單兵外骨骼結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)分析

摘 要:單兵外骨骼是一種通過(guò)穿戴在士兵身上，提高人體負(fù)荷和速度，含有動(dòng)力源的機(jī)械裝置。由于可以攜帶更多的重物，并輔助加快運(yùn)動(dòng)速度，因此在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，如長(zhǎng)距離行走、運(yùn)送給養(yǎng)、防護(hù)等方面，應(yīng)用前景巨大，能有效提高士兵生存幾率和作戰(zhàn)效率。本文通過(guò)分析機(jī)械外骨骼技術(shù)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)，探討將該技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代單兵裝備的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:外骨骼工作機(jī)理下肢自由度軌跡跟蹤步態(tài)穩(wěn)定性

中圖分類號(hào):TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)05(a)-0224-02

1引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，武器裝備水平越來(lái)越成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)勝利的重要保證。作戰(zhàn)部隊(duì)規(guī)模小、作戰(zhàn)消耗高成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)基本特征。同時(shí)，反恐戰(zhàn)爭(zhēng)等新形式的武裝打擊對(duì)單兵裝備要求越來(lái)越高，單兵負(fù)荷也隨之增大，以單兵每天平均物資消耗為例，二戰(zhàn)時(shí)20kg，越南戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)是90kg，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)已經(jīng)達(dá)到了200kg，因此作為一種可以讓士兵通過(guò)穿戴，從而提供支撐重量，輔助運(yùn)動(dòng)等功能效果的機(jī)械裝置，單兵外骨骼機(jī)構(gòu)可以幫助士兵更好的完成戰(zhàn)斗任務(wù)。2000年，美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究項(xiàng)目局資助研究增強(qiáng)士兵機(jī)能的外骨骼(EHPA)的項(xiàng)目，目的旨在開發(fā)一種對(duì)外界環(huán)境變化有著智能識(shí)別并適應(yīng)的外骨骼系統(tǒng)，通過(guò)試驗(yàn)，士兵載重能力，行動(dòng)速度成倍提高，并能有效抵御輕武器彈藥襲擊（如圖1）。

2結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)分析

2.1 外骨骼組成及運(yùn)動(dòng)機(jī)理

其機(jī)械結(jié)構(gòu)由多桿開鏈機(jī)構(gòu)、將重力傳遞到地面的腳托以及放置重物的托架三部分組成，其集成了傳感系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等諸多復(fù)雜的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)。開鏈機(jī)構(gòu)與人腿同頻完成運(yùn)動(dòng)并幫助人體承載重物。負(fù)重信息傳至腳托傳感器，運(yùn)動(dòng)信息傳至多桿機(jī)構(gòu)上的傳感器，通過(guò)搜集負(fù)重和人體運(yùn)動(dòng)信息，將信息提供給中央控制處理器計(jì)算來(lái)調(diào)整外骨骼的運(yùn)動(dòng)幅度，控制系統(tǒng)控制能源系統(tǒng)完成供能以及動(dòng)力系統(tǒng)完成與士兵動(dòng)作相匹配的動(dòng)作。工作機(jī)理如圖2所示。

從外骨骼工作過(guò)程看，外骨骼機(jī)構(gòu)主要由硬件連接部分、動(dòng)力系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。外骨骼能否正確配合并輔助人的下肢運(yùn)動(dòng)，成為外骨骼機(jī)構(gòu)研究的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，研究人體下肢運(yùn)動(dòng)規(guī)律成為實(shí)現(xiàn)研究設(shè)計(jì)軍用外骨骼的關(guān)鍵前提。

2.2 外骨骼下肢自由度分析

為了簡(jiǎn)化研究過(guò)程，降低分析難度，根據(jù)人體下肢運(yùn)動(dòng)習(xí)慣，本文設(shè)定人體下肢理想自由度即為下肢外骨骼設(shè)計(jì)自由度。人體髖關(guān)節(jié)(Hip)主要實(shí)現(xiàn)大腿的大角度運(yùn)動(dòng)、腰的左右轉(zhuǎn)動(dòng)以及上體的彎曲運(yùn)動(dòng)，需要設(shè)置三個(gè)自由度，大腿的向前拍動(dòng)速度大小決定著人體的運(yùn)動(dòng)快慢，此處需要加裝驅(qū)動(dòng)裝置。膝關(guān)節(jié)(Knee)實(shí)現(xiàn)小腿的大角度擺動(dòng)，設(shè)置一個(gè)自由度。當(dāng)人體在進(jìn)行上下起伏時(shí)，膝關(guān)節(jié)需要帶動(dòng)小腿運(yùn)動(dòng)，此處需要加裝驅(qū)動(dòng)裝置。踝關(guān)節(jié)(Ankle)主要實(shí)現(xiàn)腳圍繞踝關(guān)節(jié)的上下大角度轉(zhuǎn)動(dòng)和左右小角度旋動(dòng)，需要設(shè)置三個(gè)自由度，由于踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)力矩與力都較小，機(jī)構(gòu)自適應(yīng)腳踝動(dòng)作即可，無(wú)需另裝驅(qū)動(dòng)裝置。外骨骼下肢機(jī)構(gòu)自由度如圖3所示。

2.3 外骨骼步態(tài)跟蹤與穩(wěn)定性分析

作為目前機(jī)器人方面重點(diǎn)研究的項(xiàng)目之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍采用下肢軌跡跟蹤和ZMP(Zero Moment Point，零力矩點(diǎn))的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)研究和模擬仿真外骨骼機(jī)構(gòu)。

傳感器可以完成對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的軌跡跟蹤。各個(gè)關(guān)節(jié)處的扭轉(zhuǎn)角度通過(guò)角度傳感器測(cè)量;外骨骼的關(guān)節(jié)處的力和力矩的變化有力傳感器測(cè)量;下肢運(yùn)動(dòng)的加速度由加速度傳感器測(cè)量。通過(guò)傳感器跟蹤采集人體運(yùn)動(dòng)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路處理后反饋到控制系統(tǒng)，即中央控制處理器，從而控制外骨骼的運(yùn)動(dòng)軌跡。由于實(shí)際應(yīng)用中外界干擾較大以及傳感器的精度還無(wú)法滿足人體仿生運(yùn)動(dòng)中的實(shí)時(shí)跟蹤要求，傳感信號(hào)噪音較大，動(dòng)力系統(tǒng)很難做出精確的動(dòng)作。

所謂ZMP即指地面上一點(diǎn)，作用在外骨骼上的合力繞這點(diǎn)的力矩為零。海軍航空工程學(xué)院陳占伏等人基于ADAMS的外骨骼虛擬樣機(jī)模型仿真結(jié)果表明，如果ZMP位于外骨骼腳托支撐范圍之內(nèi)，則可以保持人體運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡;當(dāng)ZMP位于外骨骼腳托支撐范圍之外時(shí)，外骨骼機(jī)構(gòu)理論上有翻轉(zhuǎn)趨勢(shì)。士兵穿戴外骨骼雙腿行走時(shí)的穩(wěn)定性是設(shè)整個(gè)硬件機(jī)械的設(shè)計(jì)關(guān)鍵，因此可以用ZMP來(lái)衡量雙腿行走時(shí)外骨骼發(fā)生側(cè)翻的可能性。根據(jù)人的行走習(xí)慣，可將人行走分為單腿支撐與雙腿支撐?？紤]單腿支撐時(shí)外骨骼腳托支撐范圍小，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證ZMP有足夠的穩(wěn)定裕度。當(dāng)人體處于快速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，外骨骼機(jī)構(gòu)能夠隨動(dòng)調(diào)整，從而保證ZMP穩(wěn)定。實(shí)際上，ZMP僅考慮了外骨骼機(jī)構(gòu)在X軸Y軸不發(fā)生翻轉(zhuǎn)的條件，沒(méi)有充分考慮外界干擾條件下，機(jī)構(gòu)不發(fā)生其他形式的翻轉(zhuǎn)的充分條件。

2.4 外骨骼能源動(dòng)力系統(tǒng)分析

由于士兵負(fù)荷大，又對(duì)運(yùn)動(dòng)速度要求高，需要適應(yīng)如山地、沙漠、坡地、等地形復(fù)雜環(huán)境。因此，單兵外骨骼對(duì)能源及動(dòng)力系統(tǒng)要求較高。例如日本研制的P3機(jī)器人，供電電池重達(dá)30kg，但機(jī)器人工作極限時(shí)間僅25min。使用效率受到相關(guān)技術(shù)發(fā)展限制，外骨骼機(jī)構(gòu)的效能極低，這也是制約外骨骼機(jī)器人發(fā)展的瓶頸之一。

外骨骼機(jī)構(gòu)均為開鏈多桿機(jī)構(gòu)，作為行走的輔助機(jī)構(gòu)，它在行走時(shí)應(yīng)保持身體行走順暢，或?qū)ι眢w活動(dòng)約束小，且轉(zhuǎn)向靈活。從士兵運(yùn)動(dòng)負(fù)重來(lái)看，下肢外骨骼腿部需要承受較大載荷，需要緩沖從而保持穩(wěn)定性。因此，使用具有穩(wěn)定和承受轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)的液壓或氣壓作為傳動(dòng)系統(tǒng)具有很大優(yōu)勢(shì)，但是，液(氣)壓驅(qū)動(dòng)有它的缺點(diǎn)，這種驅(qū)動(dòng)方式需要油(氣)缸及液(氣)壓管路，易造成了外骨骼機(jī)構(gòu)整體重量過(guò)大，不利于人體的穿戴。雖然它幫助士兵實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的力量和速度，但舒適體驗(yàn)性較差。

3結(jié)語(yǔ)

本文主要在理論上分析了單兵外骨骼機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)過(guò)程。通過(guò)工作原理分析，闡述了外骨骼結(jié)構(gòu)的功能作用和設(shè)計(jì)思想。基于傳感器和ZMP原理，理論上探討了外骨骼步態(tài)跟蹤與不發(fā)生翻轉(zhuǎn)的必要條件，但外骨骼機(jī)構(gòu)對(duì)地面的適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)的靈活性仍需進(jìn)一步提高。然后進(jìn)一步從系統(tǒng)層面分析了運(yùn)動(dòng)機(jī)理，得出現(xiàn)階段的外骨骼機(jī)構(gòu)無(wú)法滿足實(shí)用要求，仍需要改進(jìn)的結(jié)論。外骨骼機(jī)器人在單兵武器裝備等應(yīng)用前景巨大，盡管目前在相關(guān)研究方面出現(xiàn)了一系列難題，但隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步不斷發(fā)展，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)有重大突破。

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