單兵腰部助力裝置結構設計與運動仿真分析

陳壽齊，焦長君，郭興功，饒 越

(1.中國人民解放軍73911部隊，南京 210012;2.南京理工大學機械工程學院，南京 210094)

現代高科技戰爭對彈藥的高消耗，使得火炮裝填手在裝填炮彈時耗費大量體力。因此，作為一種可以讓火炮裝填手通過穿戴，從而提供支撐重量，輔助運動等功能效果的機械裝置［1-2］，單兵腰部助力裝置可以避免火炮裝填手腰部受到傷害，幫助他們在搬運、裝填炮彈時節省體力［3］，甚至可以幫助火炮裝填手實現自身無法到達的能量。本文在參考了其他機械外骨骼助力系統的結構與控制系統［4-7］的基礎上，確定了單兵腰部助力系統的功能規劃，完成了初步的結構設計、仿真計算等工作。

1 炮手操作腰背生物力學分析

火炮裝填手在彎腰搬運時腰椎的受力情況是本文分析的重點。彎腰搬運時，脊柱好像一根固定在骨盆上的帶有樞軸的懸梁，骶骨相當于樞軸，第5腰椎及其與骶骨相連結的椎間盤(Ls/SI)位于懸梁的根部，所承受的壓力最大，影響其壓力大小的因素主要有搬運炮彈的質量;炮彈到腰椎的距離，即炮彈力臂的長度;火炮裝填手上肢質心到腰椎的距離，即人體［8］上肢力臂的長度;整個背部肌肉的拉力。搬運時，脊柱脊椎的力學模型簡化為圖1所示。

F代表手臂、背肌與腹肌的合力，N代表腰椎的關節反力，G1為人體上身的重量，G2為外負荷的重量之和，α代表腰椎的角度。計算腰椎所受力矩M時忽略F的影響:

本文的仿真對象為體重60 kg的火炮裝填手搬運50 kg的炮彈，搬運時炮彈質心到髖關節力臂長度為4 cm。炮手上身質量為30 kg，其質心到髖關節力臂長度為2 cm，由式(1)計算可得腰椎所受力矩為260 N·m。針對火炮裝填手，本文所研究的腰部助力裝置主要完成以下動作與功能要求:當炮手彎下腰后，準備開始搬運炮彈，腰背與大腿近似角度為α，在搬起炮彈腰部直立的過程中，α角度逐漸減小直至為零。本文規定當火炮裝填手處于下蹲的極限狀態時，α=100°。在此過程中外骨骼能夠提供傳動幫助腰部的直立，而且在傳動的過程中外骨骼完全配合人體腰部直立的動作和時間。

圖1 脊柱脊椎力學模型G1

2 腰部助力裝置結構設計

在分析現有各種機械外骨骼的特征和用途后，針對本論文所研究的背部助力系統，確定以液壓傳功［9］為主要傳動形式。根據液壓缸安裝位置的不同，分析設計了以下2種傳動方案。

2.1 背部拉動方案

背部拉動方案是將液壓缸底端與腿部固定的支架相連，液壓缸活塞桿頂端與背架相連，一直使用液壓缸直接拉動的方案，以腿部為固定端，通過液壓缸直接拉動人體背部，帶動人體彎腰后腰背的直立，如圖2所示。

圖2 背部拉動方案

在此方案中，關鍵的幾個部件設計如下:

1)腰背支撐裝置。如圖3所示，在使用腰部支撐裝置時，將肩夾固定在人的肩膀上，再通過背帶與腰帶將整個裝置固定在上肢上。為了適合不同身高的人穿戴，腰部助力裝置中需要有調節機構，本文采用滑塊在槽中的滑動來實現調節長度的功能。其結構設計如圖4所示。

圖3 腰背支撐裝置

圖4 腰部調節機構

2)彈簧。根據腰背助力裝置的結構要求，炮手操作腰背生物力學，規定彈簧的外徑不大于30 mm，彈簧承受的最大工作載荷為300 N，相應的壓縮變形量為10～20 mm，最小工作載荷略為10 N。經分析計算，選用60Si2Mn鋼絲材質，直徑d=4 mm，有效圈數為8.5圈。

3)腿部支撐裝置。如圖5所示，初步設定綁腿架左右寬135 mm，前后長265 mm，上下長500 mm。人自然站立狀態下液壓缸長325 mm。

圖5 腿部支撐裝置

4)聯軸器。如圖6所示，選用十字軸式單萬向聯軸器，與背架連接的軸叉大軸叉，半徑為22 mm，與液壓桿連接的軸叉為小軸叉，半徑為20 mm，這樣軸叉之間的運動在任意角度下都不會發生干涉。

2.2 髖關節傳動方案

髖關節傳動方案是將齒輪安裝在腿部固定端，齒輪中心與髖關節重合，與液壓缸焊接的齒條傳動帶動齒輪轉動，再帶動與齒輪焊接的腰背支撐裝置，從而幫助人體腰背的直立。

圖6 十字軸式萬向聯軸器

3 腰部助力裝置仿真分析

一般人體的搬運主要體現在四肢和腰背上，所以主要仿真分析手臂、軀干、大腿、小腿4個部分之間的受力情況。而且將這四個部分視為剛體并做以下兩點假設:不考慮人體肌肉等軟組織的受力及運動情況;每一個部位在運動過程中其機械特性都不會發生變化。

3.1 背部拉動方案仿真結果

首先在運動學仿真中使得人體從站立狀態運動至要求的下蹲極限狀態。在液壓桿頂端和液壓缸底端各定義一點，在仿真中得出兩點之間的距離變化。圖7所示為在背部拉動仿真中兩點之間的距離變化，即活塞桿的行程變化。

圖7 背部拉動方案活塞桿行程變化

可知初始距離為0.5865 m，極限距離為1.1996 m，極限距離超過初始距離的兩倍，液壓缸滿足不了這樣的行程變化。故只能減小人體彎腰的角度，此種方案具有一定的局限性。

3.2 髖關節傳動方案仿真結果

同背部拉動方案，首先在運動學仿真中測出液壓缸中活塞桿的行程變化，如圖8所示。

由圖8計算可得，活塞桿的最大相對行程:0.4622-0.39=0.0722 m。由運動學仿真分析可知，背部拉動方案同髖關節傳動方案相比，通過液壓缸拉動背架具有一定的局限性，故只對髖關節傳動方案進行動力學仿真。

圖8 運動學仿真活塞桿行程變化

為了通過動力學仿真得出腰部助力裝置對于火炮裝填手搬運的效果，本文將人體三維模型置于要求的下蹲極限狀態，穿戴腰部助力裝置，添加方向垂直向下的500 N的力與手臂上(炮彈的質量)，添加方向沿齒條運動方向的1000 N的力。反復修改髖關節處的力矩直至人體完全站立。為了簡化仿真，將小腿處于固定狀態，如圖9所示。

圖9 炮手搬運初始姿態

由上文可知在人體沒有穿戴背部助力裝置時，搬運50 kg的炮彈腰部需要承受260 N·m的彎矩。在仿真中經過反復修改，得出當髖關節力矩為150 N·m時，人體可以完全站立。故可近似認為此火炮裝填手在穿戴腰部裝置后搬運50Kg時髖關節力矩減小了110 N·m。即可認為節省了42%的體力。此時活塞桿行程變化如圖10所示。

圖10 動力學仿真活塞桿行程變化

即活塞桿運動行程:0.2578-0.1852=0.0726 m，與髖關節傳動方案的運動學結果相符。

4 結論

本文通過對2種單兵腰部助力裝置的結構設計和仿真分析可知，背部拉動方案對人體彎腰角度有一定局限性，故采取通過齒輪齒條嚙合傳動的髖關節傳動方案。結合生物力學，將人體搬運時肌肉、關節的受力情況進行簡化，在仿真中得出在人體從下蹲極限姿態搬運炮彈到身體直立的過程中，齒條的運動行程為7 cm，當活塞桿推力為1000 N時，可以為火炮裝填手搬運50 kg的炮彈時節約42%的體力，仿真數據證實了髖關節傳動方案的可行性。

［1］蔡兆云，肖湘江.外骨骼機器人技術研究綜述［J］.國防科技，2007(12)：13-14.

［2］謝濤，徐建峰，張永學.仿人機器人的研究歷史、現狀及展望［J］.機器人，2002，24(4)：1-4.

［3］CHU A，KAZEROONI H，ZOSS A.On the biomimetic design of the Berkeley lower extremity exoskeleton［C］//IEEE Internationl Conference on Robotics and Automation，Barcelona，April 2005：849-855.

［4］陳立平.機械系統動力學分析及ADAMS應用教程［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［5］孫桓，陳作模.機械原理［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［6］曹恒，牛思捷，王瑜，等.基于ADAMS的助力機械腿結構設計與仿真［J］.工程設計學報2009，16(5)340-343.

［7］樊炳輝，曾慶良，車翠蓮.基于ADAMS的移動機器人仿真［J］.中國制造業信息化，2006，35(5)：39-42.

［8］鄒靜慧，劉樹元.人體解剖學［M］.北京：科學出版社，2005：34-36.

［9］曾億山.液壓與氣壓傳動［M］.合肥：合肥工業大學出版社，2004.

［10］肖鵬，楊前祿，吳飛，等.基于遺傳算法的雙足機器人性能優化［J］.武漢理工大學學報，2011(8)：129-132.