单位文秘网 2021-07-07 08:08:16 点击: 次
摘 要:单兵外骨骼是一种通过穿戴在士兵身上,提高人体负荷和速度,含有动力源的机械装置。由于可以携带更多的重物,并辅助加快运动速度,因此在现代战争中,如长距离行走、运送给养、防护等方面,应用前景巨大,能有效提高士兵生存几率和作战效率。本文通过分析机械外骨骼技术的结构和运动,探讨将该技术应用于现代单兵装备的理论基础。
关键词:外骨骼工作机理下肢自由度轨迹跟踪步态稳定性
中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)05(a)-0224-02
1引言
随着现代科技的发展,武器装备水平越来越成为现代战争胜利的重要保证。作战部队规模小、作战消耗高成为现代战争基本特征。同时,反恐战争等新形式的武装打击对单兵装备要求越来越高,单兵负荷也随之增大,以单兵每天平均物资消耗为例,二战时20kg,越南战争时是90kg,海湾战争时已经达到了200kg,因此作为一种可以让士兵通过穿戴,从而提供支撑重量,辅助运动等功能效果的机械装置,单兵外骨骼机构可以帮助士兵更好的完成战斗任务。2000年,美国国防先进研究项目局资助研究增强士兵机能的外骨骼(EHPA)的项目,目的旨在开发一种对外界环境变化有着智能识别并适应的外骨骼系统,通过试验,士兵载重能力,行动速度成倍提高,并能有效抵御轻武器弹药袭击(如图1)。
2结构与运动分析
2.1 外骨骼组成及运动机理
其机械结构由多杆开链机构、将重力传递到地面的脚托以及放置重物的托架三部分组成,其集成了传感系统、动力系统、控制系统等诸多复杂的系统机构。开链机构与人腿同频完成运动并帮助人体承载重物。负重信息传至脚托传感器,运动信息传至多杆机构上的传感器,通过搜集负重和人体运动信息,将信息提供给中央控制处理器计算来调整外骨骼的运动幅度,控制系统控制能源系统完成供能以及动力系统完成与士兵动作相匹配的动作。工作机理如图2所示。
从外骨骼工作过程看,外骨骼机构主要由硬件连接部分、动力系统、传感系统和控制系统组成。外骨骼能否正确配合并辅助人的下肢运动,成为外骨骼机构研究的关键问题。因此,研究人体下肢运动规律成为实现研究设计军用外骨骼的关键前提。
2.2 外骨骼下肢自由度分析
为了简化研究过程,降低分析难度,根据人体下肢运动习惯,本文设定人体下肢理想自由度即为下肢外骨骼设计自由度。人体髋关节(Hip)主要实现大腿的大角度运动、腰的左右转动以及上体的弯曲运动,需要设置三个自由度,大腿的向前拍动速度大小决定着人体的运动快慢,此处需要加装驱动装置。膝关节(Knee)实现小腿的大角度摆动,设置一个自由度。当人体在进行上下起伏时,膝关节需要带动小腿运动,此处需要加装驱动装置。踝关节(Ankle)主要实现脚围绕踝关节的上下大角度转动和左右小角度旋动,需要设置三个自由度,由于踝关节运动时力矩与力都较小,机构自适应脚踝动作即可,无需另装驱动装置。外骨骼下肢机构自由度如图3所示。
2.3 外骨骼步态跟踪与稳定性分析
作为目前机器人方面重点研究的项目之一,国内外学者普遍采用下肢轨迹跟踪和ZMP(Zero Moment Point,零力矩点)的方法进行设计研究和模拟仿真外骨骼机构。
传感器可以完成对人体运动的轨迹跟踪。各个关节处的扭转角度通过角度传感器测量;外骨骼的关节处的力和力矩的变化有力传感器测量;下肢运动的加速度由加速度传感器测量。通过传感器跟踪采集人体运动的相关数据信息,并转换为电压信号,经过调理电路处理后反馈到控制系统,即中央控制处理器,从而控制外骨骼的运动轨迹。由于实际应用中外界干扰较大以及传感器的精度还无法满足人体仿生运动中的实时跟踪要求,传感信号噪音较大,动力系统很难做出精确的动作。
所谓ZMP即指地面上一点,作用在外骨骼上的合力绕这点的力矩为零。海军航空工程学院陈占伏等人基于ADAMS的外骨骼虚拟样机模型仿真结果表明,如果ZMP位于外骨骼脚托支撑范围之内,则可以保持人体运动动态平衡;当ZMP位于外骨骼脚托支撑范围之外时,外骨骼机构理论上有翻转趋势。士兵穿戴外骨骼双腿行走时的稳定性是设整个硬件机械的设计关键,因此可以用ZMP来衡量双腿行走时外骨骼发生侧翻的可能性。根据人的行走习惯,可将人行走分为单腿支撑与双腿支撑。考虑单腿支撑时外骨骼脚托支撑范围小,实际设计时应保证ZMP有足够的稳定裕度。当人体处于快速运动状态时,外骨骼机构能够随动调整,从而保证ZMP稳定。实际上,ZMP仅考虑了外骨骼机构在X轴Y轴不发生翻转的条件,没有充分考虑外界干扰条件下,机构不发生其他形式的翻转的充分条件。
2.4 外骨骼能源动力系统分析
由于士兵负荷大,又对运动速度要求高,需要适应如山地、沙漠、坡地、等地形复杂环境。因此,单兵外骨骼对能源及动力系统要求较高。例如日本研制的P3机器人,供电电池重达30kg,但机器人工作极限时间仅25min。使用效率受到相关技术发展限制,外骨骼机构的效能极低,这也是制约外骨骼机器人发展的瓶颈之一。
外骨骼机构均为开链多杆机构,作为行走的辅助机构,它在行走时应保持身体行走顺畅,或对身体活动约束小,且转向灵活。从士兵运动负重来看,下肢外骨骼腿部需要承受较大载荷,需要缓冲从而保持稳定性。因此,使用具有稳定和承受转矩大等特点的液压或气压作为传动系统具有很大优势,但是,液(气)压驱动有它的缺点,这种驱动方式需要油(气)缸及液(气)压管路,易造成了外骨骼机构整体重量过大,不利于人体的穿戴。虽然它帮助士兵实现强大的力量和速度,但舒适体验性较差。
3结语
本文主要在理论上分析了单兵外骨骼机构和运动过程。通过工作原理分析,阐述了外骨骼结构的功能作用和设计思想。基于传感器和ZMP原理,理论上探讨了外骨骼步态跟踪与不发生翻转的必要条件,但外骨骼机构对地面的适应性和运动的灵活性仍需进一步提高。然后进一步从系统层面分析了运动机理,得出现阶段的外骨骼机构无法满足实用要求,仍需要改进的结论。外骨骼机器人在单兵武器装备等应用前景巨大,尽管目前在相关研究方面出现了一系列难题,但随着相关技术的不断进步不断发展,相信在不远的将来会有重大突破。
参考文献
[1]毕千.机械外骨骼在残疾人辅具和生活辅具中的应用.硅谷.2008(22).
[2]蔡兆云,等.外骨骼机器人技术研究综述.国防科技.2007(12).
[3]杨志勇,等.外骨骼机器人控制方法综述.海军航空工程学院学报.2009,24(5).
[4]陈占伏,等.下肢外骨骼机械结构的分析与设计.计算机仿真.2008,25(8).
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