)了一款適合單兵功能齊全的無(wú)源仿生助力機(jī)器人，能為單兵提供有效的助力、防護(hù)，并且不影響單兵的戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作。

1 單兵助力機(jī)器人仿生設(shè)計(jì)

以人為中心，以戰(zhàn)術(shù)任務(wù)完成為根本，從功能需求出發(fā)反演推斷進(jìn)行設(shè)計(jì)，在滿足生理尺寸的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究匹配運(yùn)動(dòng)自由度和可達(dá)范圍。為實(shí)現(xiàn)單兵戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作，整套單兵無(wú)源助力機(jī)器人采用仿人設(shè)計(jì)，共有40 個(gè)自由度配置，其中，肩部承重支撐護(hù)板具有1 個(gè)俯仰自由度配置。仿生脊柱串聯(lián)椎骨結(jié)構(gòu)，各椎骨間采用長(zhǎng)度可調(diào)式鋼管結(jié)構(gòu)，每個(gè)椎骨具有3 自由度（共計(jì)24 個(gè)自由度），分別是實(shí)現(xiàn)背部前后運(yùn)動(dòng)、左右運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。腰部滑環(huán)與單側(cè)髖關(guān)節(jié)配合具有5 自由度特征，分別是：腰部寬度自動(dòng)調(diào)整自由度、腰帶的腰部隨形自由度、髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋/外旋自由度、髖關(guān)節(jié)屈/伸自由度、髖關(guān)節(jié)外擺/內(nèi)收自由度等。單側(cè)膝關(guān)節(jié)具有2 自由度特征，可完成膝關(guān)節(jié)屈/伸的轉(zhuǎn)動(dòng)、矢狀面的滑移。單側(cè)踝關(guān)節(jié)具有3 自由度特征，可完成踝關(guān)節(jié)的屈/伸、內(nèi)旋/外旋、外擺/內(nèi)收等動(dòng)作。

單兵助力機(jī)器人是一種靈巧性仿生機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，系統(tǒng)在人機(jī)運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性、協(xié)調(diào)性、輕量化、承載能力等之間存在先天矛盾，需要采取各種技術(shù)手段予以平衡和化解。為降低士兵負(fù)重時(shí)體能消耗、保護(hù)骨骼肌肉免授損傷，設(shè)計(jì)了無(wú)源助力機(jī)器人樣機(jī)，如下頁(yè)圖1 所示，該樣機(jī)人機(jī)功效好，適應(yīng)性強(qiáng)，具備關(guān)節(jié)保護(hù)功能和模塊化掛接接口并能與單兵綜合系統(tǒng)有效集成。

圖1 單兵助力機(jī)器人

單兵助力機(jī)器人主要由仿生靈巧型機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，主要包括負(fù)載掛接接口、仿生脊椎塊、胸部支撐、腰部滑環(huán)、腰部弧形導(dǎo)軌、長(zhǎng)度補(bǔ)償型髖關(guān)節(jié)、四邊形鉸鏈?zhǔn)较リP(guān)節(jié)、空間異形薄壁大小腿、身高調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、支撐保護(hù)型踝關(guān)節(jié)等組成，系統(tǒng)組成如圖2 所示。單兵助力機(jī)器人重量小于4.5 kg，可承載40 kg 的額定負(fù)荷，并能達(dá)到60%的平均助力承載效率；人機(jī)工效好，適應(yīng)性強(qiáng)，不影響單兵戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作。該機(jī)器人特點(diǎn)明顯，主要體現(xiàn)在：1）具備脊柱、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等部位的支撐保護(hù)功能；2）備掛接模塊化防護(hù)組件的功能；3）能與單兵綜合系統(tǒng)有效集成（含前胸后背防彈板及單兵戰(zhàn)術(shù)背包）；4）胸背部具有將掛接載荷重量通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)傳遞到助力機(jī)器人構(gòu)架上的能力；5）系統(tǒng)機(jī)構(gòu)采用免工具調(diào)節(jié)與快拆快裝模塊化設(shè)計(jì)。

圖2 單兵助力機(jī)器人組成框圖

1.1 變剛度柔順?lè)律怪脑O(shè)計(jì)

單兵助力機(jī)器人為適應(yīng)人的生理特點(diǎn)，脊柱采用了變剛度的柔順設(shè)計(jì)，如圖3 所示，一方面可實(shí)現(xiàn)負(fù)重力外傳遞，另一方面脊柱關(guān)節(jié)所提供的附加自由度能夠產(chǎn)生更加靈活的運(yùn)動(dòng)形式。彈性材料受到軸向壓縮時(shí)，其剛度會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)彈性材料的這種力學(xué)特性，設(shè)計(jì)了一種由剛性材料和彈性材料相互串聯(lián)組成的可變剛度脊柱結(jié)構(gòu)，這種可變剛度結(jié)構(gòu)類(lèi)似于人的身體結(jié)構(gòu)中由剛性椎骨和彈性椎間盤(pán)組成的脊柱。在可變剛度脊柱結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)有彈簧、支撐件和彈性體，串聯(lián)在一起。做彎腰動(dòng)作時(shí)，可變剛度脊柱結(jié)構(gòu)中的彈性材料受到軸向壓縮，從而增加了可變剛度脊柱結(jié)構(gòu)的彎曲剛度。反之，當(dāng)外負(fù)載撤銷(xiāo)時(shí)，可變剛度脊柱結(jié)構(gòu)的彎曲剛度又會(huì)減小。因此，根據(jù)負(fù)載重物重量的不同，脊柱內(nèi)的彈性體會(huì)發(fā)生不同程度的變形，進(jìn)而調(diào)節(jié)脊柱的彎曲剛度。椎骨采用仿人體椎骨結(jié)構(gòu)，中間有孔用于安裝脊柱，兩側(cè)由留有穿繩孔用于多節(jié)椎骨的而連接，內(nèi)側(cè)中心設(shè)計(jì)有圓弧結(jié)構(gòu)為人體脊柱讓位，兩側(cè)邊翼為平面結(jié)構(gòu)與人體豎脊肌貼合。為實(shí)現(xiàn)對(duì)人體胸部的保護(hù)，在椎骨的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了胸部支撐錐塊。胸部支撐錐塊與胸部支撐件可組成封閉環(huán)形結(jié)構(gòu)，在匍匐、趴、臥等狀態(tài)下為人提供支撐力。

圖3 仿生脊柱結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 仿生關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)

1.2.1 長(zhǎng)度補(bǔ)償型髖關(guān)節(jié)

髖關(guān)節(jié)是由一個(gè)球形股骨頭與凹形的髖臼組成的杵臼（球窩）式滑膜關(guān)節(jié)，是典型的三軸關(guān)節(jié)或稱(chēng)多軸關(guān)節(jié)，具有3DOF，即可在3 個(gè)相互垂直的運(yùn)動(dòng)軸上作屈伸、收展、旋轉(zhuǎn)等多方向的運(yùn)動(dòng)，是全身位置最深的關(guān)節(jié)，構(gòu)造既堅(jiān)固又靈活，將軀干的重量傳達(dá)至下肢，具有重要的負(fù)重和活動(dòng)功能。伸屈活動(dòng)時(shí)，股骨頭沿橫軸在髖臼內(nèi)旋轉(zhuǎn)，但大腿內(nèi)外旋轉(zhuǎn)時(shí)，是以股骨頭中心至股骨踝間凹連線作為其活動(dòng)的軸心。因此，股骨頭在髖臼內(nèi)還有極為微小的滑行。髖關(guān)節(jié)的活動(dòng)受到肌肉韌帶限制，其運(yùn)動(dòng)范圍如下：前屈130°～150°，后伸10°～15°，內(nèi)收20 °～30 °，外展30 °～40 °，外旋40 °～50 °，內(nèi)旋屈髖時(shí)為40°～40°。為適應(yīng)人體髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)了3 個(gè)自由度，如圖4 所示。

圖4 長(zhǎng)度補(bǔ)償性髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖

人體站立狀態(tài)和擺腿狀態(tài)下髖關(guān)節(jié)骨頭旋轉(zhuǎn)點(diǎn)是不一樣的，或者說(shuō)人體腿部從豎直狀態(tài)到擺動(dòng)狀態(tài)髖節(jié)骨頭發(fā)生了滑移，髖節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心發(fā)生了轉(zhuǎn)變，外骨骼系統(tǒng)髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心和人體的髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心將會(huì)不重合，這將會(huì)導(dǎo)致外骨骼系統(tǒng)與人體的貼合性變得很差，更有甚者會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，大大地影響了穿戴外骨骼系統(tǒng)的舒適性，為此在髖關(guān)節(jié)處設(shè)計(jì)了腿長(zhǎng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。腿長(zhǎng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)是髖關(guān)節(jié)的一部分，當(dāng)向外擺動(dòng)腿時(shí)，外骨骼系統(tǒng)的機(jī)械腿在擺動(dòng)件的帶動(dòng)下沿著導(dǎo)向圓弧面向上運(yùn)用，從而補(bǔ)償人體腿長(zhǎng)的變化量。

1.2.2 四邊形鉸鏈?zhǔn)较リP(guān)節(jié)

膝關(guān)節(jié)由股骨下端、脛骨上端和髕骨構(gòu)成，是人體最大最復(fù)雜的關(guān)節(jié)，屬滑車(chē)球狀關(guān)節(jié)，能作屈伸運(yùn)動(dòng)，屈可達(dá)130°，伸不超過(guò)10°。在屈膝狀態(tài)下，可作屈位微小的旋內(nèi)、旋外運(yùn)動(dòng)。在正常步行中，由于屈膝幅度不會(huì)很大，屈位微小膝關(guān)節(jié)的生理結(jié)構(gòu)也是球狀關(guān)節(jié)，嚴(yán)格講屬于球副，只是由于膝關(guān)節(jié)韌帶繃緊的原因，只能在矢狀面運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明，膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是矢狀面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)與滑移的復(fù)合。

由膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)屬性可知，在建立與下肢運(yùn)動(dòng)功能相近的剛體骨骼模型膝關(guān)節(jié)除具有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度外，關(guān)節(jié)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心還與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的滑移運(yùn)動(dòng)。因此，在骨骼模型中不宜直接采用單自由度轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)對(duì)膝關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)等效。可行的方法是借鑒人體下假肢膝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)技術(shù)，根據(jù)生物膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角與其瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心軌跡的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)構(gòu)型與相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化，設(shè)計(jì)出與人體膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能相近的膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，如圖5 所示。所設(shè)計(jì)的四邊形鉸鏈?zhǔn)较リP(guān)節(jié)能較好地匹配人體下肢膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，提高了助力機(jī)器人與穿戴者的貼合性，增加了舒適度。

圖5 四邊形鉸鏈?zhǔn)较リP(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖

1.2.3 并聯(lián)雙助力踝關(guān)節(jié)

踝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)主要是由鞋托、U 型傳力架、鞋托銷(xiāo)軸、限位件、小腿調(diào)節(jié)桿和U 型傳力架銷(xiāo)軸等組成，如圖6 所示。在穿戴時(shí)，穿戴者首先穿上鞋托，通過(guò)快速旋鈕綁縛住穿戴者的鞋；然后將小腿調(diào)節(jié)桿插入小腿孔中，調(diào)整好尺寸，通過(guò)凸輪旋鈕快速將調(diào)整桿鎖緊。當(dāng)負(fù)重時(shí)，小腿機(jī)構(gòu)承擔(dān)的力通過(guò)調(diào)節(jié)桿傳到銷(xiāo)軸，然后由鉸軸經(jīng)U 型傳力架分兩路傳到鞋托，進(jìn)而將力傳導(dǎo)到地面。

圖6 踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)與裝配示意圖

1.3 功能性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.3.1 身高自適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)

為適應(yīng)不同身高的穿戴者，單兵助力機(jī)器人的大小腿長(zhǎng)度需要作調(diào)整。大小腿長(zhǎng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)均采用了模塊化、免工具的設(shè)計(jì)，提高了調(diào)整的快速性。大腿長(zhǎng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如下頁(yè)圖7 所示，采用了齒形配合的結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)旋鈕調(diào)節(jié)大腿與調(diào)節(jié)件的位置可實(shí)現(xiàn)大腿長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)。小腿長(zhǎng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖8所示，采用了套管與桿件通過(guò)鎖緊裝置來(lái)改變桿件在套管內(nèi)的相對(duì)位置，通過(guò)鎖緊裝置可實(shí)現(xiàn)小腿長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)。

圖7 大腿長(zhǎng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖8 小腿長(zhǎng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1.3.2 輕量化包裹式支撐腿

單兵助力機(jī)器人為了增強(qiáng)穿戴的舒適性、貼合性、防護(hù)性，大小腿采用了包裹式機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)大小腿主要肌肉的走向，在不影響穿戴者動(dòng)作的前提下設(shè)計(jì)了包裹式大小腿結(jié)構(gòu)，如圖9 所示。該結(jié)構(gòu)為空間異形薄壁件結(jié)構(gòu)，采用常規(guī)的三維實(shí)體建模軟件設(shè)計(jì)比較繁瑣，且很多結(jié)構(gòu)特征難以實(shí)現(xiàn)。為了提高設(shè)計(jì)效率，提高零件的設(shè)計(jì)精度，采用了三維工業(yè)設(shè)計(jì)建模軟件Rhino 與三維實(shí)體建模軟件Inventor，聯(lián)合完成了大小腿的包裹性設(shè)計(jì)。

圖9 包裹性大小腿結(jié)構(gòu)圖

所設(shè)計(jì)的單兵助力機(jī)器人整體采用人體三維仿形設(shè)計(jì)與輕量一體化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)有踝、膝、髖關(guān)節(jié)屈伸、腰部轉(zhuǎn)動(dòng)、脊柱彎曲及轉(zhuǎn)動(dòng)等動(dòng)作。優(yōu)化的傳動(dòng)裝置可使士兵完成匍匐前進(jìn)和下蹲等動(dòng)作。助力機(jī)器人背部設(shè)計(jì)了一個(gè)背負(fù)裝置，使肩膀的負(fù)重均勻地分散到士兵其他部位，減輕負(fù)重力。通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，士兵穿戴這套助力機(jī)器人后能夠背負(fù)重達(dá)40 kg 的背包執(zhí)行任務(wù)。由于不需要任何電源，在執(zhí)行任務(wù)時(shí)很安全，也方便士兵對(duì)它進(jìn)行維修。

2 關(guān)鍵零部件有限元分析

2.1 助力原理分析

負(fù)外負(fù)載行走狀態(tài)下的示意圖如圖10 所示，在圖中紅色剪頭代表外負(fù)載力的傳遞路線，綠色箭頭表示人機(jī)交互力。外負(fù)載力通過(guò)負(fù)載掛接接口將力傳遞到脊柱上，脊柱在外力的作用下由“柔”變“剛”將力傳遞到腰板上，力的方向發(fā)生變化，經(jīng)由腰部機(jī)構(gòu)和髖關(guān)節(jié)傳遞到大腿上，再通過(guò)膝關(guān)節(jié)四邊形鉸鏈?zhǔn)较リP(guān)節(jié)傳遞到小腿，最終通過(guò)踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)件將力傳遞到地面上。

圖10 背負(fù)外負(fù)載負(fù)載行走狀態(tài)力傳遞示意圖

行走時(shí)，一條腿處于支撐相用于傳遞負(fù)重力，另一條腿處于擺動(dòng)相。負(fù)載力向下傳遞經(jīng)大腿傳遞到小腿時(shí)，大腿的結(jié)構(gòu)將傳力路徑一分為二，由于單腿膝關(guān)節(jié)采用內(nèi)外側(cè)四邊形鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，處于支撐相的腿每個(gè)四邊形鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)傳遞二分之一的負(fù)載力，并作用在小腿上，由于小腿的結(jié)構(gòu)將傳力路徑由二合一，最終實(shí)現(xiàn)通過(guò)踝關(guān)節(jié)傳遞到地面。在向下傳遞負(fù)載力的同時(shí)，縱向力會(huì)有一部分轉(zhuǎn)換為肩帶、腰帶、大小腿綁縛帶的水平壓力，由于各處綁帶采用了大幅面包裹式設(shè)計(jì)，能將水平壓力分布在穿戴者的各部位，消除了穿戴者某一部位受力過(guò)大產(chǎn)生的不適感。

2.2 柔性脊柱第一脊椎受力分析

第一脊椎是仿生脊椎的第一節(jié)，承擔(dān)著前部和背部外部任務(wù)模塊和背負(fù)載荷的作用，其上的左右兩側(cè)耳軸是主要的受力部位。對(duì)其進(jìn)行多種模擬載荷下的分析是脊柱功能完整的保證。

有限元分析時(shí)，將建立好的三維模型另存為igs通用格式文件導(dǎo)入到有限元軟件ANSYS Workbench 中，對(duì)椎體進(jìn)行材料屬性的定義網(wǎng)格劃分時(shí)采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分法，并設(shè)置Relevance 為100，設(shè)置Relevance Center（相關(guān)中心）為Medium（中等），劃分好的有限元網(wǎng)格模型如圖11 所示。

圖11 第一脊椎塊有限元模型

在對(duì)第一脊椎塊進(jìn)行仿真分析時(shí)，結(jié)合實(shí)際第一脊椎塊的受力情況，將模擬椎體擠壓載荷、模擬椎體前屈載荷、模擬椎體扭轉(zhuǎn)載荷、模擬左右耳軸載荷等載荷同時(shí)施加到椎體，具體載荷設(shè)置如圖12 所示。

圖12 模擬椎體復(fù)合載荷邊界條件

通過(guò)有限元分析求解，得到的第一脊椎塊變形、應(yīng)力云圖如圖13 所示。

圖13 椎體的應(yīng)力分布云圖

通過(guò)有限元分析求解，椎體的最大變形量發(fā)生在耳軸部位，最大變形為0.03 mm，最大應(yīng)力值為21.4 MPa。通過(guò)上述分析椎體的變形和應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和剛度要求。

2.3 下肢靜力學(xué)分析

對(duì)單兵助力機(jī)器人施加約束，約束為單兵助力機(jī)器人下肢固定約束，即是在單兵助力機(jī)器人與地面接觸的部位施加固定約束。單兵助力機(jī)器人固定約束施加與人體下肢在一個(gè)正常步態(tài)周期內(nèi)各個(gè)位姿下的腳與地面接觸部位相同載荷加載。

2.3.1 大腿有限元仿真

模擬足跟著地時(shí)載荷：足跟著地時(shí)，左腳腳尖處和右腳腳跟著地，在左右髖關(guān)節(jié)上各施加1 000 N的垂向力，保留其沿著銷(xiāo)孔處的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖14 所示。

圖14 大腿有限元模型

在設(shè)置完約束和載荷邊界條件后，經(jīng)過(guò)ANSYS Workbench 進(jìn)行計(jì)算得到應(yīng)力值，其分析結(jié)果如圖15 所示。

圖15 大腿的應(yīng)力分布云圖

通過(guò)有限元分析求解，椎體的最大變形量發(fā)生在掛齒處部位，最大變形為0.56 mm，最大應(yīng)力值為231 MPa。通過(guò)上述分析大腿的變形和應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和剛度要求。

2.3.2 小腿有限元仿真

模擬足跟著地時(shí)載荷：足跟著地時(shí)，左腳腳尖處和右腳腳跟著地，在左右髖關(guān)節(jié)上各施加1 000 N的垂向力，保留其沿著銷(xiāo)孔處的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖16 所示。

圖16 小腿有限元模型

在設(shè)置完約束和載荷邊界條件后，經(jīng)過(guò)ANSYS Workbench 進(jìn)行計(jì)算得到應(yīng)力值，其分析結(jié)果如圖17 所示。

圖17 小腿的應(yīng)力分布云圖

通過(guò)有限元分析求解，椎體的最大變形量發(fā)生在膝關(guān)節(jié)連接銷(xiāo)部位，最大變形為0.14 mm，最大應(yīng)力值為33 MPa。通過(guò)上述分析小腿的變形和應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和剛度要求。

3 單兵助力機(jī)器人的應(yīng)用前景

單兵助力機(jī)器人能在不同的應(yīng)用場(chǎng)景，在城市、高原、山地等復(fù)雜地形環(huán)境作戰(zhàn)中對(duì)士兵機(jī)動(dòng)性及體能進(jìn)行增強(qiáng)，并為新一代單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)增加體系貢獻(xiàn)率，保持單兵裝備技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)總體優(yōu)勢(shì)，具體可在以下的場(chǎng)景中應(yīng)用：1）高原山地叢林環(huán)境單兵后勤物資裝備補(bǔ)給，高原邊防巡邏單兵攜行輔助助力，抗震搶險(xiǎn)車(chē)輛無(wú)法通行地段的重要物資運(yùn)輸保障，嵌入防化、防核輻射服減輕人員勞動(dòng)強(qiáng)度等。2）高原山地長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)距離的邊防巡邏，高頻度的聯(lián)合演習(xí)和高強(qiáng)度實(shí)戰(zhàn)化的訓(xùn)練對(duì)士兵進(jìn)行有效保護(hù)和防護(hù)，高強(qiáng)度長(zhǎng)時(shí)間的城市維穩(wěn)、處突防爆的武警特戰(zhàn)、戰(zhàn)場(chǎng)救援等。3）公路、鐵路沿線軍需站的物資人工搬運(yùn)輔助助力，彈藥倉(cāng)庫(kù)小批量物資的人工搬運(yùn)輔助助力，試驗(yàn)場(chǎng)/靶場(chǎng)彈藥發(fā)射試驗(yàn)的物資搬運(yùn)輔助助力，中大口徑牽引式火炮裝填輔助助力、飛機(jī)掛接導(dǎo)彈助力、盾牌掛接助力等。4）戰(zhàn)傷人員的快速轉(zhuǎn)移、長(zhǎng)時(shí)間的手術(shù)協(xié)助、醫(yī)療衛(wèi)生用品的快速補(bǔ)給、需要背負(fù)或搬運(yùn)的其他場(chǎng)景等。5）現(xiàn)代化戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下綜合作戰(zhàn)，通過(guò)單兵助力機(jī)器人可以讓士兵有效地配備防護(hù)系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)系統(tǒng)，以加強(qiáng)步兵戰(zhàn)斗力和防護(hù)性。同時(shí)，步兵在作戰(zhàn)中需要根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的變化，及時(shí)利用有利地形隱蔽和偽裝自己，提高奔跑、跳躍、攀爬等快速運(yùn)動(dòng)能力，對(duì)敵實(shí)施有效打擊。

總之，單兵助力機(jī)器人在單兵作戰(zhàn)方面要減輕士兵負(fù)重感、提升行走速度、降低體能消耗、提升救護(hù)效率，增強(qiáng)單兵作戰(zhàn)效能；在作業(yè)方面要降低士兵的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高作業(yè)效率、降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)單兵作業(yè)效能。

4 結(jié)論

本文從應(yīng)用場(chǎng)景需求、設(shè)計(jì)指標(biāo)要求及助力原理出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種無(wú)動(dòng)力單兵助力機(jī)器人，通過(guò)仿生、輕量化及功能化的設(shè)計(jì)，保證了所設(shè)計(jì)的單兵助力機(jī)器人滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。通過(guò)對(duì)單兵助力機(jī)器人進(jìn)行有限元分析，仿真結(jié)果可以看出強(qiáng)度完全滿足40 kg 重物背負(fù)的要求，并且還有進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)的空間。無(wú)動(dòng)力單兵助力機(jī)器人無(wú)需外部能源，能夠滿足長(zhǎng)時(shí)間的使用需求，運(yùn)用生物力學(xué)和人體運(yùn)動(dòng)負(fù)重機(jī)理，通過(guò)機(jī)械杠桿將士兵負(fù)重轉(zhuǎn)移到身體上的合理位置，能夠協(xié)助士兵在戰(zhàn)場(chǎng)上攜帶更多的裝備而不影響士兵的戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作，應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，對(duì)提高單兵綜合作戰(zhàn)效能具有重要意義。