單兵外骨骼結(jié)構(gòu)與運動分析

摘 要:單兵外骨骼是一種通過穿戴在士兵身上，提高人體負(fù)荷和速度，含有動力源的機械裝置。由于可以攜帶更多的重物，并輔助加快運動速度，因此在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，如長距離行走、運送給養(yǎng)、防護等方面，應(yīng)用前景巨大，能有效提高士兵生存幾率和作戰(zhàn)效率。本文通過分析機械外骨骼技術(shù)的結(jié)構(gòu)和運動，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:外骨骼工作機理下肢自由度軌跡跟蹤步態(tài)穩(wěn)定性

中圖分類號:TP311文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(a)-0224-02

1引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，武器裝備水平越來越成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭勝利的重要保證。作戰(zhàn)部隊規(guī)模小、作戰(zhàn)消耗高成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭基本特征。同時，反恐戰(zhàn)爭等新形式的武裝打擊對單兵裝備要求越來越高，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20kg，越南戰(zhàn)爭時是90kg，海灣戰(zhàn)爭時已經(jīng)達到了200kg，因此作為一種可以讓士兵通過穿戴，從而提供支撐重量，輔助運動等功能效果的機械裝置，單兵外骨骼機構(gòu)可以幫助士兵更好的完成戰(zhàn)斗任務(wù)。2000年，美國國防先進研究項目局資助研究增強士兵機能的外骨骼(EHPA)的項目，目的旨在開發(fā)一種對外界環(huán)境變化有著智能識別并適應(yīng)的外骨骼系統(tǒng)，通過試驗，士兵載重能力，行動速度成倍提高，并能有效抵御輕武器彈藥襲擊（如圖1）。

2結(jié)構(gòu)與運動分析

2.1 外骨骼組成及運動機理

其機械結(jié)構(gòu)由多桿開鏈機構(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)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等諸多復(fù)雜的系統(tǒng)機構(gòu)。開鏈機構(gòu)與人腿同頻完成運動并幫助人體承載重物。負(fù)重信息傳至腳托傳感器，運動信息傳至多桿機構(gòu)上的傳感器，通過搜集負(fù)重和人體運動信息，將信息提供給中央控制處理器計算來調(diào)整外骨骼的運動幅度，控制系統(tǒng)控制能源系統(tǒng)完成供能以及動力系統(tǒng)完成與士兵動作相匹配的動作。工作機理如圖2所示。

從外骨骼工作過程看，外骨骼機構(gòu)主要由硬件連接部分、動力系統(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動，成為外骨骼機構(gòu)研究的關(guān)鍵問題。因此，研究人體下肢運動規(guī)律成為實現(xiàn)研究設(shè)計軍用外骨骼的關(guān)鍵前提。

2.2 外骨骼下肢自由度分析

為了簡化研究過程，降低分析難度，根據(jù)人體下肢運動習(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)計自由度。人體髖關(guān)節(jié)(Hip)主要實現(xiàn)大腿的大角度運動、腰的左右轉(zhuǎn)動以及上體的彎曲運動，需要設(shè)置三個自由度，大腿的向前拍動速度大小決定著人體的運動快慢，此處需要加裝驅(qū)動裝置。膝關(guān)節(jié)(Knee)實現(xiàn)小腿的大角度擺動，設(shè)置一個自由度。當(dāng)人體在進行上下起伏時，膝關(guān)節(jié)需要帶動小腿運動，此處需要加裝驅(qū)動裝置。踝關(guān)節(jié)(Ankle)主要實現(xiàn)腳圍繞踝關(guān)節(jié)的上下大角度轉(zhuǎn)動和左右小角度旋動，需要設(shè)置三個自由度，由于踝關(guān)節(jié)運動時力矩與力都較小，機構(gòu)自適應(yīng)腳踝動作即可，無需另裝驅(qū)動裝置。外骨骼下肢機構(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

作為目前機器人方面重點研究的項目之一，國內(nèi)外學(xué)者普遍采用下肢軌跡跟蹤和ZMP(Zero Moment Point，零力矩點)的方法進行設(shè)計研究和模擬仿真外骨骼機構(gòu)。

傳感器可以完成對人體運動的軌跡跟蹤。各個關(guān)節(jié)處的扭轉(zhuǎn)角度通過角度傳感器測量;外骨骼的關(guān)節(jié)處的力和力矩的變化有力傳感器測量;下肢運動的加速度由加速度傳感器測量。通過傳感器跟蹤采集人體運動的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過調(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動軌跡。由于實際應(yīng)用中外界干擾較大以及傳感器的精度還無法滿足人體仿生運動中的實時跟蹤要求，傳感信號噪音較大，動力系統(tǒng)很難做出精確的動作。

所謂ZMP即指地面上一點，作用在外骨骼上的合力繞這點的力矩為零。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)，則可以保持人體運動動態(tài)平衡;當(dāng)ZMP位于外骨骼腳托支撐范圍之外時，外骨骼機構(gòu)理論上有翻轉(zhuǎn)趨勢。士兵穿戴外骨骼雙腿行走時的穩(wěn)定性是設(shè)整個硬件機械的設(shè)計關(guān)鍵，因此可以用ZMP來衡量雙腿行走時外骨骼發(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。考慮單腿支撐時外骨骼腳托支撐范圍小，實際設(shè)計時應(yīng)保證ZMP有足夠的穩(wěn)定裕度。當(dāng)人體處于快速運動狀態(tài)時，外骨骼機構(gòu)能夠隨動調(diào)整，從而保證ZMP穩(wěn)定。實際上，ZMP僅考慮了外骨骼機構(gòu)在X軸Y軸不發(fā)生翻轉(zhuǎn)的條件，沒有充分考慮外界干擾條件下，機構(gòu)不發(fā)生其他形式的翻轉(zhuǎn)的充分條件。

2.4 外骨骼能源動力系統(tǒng)分析

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

外骨骼機構(gòu)均為開鏈多桿機構(gòu)，作為行走的輔助機構(gòu)，它在行走時應(yīng)保持身體行走順暢，或?qū)ι眢w活動約束小，且轉(zhuǎn)向靈活。從士兵運動負(fù)重來看，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)矩大等特點的液壓或氣壓作為傳動系統(tǒng)具有很大優(yōu)勢，但是，液(氣)壓驅(qū)動有它的缺點，這種驅(qū)動方式需要油(氣)缸及液(氣)壓管路，易造成了外骨骼機構(gòu)整體重量過大，不利于人體的穿戴。雖然它幫助士兵實現(xiàn)強大的力量和速度，但舒適體驗性較差。

3結(jié)語

本文主要在理論上分析了單兵外骨骼機構(gòu)和運動過程。通過工作原理分析，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，但外骨骼機構(gòu)對地面的適應(yīng)性和運動的靈活性仍需進一步提高。然后進一步從系統(tǒng)層面分析了運動機理，得出現(xiàn)階段的外骨骼機構(gòu)無法滿足實用要求，仍需要改進的結(jié)論。外骨骼機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)的不斷進步不斷發(fā)展，相信在不遠的將來會有重大突破。

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