防護頭盔耗能研究及綜合評價

劉啟俊 喬明敏 戚曉玲3 楊國甫3 隋修武

(1.天津工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院 天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點實驗室 天津 300387；3.航宇救生裝備有限公司 襄陽 441002)

一、引言

防護頭盔是重要的防護裝備，是確保工作不受傷害的重要保障[1]。在保障基本性能的前提下，如何減少頭盔的體能消耗成為了研究的熱點問題。工作中頭盔做大量無用功，主要體現(xiàn)在克服頭盔的重力、摩擦力做功等[2-3]。這些大量的無用功增加了人員的體能消耗，而在防護頭盔耗能研究上，研究人員大部分對頭盔進行功能調(diào)節(jié)，雖然取得了一定效果，但是不能有效地測量頭盔和耗能之間的聯(lián)系[4]。

本文設(shè)計了模特機器人的頭部結(jié)構(gòu)，搭建了耗能測試平臺，對測量的數(shù)據(jù)采用支持向量機數(shù)據(jù)分析方法,將驅(qū)動頭部運動電機的電壓電流作為學(xué)習(xí)目標(biāo)，得到不同參數(shù)的頭盔和耗能的關(guān)系，建立了頭盔耗能評價的數(shù)學(xué)模型。

二、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機器人頭部的機械結(jié)構(gòu)如圖1所示，零件主要包括1、步進電機2、法蘭3、減速器4、聯(lián)軸器5、緊固螺釘6、連接墊片7、法蘭墊片，減速器與步進電機連接起到增大扭矩的作用，連接支架通過聯(lián)軸器連接在減速器的輸出軸上，通過緊固螺釘進行固定。從而實現(xiàn)頸部左右轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度范圍為向左90°～向右90°

圖1 頭部機械結(jié)構(gòu)

三、耗能測試系統(tǒng)設(shè)計

(一)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)采集方案和功能需求，本系統(tǒng)選用基于ARM內(nèi)核的STM32F103單片機作為下位機，上位機通過串口發(fā)送控制指令到下位機，下位機根據(jù)命令向步進電機驅(qū)動器發(fā)送對應(yīng)的脈沖信號，驅(qū)動器根據(jù)脈沖驅(qū)動電機完成對應(yīng)轉(zhuǎn)動；電機運動的同時，采集板采集步進電機線圈上的電壓與電流信號，通過下位機上的AD轉(zhuǎn)換器后，使用串口將兩種信號發(fā)送至上位機。通過C#編程設(shè)計上位機界面，在界面上實現(xiàn)電機啟停控制，速度調(diào)節(jié)，采集數(shù)據(jù)顯示。

(二)測量電路設(shè)計

實驗中采集模塊對電流和電壓進行采集，為測量電機線圈中的電壓電流信號，需要將線圈電流通過一個1Ω的采樣電阻，使得電流信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓信號。再將電壓信號通過跟隨器，為了獲得穩(wěn)定的直流信號，對電壓進行低通濾波處理。濾波器截止頻率計算公式是：

(1)

濾波處理后，對信號進行放大處理，以便后續(xù)電路采集數(shù)據(jù)，同相比例放大電路的放大倍數(shù)公式是：

(2)

電壓被放大到AD轉(zhuǎn)換器的測量范圍后，下位機可通過AD轉(zhuǎn)換器得到具體的電壓數(shù)據(jù)，并通過串口將數(shù)據(jù)傳輸至上位機。

四、基于SVM頭部耗能模型建立

支持向量機(SVM)是建立在統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論VC維理論和結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化原理基礎(chǔ)上的機器學(xué)習(xí)方法[5]。它在解決小樣本、非線性和高維模式識別問題中表現(xiàn)出許多特有的優(yōu)勢。

其中應(yīng)用于回歸擬合的主要思想是通過尋找最優(yōu)分類面來實現(xiàn)對未知樣本數(shù)據(jù)的分類，使兩類樣本特征的幾何間隔最大，在線性可分的情況下，將最優(yōu)分類超平面wxi+b=0歸一化后，對樣本集進行分類。分類間隔最大就等價于最小化||ω||。因此得到一個帶約束的優(yōu)化問題：

(3)

s.t.yi(wxi+b)≥1

(4)

式中：w為最優(yōu)超平面的法向量，b為閾值,b∈Rd。

核函數(shù)是解決優(yōu)化問題的關(guān)鍵,將獲取的原始特征參數(shù)矩陣對特征進行降維融合后得到的新非線性特征參數(shù)矩陣在 SVM 分類器中使用不同的核函數(shù)來進行分類處理,對比分類正確率，本文將高斯核作為訓(xùn)練 SVM 時的核函數(shù)。

在確定高斯核函數(shù)后，為了使分類器達到最佳性能，需要對核函數(shù)的參數(shù)C和g進行分析，求解最優(yōu)參數(shù)值。

五、實驗及結(jié)果

駕機模式測試平臺用來實現(xiàn)頸部轉(zhuǎn)動。建立駕機模式測試平臺上，分別對佩戴不同特性的頭盔的模特機器人進行頭部耗能測試，二者之差即為頭盔耗能。

為驗證頭盔耗能實驗效果，設(shè)計了頭盔耗能正交實驗，支持向量機耗能預(yù)測實驗，根據(jù)研究需要，準(zhǔn)備3套不同材質(zhì)(A：碳纖維、B：ABS材質(zhì)、C：玻璃鋼)、3套由上述三種材料不同尺碼(大、中、小)、3套不同款式(1、2、3)的頭盔進行測試試驗。將每個變量分為三個等級水平，按照正交實驗法進行了實驗。

(一)數(shù)據(jù)采集實驗

在試驗的過程中，首先記錄下空載時的電樞電流、電樞電壓的數(shù)據(jù)，并記錄瞬時功率的結(jié)果如表1所示。

表1 空載實驗數(shù)據(jù)

將三種不同材料的頭盔分別進行耗能實驗，并記錄下每種頭盔對應(yīng)的電樞電流，電樞電壓，阻值，對影響頭盔耗能的主要因素進行反復(fù)的耗能實驗，與不佩戴頭盔的實驗數(shù)據(jù)進行對比，實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 佩戴不同頭盔實驗數(shù)據(jù)

(二)數(shù)據(jù)預(yù)測實驗

為了對不同特性的頭盔進行耗能預(yù)測，根據(jù)大量的實驗數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，得到最佳的懲罰參數(shù)C=186.528，最佳的核函數(shù)的參數(shù)g=0.0025， 獲取最優(yōu)參數(shù)進行模型訓(xùn)練，并將訓(xùn)練好的模型用于測試集數(shù)據(jù)觀察模型的預(yù)測精度。測試集數(shù)據(jù)共18個樣本，代入訓(xùn)練好的SVM模型中，得出預(yù)測值，與實際值觀察，觀察擬合曲線的預(yù)測性能，預(yù)測結(jié)果與實際對比如圖2所示。

圖2 預(yù)測結(jié)果與實際對比

實驗結(jié)果顯示在諸多影響因素下，頭盔材質(zhì)的不同會對體能消耗有較大的影響，隨著時間的增加，耗能更加明顯，不同款式的頭盔對耗能影響不大。通過大量實驗，驗證結(jié)果的一致性，并進一步改進防護頭盔，包括測試平臺和實驗方法。總結(jié)裝備的耗能機理，完善“耗能特征曲線”等參數(shù)的指標(biāo)評價方法。

六、結(jié)論

本文提出了一種基于支持向量機的頭盔耗能預(yù)測方法，將理論研究與試驗研究相結(jié)合，對不同特性的頭盔進行耗能預(yù)測，該方法具有較好的適應(yīng)性，得到了科學(xué)可行的“裝備系統(tǒng)耗能測試及評價方法”，從體能消耗方面量化了裝備穿著的舒適性，為裝備耗能研究、功能性設(shè)計、質(zhì)量評定提供指導(dǎo)和依據(jù)。