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(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

現(xiàn)代高科技戰(zhàn)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(yùn)動等功能效果的機(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，幫助他們在搬運(yùn)、裝填炮彈時節(jié)省體力［3］，甚至可以幫助火炮裝填手實現(xiàn)自身無法到達(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、仿真計算等工作。

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)時腰椎的受力情況是本文分析的重點。彎腰搬運(yùn)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(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］上肢力臂的長度;整個背部肌肉的拉力。搬運(yùn)時，脊柱脊椎的力學(xué)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(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(yùn)50 kg的炮彈，搬運(yùn)時炮彈質(zhì)心到髖關(guān)節(jié)力臂長度為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(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，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(xué)模型G1

2 腰部助力裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

在分析現(xiàn)有各種機(jī)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(tǒng)，確定以液壓傳功［9］為主要傳動形式。根據(jù)液壓缸安裝位置的不同，分析設(shè)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(guān)鍵的幾個部件設(shè)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，本文采用滑塊在槽中的滑動來實現(xiàn)調(diào)節(jié)長度的功能。其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖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265 mm，上下長500 mm。人自然站立狀態(tài)下液壓缸長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)動在任意角度下都不會發(fā)生干涉。

2.2 髖關(guān)節(jié)傳動方案

髖關(guān)節(jié)傳動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帶動齒輪轉(zhuǎn)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(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(shè):不考慮人體肌肉等軟組織的受力及運(yùn)動情況;每一個部位在運(yùn)動過程中其機(jī)械特性都不會發(fā)生變化。

3.1 背部拉動方案仿真結(jié)果

首先在運(yùn)動學(xué)仿真中使得人體從站立狀態(tài)運(yùn)動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，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(guān)節(jié)傳動方案仿真結(jié)果

同背部拉動方案，首先在運(yùn)動學(xué)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(yùn)動學(xué)仿真分析可知，背部拉動方案同髖關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)傳動方案進(jìn)行動力學(xué)仿真。

圖8 運(yùn)動學(xué)仿真活塞桿行程變化

為了通過動力學(xué)仿真得出腰部助力裝置對于火炮裝填手搬運(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有穿戴背部助力裝置時，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)過反復(fù)修改，得出當(dāng)髖關(guān)節(jié)力矩為150 N·m時，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。此時活塞桿行程變化如圖10所示。

圖10 動力學(xué)仿真活塞桿行程變化

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

4 結(jié)論

本文通過對2種單兵腰部助力裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)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(guān)節(jié)傳動方案。結(jié)合生物力學(xué)，將人體搬運(yùn)時肌肉、關(guān)節(jié)的受力情況進(jìn)行簡化，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程中，齒條的運(yùn)動行程為7 cm，當(dāng)活塞桿推力為1000 N時，可以為火炮裝填手搬運(yùn)50 kg的炮彈時節(jié)約42%的體力，仿真數(shù)據(jù)證實了髖關(guān)節(jié)傳動方案的可行性。

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