何龍，姜荃，李鵬杰，徐誠(chéng)

（1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院自動(dòng)武器系，江蘇，南京 210094；2.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 第705 研究所昆明分部，云南，昆明 650032；3.中國(guó)兵器工業(yè)第208 研究所，北京 102202）

穿戴式武器臂是一種新型單兵上肢外骨骼，是未來(lái)超級(jí)士兵的主要組成部分，對(duì)提高單兵火力打擊效能具有重要作用，近年來(lái)受到了世界各國(guó)輕武器學(xué)者的關(guān)注，開(kāi)展穿戴武器臂的人槍耦合系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題研究對(duì)未來(lái)研發(fā)和應(yīng)用穿戴式武器臂具有重要意義.

穿戴式武器臂的概念來(lái)源于可穿戴式外肢體機(jī)械臂，目前可穿戴外肢體機(jī)械臂主要應(yīng)用于工業(yè)制造和康復(fù)領(lǐng)域，大部分產(chǎn)品還處在試驗(yàn)驗(yàn)證階段[1-3].美國(guó)麻省理工學(xué)院與波音公司的相關(guān)技術(shù)人員合作開(kāi)發(fā)的可穿戴式外肢體機(jī)器人 (supernumerary robotic limbs, SRL)[4-7]，用于輔助飛機(jī)裝配工人的工作.有效避免工人長(zhǎng)時(shí)間工作造成的雙手疲勞，提高了工作效率和工作質(zhì)量.可穿戴外肢體機(jī)械臂的輕量化和舒適化一直是人們研究的目標(biāo)[8-9].引入可穿戴式外肢體機(jī)械臂概念輔助射手射擊，就是穿戴式武器臂.美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室目前正在開(kāi)發(fā)和測(cè)試一種可穿戴式武器臂，名為“第三只手武器掛載系統(tǒng)”[10]，該武器臂是一種能夠?yàn)閱伪淦魃鋼魰r(shí)提供支撐，減輕穿戴者手臂的負(fù)重，降低士兵疲勞，提高射擊穩(wěn)定性.國(guó)內(nèi)兵器工業(yè)208 所和南京理工大學(xué)[11]也進(jìn)行了穿戴式武器臂研究，完成了原理樣機(jī)的研制，并演示了其輔助射擊功效.但仍缺乏對(duì)其人槍系統(tǒng)作用工作機(jī)制的認(rèn)識(shí)和設(shè)計(jì)理論方法.

人槍系統(tǒng)相互作用發(fā)射動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)士兵作戰(zhàn)效能有重要影響，一直是輕武器行業(yè)學(xué)術(shù)研究的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，已經(jīng)開(kāi)展了大量研究工作，典型的有：針對(duì)立姿無(wú)依托人槍系統(tǒng)，李永新等[12]建立了4 剛度8 自由度動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型，預(yù)測(cè)了發(fā)射響應(yīng)；王亞平等[13]建立了12 剛度32 自由度仿真模型，進(jìn)一步分析了發(fā)射過(guò)程中人體關(guān)鍵部位的動(dòng)力沖擊情況；包建東等[14]進(jìn)一步分析和識(shí)別了立姿無(wú)依托人槍系統(tǒng)模型參數(shù)，改進(jìn)了人槍系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型.王緣等[15]建立了立姿無(wú)依托人槍系統(tǒng)逆向動(dòng)力學(xué)模型，更細(xì)致描述了射擊過(guò)程骨骼肌肉力學(xué)行為。

目前國(guó)內(nèi)外進(jìn)一步開(kāi)發(fā)穿戴式武器臂仍需要解決人機(jī)耦合相互作用分析方法和穿戴式武器臂輔助射擊試驗(yàn)評(píng)估等問(wèn)題，但目前國(guó)內(nèi)外人槍系統(tǒng)及其相互作用分析模型研究主要集中在無(wú)穿戴武器臂的常規(guī)射擊狀態(tài)[12-15]，對(duì)穿戴式武器臂人槍系統(tǒng)的定量測(cè)量、建模仿真和作用機(jī)理等研究仍屬空白，急需對(duì)穿戴式武器臂人槍系統(tǒng)發(fā)射響應(yīng)進(jìn)行定量分析與研究.

本文提出了一種穿戴式武器臂總體結(jié)構(gòu)方案，重點(diǎn)研究穿戴式武器臂輔助射擊人機(jī)耦合發(fā)射響應(yīng)問(wèn)題，目的是為未來(lái)穿戴式武器臂設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐.

1 穿戴式武器臂結(jié)構(gòu)方案

穿戴式武器臂總體結(jié)構(gòu)及機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖分別如圖1和圖2 所示，本文設(shè)計(jì)的穿戴式武器臂由側(cè)臂組件、上臂組件、武器掛載臂、穿戴接口等組成，側(cè)臂組件由兩個(gè)連接臂通過(guò)絞鏈連接，可提供2 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，在士兵穿戴持槍時(shí)，協(xié)助士兵握持槍械，鉸接的各個(gè)臂提供給掛載槍械一定的操作自由度，在承受槍械質(zhì)量和發(fā)射沖擊的同時(shí)，把對(duì)士兵干涉降到最低.上臂組件由兩個(gè)長(zhǎng)臂、兩個(gè)短臂組件組成，通過(guò)絞鏈連結(jié)，形成平形四邊形框架結(jié)構(gòu)，整個(gè)上臂組件可以作仰俯運(yùn)動(dòng)，上臂組件利用了平行四邊形對(duì)邊平行關(guān)系不變的特性，在連桿機(jī)構(gòu)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中使得末端保持某種姿態(tài)不變，從而達(dá)到末端穩(wěn)定的效果.沿平行四邊形框架的對(duì)角線添加彈性元件，用以阻止四邊形的變形趨勢(shì)，約束四邊形的變形量，讓武器臂對(duì)掛載的槍械有一個(gè)彈性支撐，實(shí)現(xiàn)可穿戴武器臂裝置在承托槍械質(zhì)量的情況下，使穿戴者可以操控槍械做出一系列的動(dòng)作.武器掛載臂與上臂組件剛性連接，用于掛載槍械，在其上端有武器掛載接口，該接口設(shè)計(jì)成具備雙向緩沖器功能的皮卡汀尼導(dǎo)軌掛載接口.武器臂穿戴接口設(shè)計(jì)成防彈插板的形狀，直接插入防彈背心中，可穿脫便捷，同時(shí)無(wú)需對(duì)防彈背心做任何改動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了武器臂與現(xiàn)有單兵裝備有機(jī)的結(jié)合，避免了單獨(dú)設(shè)計(jì)穿戴裝具，有著較好的適用性.

圖1 穿戴式武器臂總體結(jié)構(gòu)方案Fig.1 The overall structure scheme of the wearable weapon arm

圖2 穿戴式武器臂機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 The mechanism diagram of the wearable weapon arm

穿戴式武器臂設(shè)計(jì)目的是承載槍械的主要質(zhì)量，將槍械的質(zhì)量和發(fā)射沖擊載荷分散到人體軀干，有效減輕穿戴者的雙手負(fù)擔(dān).使得穿戴者處于立姿無(wú)依托的射擊狀態(tài)下，增加穿戴者持槍的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，提高槍械的射擊精度.

2 穿戴武器臂的人槍系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

2.1 武器臂輔助持槍實(shí)驗(yàn)

本文研制了穿戴式武器臂實(shí)驗(yàn)樣機(jī)（如圖3 和4所示），并選擇3 名有一定射擊經(jīng)驗(yàn)的男性射手作為受測(cè)試對(duì)象，在有/無(wú)穿戴武器臂狀態(tài)下進(jìn)行了持槍瞄準(zhǔn)實(shí)驗(yàn).射手身高（175±10）cm、年齡（25±3）歲、體重（75±10）kg，所有受試者均身體健康，被測(cè)試肌肉無(wú)不良癥狀.

圖3 穿戴式武器臂與人體耦合示意圖Fig.3 Human-gun system with wearing weapon arm

圖4 穿戴式武器臂樣機(jī)Fig.4 A prototype of the wearable weapon arm

采用16 通道Delsys 表面肌電測(cè)試系統(tǒng)采集射手左右臂和軀干肌肉的表面肌電信號(hào)，對(duì)比分析射手在有/無(wú)穿戴武器臂狀態(tài)下舉槍瞄準(zhǔn)時(shí)相關(guān)肌肉參與動(dòng)作的激活程度和疲勞情況.如圖5 所示，射手每條手臂采集的部位分別為斜方肌、三角肌、肱三頭肌、肱二頭肌、肱橈肌、肱側(cè)腕屈肌、背闊肌，采樣頻率為2 kHz.

圖5 射手表面肌電測(cè)量Fig.5 Measuring surface electromyography on the shooter

受試者在有/無(wú)穿戴武器臂狀態(tài)下立姿據(jù)槍瞄準(zhǔn)100 s 后，對(duì)表面肌電測(cè)試系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理.一位典型受試者實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6～8 所示.

圖6 左手積分肌電值對(duì)比Fig.6 Left hand integral EMG value comparison

圖6 是一位典型受試者左手肌肉的積分肌電值柱狀圖對(duì)比情況，在武器臂的輔助下，左手肌肉的積分肌電值除三角肌外均有明顯的下降，肱二頭肌的下降尤為顯著，相比較下降了62%，說(shuō)明此部分肌肉發(fā)力托舉槍械動(dòng)作的激活程度明顯降低，因此可知武器臂對(duì)槍械的支撐作用比較明顯.

圖7 是右手肌肉的積分肌電值柱狀圖對(duì)比情況，在武器臂輔助持槍狀態(tài)下右手肌肉的積分肌電值相比較正常立姿持槍時(shí)有所下降，但下降幅度不明顯，主要原因是右手握持的部分不承擔(dān)槍械的主要質(zhì)量，肱二頭肌的激活程度也較低.

圖7 右手積分肌電值對(duì)比Fig.7 Right hand integral EMG value comparison

圖8 是該位受試者軀干肌肉積分肌電值對(duì)比圖，可以看出人體在穿戴上武器臂后，對(duì)軀干主要肌肉產(chǎn)生的影響較小，肌肉參與活動(dòng)的激活度與正常立姿持槍時(shí)基本保持一致，武器臂對(duì)軀干肌肉產(chǎn)生的負(fù)擔(dān)不大.

圖8 軀干肌肉積分肌電值對(duì)比Fig.8 Body integral EMG value comparison

其他受試者的試驗(yàn)結(jié)果與圖6～8 類(lèi)似，通過(guò)數(shù)據(jù)一致性檢驗(yàn)，可知3 位受試者的肌電特性具有較好的一致性（假設(shè)檢驗(yàn)中的P＜0.01），穿戴武器臂左手肱二頭肌的下降尤為顯著，武器臂對(duì)槍械的支撐作用比較明顯.

2.2 穿戴武器臂的人槍系統(tǒng)發(fā)射響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

本文采用Codamotion 三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)采集連發(fā)和單發(fā)射擊過(guò)程中槍口運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了射手在有/無(wú)穿戴武器臂狀態(tài)下射擊的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，采樣頻率為200 Hz，測(cè)量標(biāo)識(shí)點(diǎn)位置誤差在0.05 mm 內(nèi).

2.2.1 三發(fā)點(diǎn)射響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9～11 是實(shí)驗(yàn)獲得的射手在有/無(wú)穿戴武器臂輔助下持槍射擊過(guò)程中槍口的運(yùn)動(dòng)位移曲線.

圖9 和圖10 中，射手在有/無(wú)穿戴武器臂輔助下,槍口在后坐方向的位移分別為43 mm、 74 mm，槍口在豎直方向的位移分別為25.3 mm、42.1 mm；射手在武器臂的輔助下連發(fā)射擊時(shí)槍口后坐和豎直方向的位移量相比較正常持槍射擊狀態(tài)分別下降了41%、40%，這是因?yàn)槲淦鞅鄣囊欢伺c槍身連接，在豎直方向?qū)屝涤兄巫饔?，使得槍口在后坐、豎直方向的運(yùn)動(dòng)得到了有效抑制，射擊也更加地穩(wěn)定.

圖10 連發(fā)槍口豎直位移曲線對(duì)比Fig.10 Comparison of vertical displacement curves of burst muzzle

圖11 中，射手在有/無(wú)穿戴武器臂輔助下,槍口在水平方向的位移分別為21 mm、22.5 mm，射手有穿戴武器臂輔助狀態(tài)下射擊的槍口水平位移增加了7%.原因是武器臂與槍身連接改變了原來(lái)槍械重心的位置，使得槍械重心在水平方向上沒(méi)有與槍管軸線重合，而武器臂在水平方向?qū)屝禌](méi)有起到支撐作用，從而增加了槍口在水平方向的位移.由于點(diǎn)射過(guò)程槍口豎直位移對(duì)射彈散布影響最大，故盡管射擊時(shí)槍口水平位移增大，但有穿戴武器臂射擊綜合性能比無(wú)武器臂狀態(tài)要好.

圖11 連發(fā)槍口水平位移曲線對(duì)比Fig.11 Comparison of horizontal displacement curves of burst muzzle

表1 是3 位不同射手穿戴武器臂時(shí)三發(fā)點(diǎn)射槍口垂直位移試驗(yàn)結(jié)果，與不戴武器臂相比，槍口跳動(dòng)都大幅下降.在10 m 射距，測(cè)量三發(fā)點(diǎn)射散布，以首發(fā)彈著點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，包括第一、二、三發(fā)彈著點(diǎn)的三發(fā)點(diǎn)射散布R100 值見(jiàn)表2，3 個(gè)射手穿戴武器臂輔助下R100 平均值從34.67 cm 減小到26.55 cm，減小了23.4%.

表1 3 位射手的槍口垂直位移Tab.1 Muzzle vertical displacement of three-shooter

表2 三發(fā)點(diǎn)射散布R100（10 m 射距）Tab.2 Three-shot point-fire dispersion R100 (10 m shoot distance)

2.2.2 單發(fā)射擊響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為分析射手有/無(wú)穿戴武器臂射擊響應(yīng)恢復(fù)情況，本文專(zhuān)門(mén)進(jìn)行了單發(fā)射擊槍口響應(yīng)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)獲得的兩種持槍射擊狀態(tài)下單發(fā)槍口運(yùn)動(dòng)位移曲線如圖12～圖14 所示.

圖12 單發(fā)槍口后坐恢復(fù)對(duì)比圖Fig.12 Comparison of single-shot recoil recovery

圖13 單發(fā)槍口上跳恢復(fù)對(duì)比Fig.13 Comparison of single-shot muzzle jump recovery

圖14 單發(fā)槍口橫跳恢復(fù)對(duì)比Fig.14 Comparison of single-shot muzzle horizontal jump recovery

將“擊發(fā)后槍口第一次回復(fù)至原瞄準(zhǔn)點(diǎn)位置（L=0 位置）需要的時(shí)間”定義為“槍口跳動(dòng)恢復(fù)用時(shí)”，由以上的曲線對(duì)比圖可以看出，槍械擊發(fā)后射手迅速將槍口回復(fù)至原瞄準(zhǔn)點(diǎn)位置，相比較正常持槍射擊情況，射手在武器臂的輔助下將槍口恢復(fù)到原點(diǎn)的用時(shí)更短，同時(shí)槍口在3 個(gè)方向的位移量也明顯下降，射手的射擊穩(wěn)定性得到顯著提升.

表3 是3 個(gè)射手有/無(wú)穿戴武器臂槍口跳動(dòng)恢復(fù)用時(shí)平均值，不同射手穿戴武器臂在不同方向上的恢復(fù)用時(shí)平均值也明顯下降.

表3 槍口跳動(dòng)恢復(fù)用時(shí)對(duì)比（3 個(gè)射手平均值）Tab.3 Comparison of gun muzzle bounce recovery time

通過(guò)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析可以得到以下結(jié)論：穿戴武器臂有助于提高槍口恢復(fù)速度，減小槍口上跳的位移量，減小槍械射擊的垂直散布，提高射手的射擊穩(wěn)定性和點(diǎn)射射擊精度.試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果皆證明武器臂能夠?qū)崿F(xiàn)穿戴者持槍穩(wěn)定射擊的功能，驗(yàn)證了穿戴式武器臂方案設(shè)計(jì)的可行性.

3 穿戴武器臂的人槍系統(tǒng)建模與計(jì)算分析

3.1 有無(wú)穿戴武器臂立姿無(wú)依托人槍相互作用仿真模型

為了在設(shè)計(jì)階段分析穿戴武器臂的射擊性能，本文采用ADAMS 仿真平臺(tái)分別建立了人體立姿無(wú)依托人槍相互作用仿真模型和人體穿戴武器臂持槍人槍相互作用仿真模型，進(jìn)行了人體穿戴武器臂持槍射擊與射手正常持槍射擊狀態(tài)對(duì)比分析，為穿戴武器臂提供了基本設(shè)計(jì)分析方法.建模時(shí)基本假設(shè)如下：

（1）根據(jù)人體響應(yīng)研究，人體肌肉對(duì)外界刺激響應(yīng)時(shí)間需要約300 ms，僅考慮3 發(fā)點(diǎn)射300 ms 內(nèi)響應(yīng)，假設(shè)人體肌肉無(wú)主動(dòng)響應(yīng)控制動(dòng)作，人體看作被動(dòng)的多體系統(tǒng)模型，忽略人體自身的生物活動(dòng)的影響，如生物體正常生理活動(dòng)所產(chǎn)生的微小晃動(dòng)等.

（2）由于人體的骨頭十分堅(jiān)硬，在運(yùn)動(dòng)和受力過(guò)程中不考慮骨頭的變形，因此將其視為剛體；各關(guān)節(jié)間使用球鉸接副連接，施加彈簧和阻尼約束關(guān)節(jié)的相對(duì)自由度，同時(shí)調(diào)整彈簧系統(tǒng)參數(shù)模擬骨骼肌肉的作用力.

（3）采用彈簧模擬背帶繩將武器臂的戰(zhàn)術(shù)插板與人體連接；武器臂輔助射擊時(shí)人體模型的持槍姿勢(shì)保持不變，武器臂的活動(dòng)部件按照設(shè)計(jì)方案中的運(yùn)動(dòng)關(guān)系設(shè)置與之對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副，通過(guò)調(diào)整武器臂的活動(dòng)部件適應(yīng)持槍姿勢(shì).

（4）不考慮槍械和武器臂零部件的裝配間隙，槍械發(fā)射作用載荷主要考慮膛底第一沖量、自動(dòng)機(jī)后坐到位碰撞第二沖量等.

以一個(gè)身高175 cm、質(zhì)量65 kg 標(biāo)準(zhǔn)的男性人體和M4 突擊步槍為對(duì)象在ADAMS 仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真建模[16]，人體模型由頭部R1、上軀干R2、下軀干R3、左上臂R4、右上臂R5、左前臂R6、 右前臂R7、左大腿R8、右大腿R9、左小腿R10、右小腿R11 組成，人體基本參數(shù)及與文獻(xiàn)[12]相同，模型各部分連接與約束關(guān)系如下：

（1）頭部與上軀干采用球鉸連接；

（2）上軀干與下軀干、左上臂和右上臂均采用球鉸連接；

（3）下軀干與左大腿和右大腿均采用球鉸連接；

（4）左上臂與左前臂采用球鉸連接；

（5）右上臂與右前臂采用球鉸連接；

（6）左前臂與槍體間為接觸約束；

（7）右前臂與槍體間為接觸約束；

（8）左大腿與左小腿采用球鉸連接；

（9）右大腿與右小腿采用球鉸連接；

（10）左小腿與大地間采用平移約束；

（11）右小腿與大地間采用平移約束；

（12）槍械與左右手和上軀干有3 個(gè)接觸約束.穿戴武器臂時(shí)，除上面3 個(gè)接觸約束外，武器掛載臂的緩沖器與武器機(jī)匣的皮卡汀尼導(dǎo)軌連接；

（13）穿戴背板與人體上軀干為接觸副，采樣6個(gè)彈簧阻尼模擬背帶，使武器臂穩(wěn)定地背負(fù)在人體模型上；

（14）穿戴式武器臂主體與穿戴背板為軸絞連接，側(cè)臂組件與上臂組件為軸絞連接，穿戴式武器臂主體共3 個(gè)自由度.

按上述處理建立的人體立姿正常握持槍射擊和穿戴武器臂持槍射擊人槍相互作用仿真模型如圖15 所示.人體立姿正常握持槍射擊模型具有12 個(gè)剛體、32 個(gè)自由度；人體立姿穿戴武器臂持槍射擊仿真模型具有16 個(gè)剛體、41 個(gè)自由度.調(diào)整人體模型各關(guān)節(jié)上的彈簧阻尼參數(shù)設(shè)置，使得人體在立姿持槍瞄準(zhǔn)狀態(tài)下保持平衡和穩(wěn)定.模型影響槍口響應(yīng)的主要?jiǎng)偠群妥枘釁?shù)是抵肩部、上軀干腰部和武器臂緩沖器的參數(shù)，其取值如表4 所示.

表4 模型主要?jiǎng)偠扰c阻尼參數(shù)Tab.4 Main stiffness and damping parameters of the model

圖15 Adams 人-槍系統(tǒng)仿真模型Fig.15 Man-gun system simulation model in Adams

采用如下經(jīng)典內(nèi)彈道方程組確定中每發(fā)射擊時(shí)的火藥氣體膛底合力.其具體方程如式（1）和（2）所示.

式中：S為內(nèi)膛面積；P為膛內(nèi)平均壓力；f為火藥力；Ψ為已經(jīng)火藥燃燒的相對(duì)質(zhì)量；φ為次要功系數(shù)；Z為相對(duì)已燃厚度；ω為裝藥量；m為彈頭質(zhì)量；θ為絕熱系數(shù)；u1為火藥燃燒系數(shù)；δ1為1/2 火藥藥厚；n為燃速指數(shù)；χ、λ、μ為火藥形狀特征量；LΨ為藥室自由容積縮徑長(zhǎng).

采用M4 突擊步槍自動(dòng)機(jī)虛擬樣機(jī)模型獲得自動(dòng)機(jī)撞擊力.根據(jù)M4 突擊步槍的自動(dòng)發(fā)射頻率以及自動(dòng)機(jī)運(yùn)行規(guī)律，施加三連發(fā)射擊的作用載荷.根據(jù)M4 射實(shí)際擊過(guò)程設(shè)置每次發(fā)射間隔時(shí)間0.01 s，第一沖量（膛底合力）與第二沖量（自動(dòng)機(jī)后坐到位撞擊力）間隔時(shí)間0.025 s.導(dǎo)入Adams 人槍相互作用模型中，三連發(fā)的載荷輸入曲線圖如圖16 所示.

圖16 三連發(fā)載荷輸入曲線Fig.16 Load input curve of three burst recoil

3.2 仿真計(jì)算與分析

設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)為0.3 s（300 ms），仿真步數(shù)為1 500步，對(duì)人體立姿正常握持槍射擊和穿戴武器臂持槍射擊仿真模型進(jìn)行仿真模擬，計(jì)算結(jié)果如圖17～20 所示.

圖17 兩種射擊狀態(tài)下抵肩力對(duì)比Fig.17 Comparison of shoulder force in two shooting states

圖17 是有無(wú)武器臂持槍射擊時(shí)槍械抵肩力曲線對(duì)比情況，正常持槍械射擊狀態(tài)下槍械作用于人體模型產(chǎn)生的抵肩力為412.0 N；武器臂輔助射擊狀態(tài)下產(chǎn)生的抵肩力220.0 N，相比較正常握持槍械射擊狀態(tài)抵肩力下降了46.6%.這是因?yàn)槲淦鞅鄣囊欢伺c槍身連接，武器臂的緩沖器和鉸接機(jī)構(gòu)對(duì)槍械的后坐運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)起到了一定的抑制作用，使槍械后坐力對(duì)人體的沖擊得到了大幅度減緩.

圖18～20 分別給出了有無(wú)武器臂持槍射擊時(shí)槍口在后坐、豎直、水平方向上的位移響應(yīng)曲線.

圖18 槍口后坐位移響應(yīng)曲線對(duì)比Fig.18 Muzzle recoil displacement curve comparison

圖18 和圖19 中，人體穿戴武器臂與穿戴武器臂相比，槍口后坐方向的位移計(jì)算結(jié)果減少了28.2%，槍口的豎直位移計(jì)算結(jié)果減少了39.3%，武器臂給槍械提供了豎直方向的支撐，有效抑制了槍口上跳的幅度，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)基本一致.

圖19 槍口豎直位移曲線對(duì)比Fig.19 Muzzle vertical displacement curve comparison

圖20 中，人體在有/無(wú)穿戴武器臂輔助下,槍口在水平方向的位移分別為14.7 mm、16.4 mm，有穿戴武器輔助的狀態(tài)下槍口的水平位移增加了11.5%.

圖20 水平位移量對(duì)比Fig.20 Horizontal displacement comparison

由于仿真模型計(jì)算只進(jìn)行了300 ms，將有/無(wú)穿戴武器臂輔助射擊時(shí)300 ms 槍口響應(yīng)實(shí)驗(yàn)值與仿真計(jì)算值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖21、圖22 和表5 所示，誤差在工程可接受范圍內(nèi)，說(shuō)明本文建立的穿戴武器臂立姿無(wú)依托人槍相互作用動(dòng)力學(xué)仿真模型是正確和可信的.

表5 穿戴武器臂輔助射擊時(shí)300 ms 槍口響應(yīng)實(shí)驗(yàn)值與仿真計(jì)算值對(duì)比Tab.5 Comparison of 300 ms muzzle response test value and simulation calculation value when wearing arms to assist shooting

圖21 正常射擊連發(fā)槍口后坐位移響應(yīng)計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)比Fig.21 Comparison of recoil displacement curves of burst muzzle between test and simulation calculation value without wearing arms

圖22 武器臂輔助射擊連發(fā)槍口后坐位移計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)比Fig.22 Comparison of recoil displacement curves of burst muzzle between test and simulation calculation value with wearing arms

4 結(jié) 論

本文提出了一種可穿戴武器臂的總體方案，研制了可穿戴武器臂原理樣機(jī)，進(jìn)行了典型射手有/無(wú)穿戴武器臂人槍耦合系統(tǒng)發(fā)射響應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究；并建立了有/無(wú)穿戴武器臂狀態(tài)立姿無(wú)依托人槍相互作用動(dòng)力學(xué)仿真模型，進(jìn)行了仿真分析.主要結(jié)論如下：

①典型射手穿戴武器臂立姿無(wú)依托點(diǎn)射時(shí)槍口后坐和豎直方向的位移量相比“無(wú)武器臂持槍射擊狀態(tài)”大幅下降，抵肩力也大幅下降，槍口水平跳動(dòng)位移有所增大，射擊完成后槍口跳動(dòng)恢復(fù)用時(shí)明顯下降，射擊穩(wěn)定性明顯提高.

②典型射手穿戴武器臂立姿持槍瞄準(zhǔn)時(shí)左手肌肉的積分肌電值除三角肌外均有明顯的下降，肱二頭肌的下降尤為顯著，武器臂對(duì)槍械的支撐作用比較明顯.

③本文建立的典型射手穿戴武器臂立姿無(wú)依托人槍相互作用動(dòng)力學(xué)仿真模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，可用于在設(shè)計(jì)穿戴武器臂時(shí)分析動(dòng)態(tài)響應(yīng).