陳壽齊，焦長(zhǎng)君，郭興功，饒 越

(1.中國(guó)人民解放軍73911部隊(duì)，南京 210012;2.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)彈藥的高消耗，使得火炮裝填手在裝填炮彈時(shí)耗費(fèi)大量體力。因此，作為一種可以讓火炮裝填手通過(guò)穿戴，從而提供支撐重量，輔助運(yùn)動(dòng)等功能效果的機(jī)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?cè)诎徇\(yùn)、裝填炮彈時(shí)節(jié)省體力［3］，甚至可以幫助火炮裝填手實(shí)現(xiàn)自身無(wú)法到達(dá)的能量。本文在參考了其他機(jī)械外骨骼助力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)［4-7］的基礎(chǔ)上，確定了單兵腰部助力系統(tǒng)的功能規(guī)劃，完成了初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算等工作。

1 炮手操作腰背生物力學(xué)分析

火炮裝填手在彎腰搬運(yùn)時(shí)腰椎的受力情況是本文分析的重點(diǎn)。彎腰搬運(yùn)時(shí)，脊柱好像一根固定在骨盆上的帶有樞軸的懸梁，骶骨相當(dāng)于樞軸，第5腰椎及其與骶骨相連結(jié)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(yùn)炮彈的質(zhì)量;炮彈到腰椎的距離，即炮彈力臂的長(zhǎng)度;火炮裝填手上肢質(zhì)心到腰椎的距離，即人體［8］上肢力臂的長(zhǎng)度;整個(gè)背部肌肉的拉力。搬運(yùn)時(shí)，脊柱脊椎的力學(xué)模型簡(jiǎn)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(guān)節(jié)反力，G1為人體上身的重量，G2為外負(fù)荷的重量之和，α代表腰椎的角度。計(jì)算腰椎所受力矩M時(shí)忽略F的影響:

本文的仿真對(duì)象為體重60 kg的火炮裝填手搬運(yùn)50 kg的炮彈，搬運(yùn)時(shí)炮彈質(zhì)心到髖關(guān)節(jié)力臂長(zhǎng)度為4 cm。炮手上身質(zhì)量為30 kg，其質(zhì)心到髖關(guān)節(jié)力臂長(zhǎng)度為2 cm，由式(1)計(jì)算可得腰椎所受力矩為260 N·m。針對(duì)火炮裝填手，本文所研究的腰部助力裝置主要完成以下動(dòng)作與功能要求:當(dāng)炮手彎下腰后，準(zhǔn)備開始搬運(yùn)炮彈，腰背與大腿近似角度為α，在搬起炮彈腰部直立的過(guò)程中，α角度逐漸減小直至為零。本文規(guī)定當(dāng)火炮裝填手處于下蹲的極限狀態(tài)時(shí)，α=100°。在此過(guò)程中外骨骼能夠提供傳動(dòng)幫助腰部的直立，而且在傳動(dòng)的過(guò)程中外骨骼完全配合人體腰部直立的動(dòng)作和時(shí)間。

圖1 脊柱脊椎力學(xué)模型G1

2 腰部助力裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在分析現(xiàn)有各種機(jī)械外骨骼的特征和用途后，針對(duì)本論文所研究的背部助力系統(tǒng)，確定以液壓傳功［9］為主要傳動(dòng)形式。根據(jù)液壓缸安裝位置的不同，分析設(shè)計(jì)了以下2種傳動(dòng)方案。

2.1 背部拉動(dòng)方案

背部拉動(dòng)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(dòng)的方案，以腿部為固定端，通過(guò)液壓缸直接拉動(dòng)人體背部，帶動(dòng)人體彎腰后腰背的直立，如圖2所示。

圖2 背部拉動(dòng)方案

在此方案中，關(guān)鍵的幾個(gè)部件設(shè)計(jì)如下:

1)腰背支撐裝置。如圖3所示，在使用腰部支撐裝置時(shí)，將肩夾固定在人的肩膀上，再通過(guò)背帶與腰帶將整個(gè)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，本文采用滑塊在槽中的滑動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的功能。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖3 腰背支撐裝置

圖4 腰部調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

2)彈簧。根據(jù)腰背助力裝置的結(jié)構(gòu)要求，炮手操作腰背生物力學(xué)，規(guī)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(yīng)的壓縮變形量為10～20 mm，最小工作載荷略為10 N。經(jīng)分析計(jì)算，選用60Si2Mn鋼絲材質(zhì)，直徑d=4 mm，有效圈數(shù)為8.5圈。

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

圖5 腿部支撐裝置

4)聯(lián)軸器。如圖6所示，選用十字軸式單萬(wàn)向聯(lián)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(yùn)動(dòng)在任意角度下都不會(huì)發(fā)生干涉。

2.2 髖關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案

髖關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案是將齒輪安裝在腿部固定端，齒輪中心與髖關(guān)節(jié)重合，與液壓缸焊接的齒條傳動(dòng)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再帶動(dòng)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(wàn)向聯(lián)軸器

3 腰部助力裝置仿真分析

一般人體的搬運(yùn)主要體現(xiàn)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(gè)部分之間的受力情況。而且將這四個(gè)部分視為剛體并做以下兩點(diǎn)假設(shè):不考慮人體肌肉等軟組織的受力及運(yùn)動(dòng)情況;每一個(gè)部位在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中其機(jī)械特性都不會(huì)發(fā)生變化。

3.1 背部拉動(dòng)方案仿真結(jié)果

首先在運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真中使得人體從站立狀態(tài)運(yùn)動(dòng)至要求的下蹲極限狀態(tài)。在液壓桿頂端和液壓缸底端各定義一點(diǎn)，在仿真中得出兩點(diǎn)之間的距離變化。圖7所示為在背部拉動(dòng)仿真中兩點(diǎn)之間的距離變化，即活塞桿的行程變化。

圖7 背部拉動(dòng)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(guò)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(guān)節(jié)傳動(dòng)方案仿真結(jié)果

同背部拉動(dòng)方案，首先在運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真中測(cè)出液壓缸中活塞桿的行程變化，如圖8所示。

由圖8計(jì)算可得，活塞桿的最大相對(duì)行程:0.4622-0.39=0.0722 m。由運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析可知，背部拉動(dòng)方案同髖關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案相比，通過(guò)液壓缸拉動(dòng)背架具有一定的局限性，故只對(duì)髖關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。

圖8 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真活塞桿行程變化

為了通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真得出腰部助力裝置對(duì)于火炮裝填手搬運(yùn)的效果，本文將人體三維模型置于要求的下蹲極限狀態(tài)，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(zhì)量)，添加方向沿齒條運(yùn)動(dòng)方向的1000 N的力。反復(fù)修改髖關(guān)節(jié)處的力矩直至人體完全站立。為了簡(jiǎn)化仿真，將小腿處于固定狀態(tài)，如圖9所示。

圖9 炮手搬運(yùn)初始姿態(tài)

由上文可知在人體沒(méi)有穿戴背部助力裝置時(shí)，搬運(yùn)50 kg的炮彈腰部需要承受260 N·m的彎矩。在仿真中經(jīng)過(guò)反復(fù)修改，得出當(dāng)髖關(guān)節(jié)力矩為150 N·m時(shí)，人體可以完全站立。故可近似認(rèn)為此火炮裝填手在穿戴腰部裝置后搬運(yùn)50Kg時(shí)髖關(guān)節(jié)力矩減小了110 N·m。即可認(rèn)為節(jié)省了42%的體力。此時(shí)活塞桿行程變化如圖10所示。

圖10 動(dòng)力學(xué)仿真活塞桿行程變化

即活塞桿運(yùn)動(dòng)行程:0.2578-0.1852=0.0726 m，與髖關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案的運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)果相符。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)2種單兵腰部助力裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真分析可知，背部拉動(dòng)方案對(duì)人體彎腰角度有一定局限性，故采取通過(guò)齒輪齒條嚙合傳動(dòng)的髖關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案。結(jié)合生物力學(xué)，將人體搬運(yùn)時(shí)肌肉、關(guān)節(jié)的受力情況進(jìn)行簡(jiǎn)化，在仿真中得出在人體從下蹲極限姿態(tài)搬運(yùn)炮彈到身體直立的過(guò)程中，齒條的運(yùn)動(dòng)行程為7 cm，當(dāng)活塞桿推力為1000 N時(shí)，可以為火炮裝填手搬運(yùn)50 kg的炮彈時(shí)節(jié)約42%的體力，仿真數(shù)據(jù)證實(shí)了髖關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案的可行性。

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