基于機器人技術的飛行員服裝功耗測試系統

隋修武，呂煥然，李 瑤，萬凱新

(1.天津工業大學，天津 300387；2.天津工業大學天津市現代機電裝備技術重點實驗室，天津 300387)

基于機器人技術的飛行員服裝功耗測試系統

隋修武1，2，呂煥然1,2，李 瑤1，2，萬凱新1，2

(1.天津工業大學，天津 300387；2.天津工業大學天津市現代機電裝備技術重點實驗室，天津 300387)

文章為了分析及表征服裝耗能，為飛行員裝備優化設計、提供重要的科學依據，在分析人體正常步態的基礎上，研制了服裝功耗測試系統。系統由三部分組成，運動機構利用偏心輪擺桿機構實現人體運動時上下肢狀態的模擬，頭部前后擺動通過直流調速電機帶動系統運動機構實現三個自由度特定運動，測試模塊用PCI2300數據采集卡采集電樞電流和電壓，利用空載和負載狀態下累計功差值表示服裝耗能。實驗結果證明該系統能有效測量服裝耗能。

機器人；服裝耗能；步態；測試系統

1 前言

飛行員是裝備系統的載體，在執行任務的過程中將時刻對其裝備系統做大量無用功，主要體現在克服系統的重力做功、克服系統的內部摩擦做功、克服意外沖擊震動做功、克服系統力學形變(例如服裝材料的拉伸、彎曲、扭轉等)做功等。飛行員貼身穿戴的個體防護裝備系統包括服裝、頭盔等，是確保飛行員能夠順利完成任務和保證人身安全的重要保障。如何對飛行員裝備系統進行綜合評價，從而能夠客觀全面地反映減重情況、舒適性、體能消耗情況等就成了一個亟待解決的重要科學問題。服裝的壓力、熱濕舒適性等一直是研究人員們關注的重點[1,2],但關于飛行員裝備耗能的測量和評價手段還很少。

本文基于人體行走時腿部運動特征，研發了模擬人體行走運動狀態的服裝耗能測試系統[3,4]，系統采用比較空載和負載時電流累計功差值計算服裝耗能，為評價褲裝耗能提供了測試手段和方法。在深入分析人體運動步態的基礎上，研制了基于機器人技術的上下肢和頭部三自由度服裝功耗測試系統。

2 系統工作原理

由于類人機器人是機器人領域研究的熱點、難點，在運動的協調性和穩定性上需要進行很多工作，所以很難得到理想的服裝耗能測試機器人，因此，系統選擇與人體生理外形十分接近的服裝模特模型，將其覆蓋在耗能測試系統外，使其能按特定的實驗要求完成行走狀態的模擬。為了更直接完成實驗目的，本文的測試系統主要是用于腰臀部固定時運行系統，實現腿部和手臂的交替擺動，頭部前后擺動，做到運動參數可測、可控。

本測試系統采用調速電機驅動運動機構。由于直流電動機的轉化效率很高，直流電機輸出的機械能可全部消耗在系統的傳動機構和模特機器人的四肢運動上。改變模特機器人的服裝，就相當于在小范圍內改變電動機的負載，在試驗期間保持其它條件不變的情況下，小范圍內的負載變化，傳動系統的耗能基本保持不變，直流電機的耗能也不變，因此，只要測量出電源輸送給電動機的總輸入功率的變化，通過適當計算，可以得到由更換服裝引起耗能數值的變化。

測試系統由運動機構、控制模塊和測量模塊部分組成，系統整體結構如圖1所示。運動部分由兩部分組成，直流電機帶動模特機器人四肢做前后擺動，頸部直流電機控制機器人頭部前后小幅度擺動，從而模擬人體行走狀態；控制部分功能為對運動部分進行控制、速度的調節；采集部分的功能為在系統運轉時對電流、電壓的采集和瞬時功率及累計功率的計算。

圖1 系統總體結構圖

3 系統組成部分

3.1 運動機構

3.1.1 運動步態確定

用高速攝像機拍攝人體運動步態，高速攝像機具有分辨率為1280×1024，1000 FPS的高性能，能實現復雜的觸發和同步功能。選取手臂與腿部擺動至最大角度的那一幀圖片，通過使用圖像處理軟件測量手臂和腿部擺動的角度，作為機器人最大擺動角的參考，如圖2所示，根據平均值取擺桿3與AC的夾角約為25°，如圖4所示，可知擺桿3的運動范圍為-25°～25°(順時針為正)，頻率為60次/min。手臂擺桿機構的原理與此相同，且手臂擺動角度為-30°～30°。而手臂與腿部擺角與時間的關系近似成一條正弦曲線，如圖3所示。

圖2 人體運動步態及四肢擺動角度測量圖

圖3 手臂擺角與時間關系曲線

3.1.2 運動結構設計

系統的運動機構采用服裝模特模擬人體，并按照人體尺寸將模特的四肢連接處及頭部與頸部的連接處鋸成曲面狀態，將分離后的腿部連接在系統腿部的擺桿d上，將分離后的手臂連接在系統手臂的擺桿e上，將分離后的頭部連接在f上，運動機構的結構如圖4(a)所示。

擺桿機構的工作原理是通過直流電機帶動兩側的圓盤按照一定的速度轉動，在圓盤上裝有一突出的圓柱體，圓柱體可以在長方體擺桿的凹槽里來回滑動，并帶動擺桿前后做變角速度運動，同時，通過傳送帶將力傳導到手臂擺桿機構上，帶動手臂擺桿與腿部擺桿協同擺動。其中一個擺桿機構可以簡化為1個滑塊和2個擺桿，如圖4(b)所示。頭部通過在頸部安裝的電機實現前后小幅度擺動。在實際情況下，以腿部擺桿機構為例，滑塊2在擺桿3上長為90 mm的長方形槽里運動，限于滑塊2的行程，擺桿3在4(b)所示平面內左右擺動，極限位置在AB與BC成90°處。

圖4 擺桿機構實物圖和簡化圖

注：(1)a-直流電動機；b-圓盤，直徑為100 mm；c-圓盤上突起的圓柱，距離圓心30 mm；d-長方體擺桿，總長為260 mm。

(2)簡化圖和實物對照圖：滑塊2-c；擺桿1-圓盤b；桿3-長方體擺桿d的滑槽，其中lab=30mm，lbc=70mm。

3.2 控制模塊

直流電機通過傳動機構，帶動腿部和手臂擺桿按一定的規律擺動，通過電機調速器可以改變直流電機的運轉速度，就可以改變模特機器人雙腿、手臂的擺動速度，及頭部前后擺動速度。根據直流電機的機械特性公式：

T=KtΦIa

(1)

(2)

(3)

式中T為電磁轉矩，Kt為轉矩常數，Ke為電動勢常數，n為電動機轉速，P為電動機效率。

如果忽略電樞反應的影響，轉矩T與Ia成正比，當Ia增加時，轉速n要下降，因Ra較小，轉速n下降得不多，改變機器人穿著的服裝相當于在小范圍內改變負載，電動機效率P基本不變，因此只要計算出電源輸送給電動機總功率的變化，通過適當運算即可得到服裝耗能的變化。

直流脈沖調速電路由主驅動電路、三角波發生器、電壓-脈沖變換器、脈沖分配與功率放大四部分組成。通過圖(3)曲線給定電壓Uk，給定電壓Uk和三角波電壓U2一起加在電壓—脈沖變換器的反相輸入端。

3.3 采集模塊

PCI2300數據采集卡，具有100kHz的12位A/D轉換器，輸入信號范圍為±5V、±10V、0～10V。由于電機電樞電壓為PWM波，幅值為24V，因此不能直接進入PCI數據采集卡進行測量，將測量電路進行放大和濾波，將24V的的PWM波調整成0～10V的直流電壓信號。而電樞電流的測量采用在電樞電路串聯大功率小阻值精密測量電阻器，阻值為0.1V，由于阻值較小，不會引起大的壓降，將其放大成0～10V的直流電壓信號進行測量。

4 實驗

飛行員服裝前部為拉鏈開口，腰部與袖口有搭伴式松緊帶，褲腳底部有拉鏈。衣服上共有 8個用拉鏈開合的口袋，胸部兩個，大腿前兩個，小腿前兩個，左臂 1個，左大腿內側 1個[5-7]，分別用兩種不同的材料制作測試服裝[8]。

實驗一為上下肢運動服裝耗能實驗，測量計算上下肢空載運動及穿著服裝后的耗能數值，將所得實驗結果制作成曲線，如圖5所示。

由圖5可知，在保持頭部不運動的情況下，穿著服裝前后，系統的耗能發生了明顯變化，且保持線性關系，可知系統上下肢運動時可以準確測量服裝耗能的多少。

圖5 上下肢空載運動及穿著服裝耗能曲線

實驗二為頭部及上下肢運動服裝耗能實驗，測量計算頭部及上下肢三個自由度同時運動時空載及穿著服裝的耗能數值，將所得結果制作成曲線，如圖6所示。

圖6 三自由度同時運動空載及穿著服裝耗能曲線

根據圖6所得結果，可知頭部及上下肢三自由度同時運動時，在穿著相同服裝的情況下，系統的耗能在穿著服裝前后發生很大變化，且依然保持線性關系，所以系統三自由度同時運動時，可以準確測量服裝的耗能多少。

實驗三為三自由度同時運動服裝耗能實驗，測量計算系統在三個自由度同時運動時，穿著不同服裝的耗能情況，分別記錄系統在空載、穿著服裝A、穿著服裝B、穿著服裝C的耗能數值，并制作成曲線，如圖7所示。

圖7 三自由度同時運動空載及穿著服裝A和服裝B曲線

從圖7結果中可知，在相同的運動速度和步數下，穿著不同的服裝，耗能情況也不同，服裝B的耗能明顯多于服裝A的耗能。

5 結論

本文依照人體行走的特點研發出了基于機器人技術的服裝功耗測試系統，搭建的實驗平臺可以完成上下肢和頭部三個自由度分別運動的情況下測試服裝耗能，為耗能測試提供了測試與評價的方法。

通過進一步實驗，改變服裝的面料、尺碼、剪裁方式等，分析耗能與其之間的關系，為飛行員裝備系統的優化設計提供科學依據。

[1]DoanBK，KwonYH，NewtonRU，etal.EvaluationofALower-BodyCompressionGarment[J].JournalofSportsSciences，2003，21(8)：601—610.

[2]RobDuffield，MarcPortus.ComparisonofThreeTypesofFull-BodyCompressionGarmentsonThrowingandRepeat-SprintPerformanceinCricketPlayers[J].JournalofSportsMedicine，2007，(41)：409—414.

[3] 隋修武，牛雪娟，姜亞明，等.模特腿部運動的服裝耗能測量系統[J].傳感器與微系統，2010，(5)：96—98，101.

[4] 黃麗，姜亞明，隋修武.基于正常步態褲裝耗能測試系統的研制[J].紡織學報，2010，(11)：131—134.

[5] 張榮.飛行員防護服面料性能及特點[J].產業用紡織品，2004，22(11)：18—20.

[6] 蔣毅，路曦，祖媛媛.個體防護裝備創新研制探析[J].中國個體防護裝備，2014，(1)：6—7.

[7] 陳益松，白剛，嚴偉明.工業機器人防護裝的設計與開發[J].上海紡織科技，2015，43(1)：44—45.

[8] 賀良震，陳志華.面料觸感舒適度測試裝置的設計[J].紡織器材，2013，40(3)：58—60.

Robot Technology Based Energy Consumption Testing System for Pilot Clothing

SuiXiuwu1,2,LvHuanran1,2,LiYao1,2,WanKaixin1,2

(1.Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China; 2.Tianjin Polytechnic University Tianjin Key Laboratory of Advanced Mechatronics Electrical Equipment Technology, Tianjin 300387, China)

In order to provide important scientific basis for optimizing the design of pilots clothing, analysis and characterization of the energy consumption, based on the analysis of human gait, a clothing consumption test system was developed. The system consists of three part, that is, eccentric wheel swing bar drives the simulated upper and lower limb for walking, DC speed-governing motor drives the movement mechanism of the head swinging back and forth system, to achieve a specific movement of three degrees of freedom, using PCI2300 data acquisition card to collect armature current and voltage, according to energy difference between loading state and unloading state the energy consumption can be obtained. Experimental results show that the system can effectively measure clothing energy consumption.

robot; energy consumption of clothing; walk state; testing system

2016-10-17

天津市科技特派員項目(15JCTPJC56800)

隋修武(1971—)，男，吉林公主嶺人，副教授。

TP242.6

A

1009-3028(2017)01-0009-04