金 鑫，周克棟，赫 雷，黃雪鷹，張俊斌

（1.南京理工大學機械工程學院，南京 210094；2.中國人民解放軍63856部隊，吉林 白城 137001）

人槍系統(tǒng)中人體握持主動力非破壞測量方法

金 鑫1，周克棟1，赫 雷1，黃雪鷹2，張俊斌2

（1.南京理工大學機械工程學院，南京 210094；2.中國人民解放軍63856部隊，吉林 白城 137001）

為獲得連續(xù)射擊時人體握持主動力參數(shù)，提出一種人體握持主動力的測量方法。該方法設計了基于仿生學及人機工程學的仿生握爪，以等效代替人手握持射擊。仿生握爪能夠在不破壞槍支的情況下獲得連續(xù)射擊時人槍作用力的等效力系，該力系經(jīng)EMD分解可得顯現(xiàn)的握持主動力分量。所得的握持主動力參數(shù)對研究射擊精度影響因素等課題具有重要意義。實驗結(jié)果表明，該方法能準確反映連續(xù)射擊時人槍系統(tǒng)力的作用。

握持主動力；非破壞式；人槍系統(tǒng)

考核武器系統(tǒng)的一個重要技術(shù)指標就是連發(fā)射擊精度［1］。實際射擊時，精度不僅受武器本身的客觀影響，同時也受到試驗射手極大的主觀影響。為客觀地考核武器的連發(fā)射擊精度，需要設計一個標準化槍架，以排除試驗射手不同所帶來的隨機測試誤差。標準化槍架的設計需要對人槍系統(tǒng)射擊時的姿態(tài)、位移及相互作用力有準確且完整的了解。前人的工作包括了槍口位移［2］、抵肩力、人體位移等參數(shù)的測量，但是研究都針對單發(fā)或三發(fā)以下連續(xù)射擊，對于三發(fā)或以上連續(xù)射擊時人體雙手握持力（尤其是主動反應階段）的測量卻甚少研究。

據(jù)生物學研究［3］可知，神經(jīng)系統(tǒng)響應時間約為150～200 ms，而肌肉響應時間則在300 ms以上。因此，對于射頻為600發(fā)／min的連發(fā)武器［4］而言，三發(fā)以內(nèi)的連發(fā)或點射，射手仍處于被動狀態(tài)，沒有握持主動力作用。但當連續(xù)射擊超過三發(fā)時，人槍系統(tǒng)間存在握持主動力作用。文獻［5－6］雖然提出了一種握把處握持主動力測試方法，但存在兩個缺點：①該方法需要破壞槍體，因此不具備普適性和重復性；②該方法只測試了握把處兩個方向上的握持主動力，并不能完整地反映連續(xù)射擊時人體握持主動力的全部情況。

鑒于以上分析，本文提出了一種非破壞式人體握持主動力測試方法。該方法不需對武器本身造成破壞，具有通用性和重復性。測試方法能完整地測量連續(xù)射擊時人體左右手的全部握持主動力。實驗結(jié)果表明，本文方法能較為客觀地反映連續(xù)射擊時人體主動作用狀態(tài)。

1 測試對象受力分析

人槍系統(tǒng)以600發(fā)／min射頻連續(xù)射擊超過三發(fā)后，人體神經(jīng)中樞開始響應，控制肢體肌肉進行射擊姿態(tài)調(diào)節(jié)，如肩部肌肉的收縮、手臂的下拉和左撇，對于這些主動響應時期的人體狀態(tài)稱之為主動態(tài)。

人槍系統(tǒng)相互作用情況較為復雜，其中人手握持主動力的示意圖見圖1。根據(jù)射擊操作規(guī)范及射手經(jīng)驗可知，握持過程中人體左手或右手握住槍械護木處，主要提供非均布的正壓力NL和靜摩擦力fL。右手或左手握住槍械握把處，主要提供向后壓緊的拉力FR。由于槍械和人手并不發(fā)生相對位移，因此摩擦力fL并不等于最大靜摩擦力fN＝μ·NL。因此現(xiàn)有的測量儀器和手段無法測得人左手的握持主動力fL。

本文提出的非破壞式人體握持主動力測試方法是基于控制輸出結(jié)果一致的基本思想：實際射擊時人手與槍體相對固接，即沒有相對滑動，手臂對人手產(chǎn)生主動作用，二者以手腕關(guān)節(jié)連接并傳遞力的作用；本文方法則以仿生握爪與槍體相對固接，人手對握爪產(chǎn)生主動作用，二者以手腕關(guān)節(jié)連接并傳遞力的作用。綜上所述，本文以槍械護木下方（即人手腕關(guān)節(jié)位置處）的三向力（FLX、FLY、FLZ）來等效代替前護木下方握持手的正壓力NL和摩擦力fL的合成力系。

圖1 人槍系統(tǒng)人手握持主動力示意圖Fig.1 Diagram of active griping force of human-weapon system

2 測試方法的設計及試驗簡述

本文基于上述基本思想，設計了利用仿生握爪代替人手握持槍械進行連續(xù)射擊獲得握持主動力的測試方法。該方法的難點在于設計仿生握爪的握持方式與握持力大小應與實際情況盡量一致，為此本文進行了大量射擊試驗以獲得實際情況下人的手指各個位置的正壓力參數(shù)，見表1，同時設計了以柔性彈簧作為手指關(guān)節(jié)的仿生握爪以保證對不同槍械的握持效果。最后將加工好的仿生握爪與槍械實際裝夾測試其握持有效性。測試方法的流程圖見圖2。

表1 人手左手與仿生握爪手指握力參數(shù)表Tab.1 Force of human fingers and bionic fingers

圖2 握持主動力測試方法流程圖Fig.2 Flow diagram of active griping forcemeasurement

2.1 仿生握爪結(jié)構(gòu)設計

仿生握爪的結(jié)構(gòu)設計依據(jù)GB／T 16252－1996《成年人手部號型》以及仿生學相關(guān)理論［7－8］。設計并未采用傳統(tǒng)固定轉(zhuǎn)軸作為指關(guān)節(jié)的機械握爪，而是采用了柔性彈簧材料作為手指關(guān)節(jié)，以適應不同形狀的槍械護木結(jié)構(gòu)。設計采用鋼索代替手指肌肉，控制鋼索上的拉力F，在鋼索和彈簧的共同作用下，便可獲得不同的握緊力N。當握力N達到所需值時，固定鋼索即可保證握持有效。握爪手指工作原理示意圖如圖3所示。每個指節(jié)內(nèi)側(cè)貼有仿生膠皮以代替人體皮膚的摩擦效果。

圖3 仿生握爪手指工作原理示意圖Fig.3 Sketchmap of operation principle of bionic fingers of bionic hand

將仿生握爪代替人手握持槍械護木處，握爪手掌下端安裝三軸力傳感器用于測量該點三個方向的力。傳感器下端裝有握把，用于射手射擊時握持。

2.2 仿生握爪握持效果測試

仿生握爪結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示，模擬手指節(jié)在彈簧關(guān)節(jié)和鋼索的共同作用下，能有效地貼合槍械護木，與人手握持情況近似。圖4（b）為實際裝夾效果。

圖4 仿生握爪結(jié)構(gòu)示意圖及實際裝夾效果圖Fig.4 Diagrams of bionic hand and clamping result

仿生握爪和槍械實際夾持有效后，同樣對相應位置的手指正壓力進行測試。實際射手及仿生握爪手指正壓力的測試均采用FlexiForce薄膜傳感器實現(xiàn)，測得數(shù)據(jù)結(jié)果見表1?？梢?，二者相對誤差均小于5%，表明仿生握爪與射手的握持效果有較好的一致性。

2.3 握持主動力試驗

握持主動力射擊試驗時，將仿生握爪夾持在槍械前護木位置，鋼索張緊程度與測試時相同，以保證夾持與人手握持的效果基本一致。射手握持在仿生握爪的握把位置處，連接傳感器數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進行連續(xù)射擊實驗。射擊試驗照片見圖5。

圖5 射擊試驗照片F(xiàn)ig.5 Photo of active griping forcemeasurement test

3 實驗結(jié)果及分析

通過上述方法測得的握持主動力信號為混沌信號，其中包括了系統(tǒng)噪聲、射擊時火藥氣體動力作用以及三發(fā)后人體握持主動力的作用。本文基于經(jīng)驗模式分解理論，通過經(jīng)驗模式分解（EMD）方法［9］，將混沌信號分別分離為不同的內(nèi)在模態(tài)函數(shù)（IMF）。根據(jù)模態(tài)函數(shù)的特征，進而獲得所需的人體主動態(tài)作用。

本文實驗對象為某自動步槍，采用的傳感器為KISTLER－9327A型三軸力傳感器。實驗時，進行了多次試驗，重復性較好，這里選取其中一次五發(fā)連射實驗的結(jié)果進行分析。

EMD方法假設［10］：任何信號是由一系列不同的簡單振動模態(tài)組成，每一模態(tài)不論線性或者非線性，都具有相同數(shù)量的極值點和過零點，且在兩個相鄰的過零點之間只存在一個極值點，任意兩個模態(tài)間相互獨立，這樣任何一個信號就可以被分解為有限個內(nèi)在模態(tài)函數(shù)之和。

EMD方法對信號X（t）的分解步驟如下：

步驟1 找到信號X（t）的所有極大／小值點，采用三次樣條插值曲線將所有極大／小值點連接起來形成上／下包絡線；

步驟2 求出上下包絡線的平均值m11，原始信號與均值之差記為h11＝X（t）－m11；

步驟3 檢查h11是否滿足前述IMF條件，若不滿足，將h11代替原始信號，重復步驟1～3，直至某個h1k＝h1（k－1）－m1k滿足IMF條件。記c1＝h1k，則c1為信號X（t）的第一個IMF分量；

步驟4 將c1從X（t）中分離得到r1（t）＝X（t）－c1，將r1作為原始信號重復循環(huán)，直至rn小于某一閾值或者變成單調(diào)函數(shù)，無法再從中提取滿足IMF條件的分量，則EMD分解結(jié)束。

由此可將任意信號X（t）分解為n個IMF和一個殘量rn之和：

分解出的n個模態(tài)函數(shù)包含了原信號從高到低不同頻帶的成分，殘量則代表了信號的振動趨勢。

對試驗信號進行EMD分解可以獲得人體左手主動態(tài)作用力系中X軸力（即左右方向力）、Y軸力（即前后方向力）、Z軸力（即上下方向力）。信號的EMD分解結(jié)果見圖6。

對混沌信號進行EMD分解可獲得不同的內(nèi)在模態(tài)函數(shù)（IMF），其中包含了部分小幅值的噪聲結(jié)果以及阻尼／非阻尼振蕩結(jié)果。剔除這些結(jié)果，便可獲得所需的握持主動力曲線。圖6（a）為傳感器測得的X（左右）方向原始信號。圖6（b）為火藥氣體撞擊槍體對傳感器的作用效果，可以看出周期約為0.1 s，對應于射頻600發(fā)／min與實際相符。圖6（c）為X（左右）方向握持主動力曲線，可以發(fā)現(xiàn)在約0.4 s后（三發(fā)結(jié)束時），人體出現(xiàn)明顯的主動態(tài)反應，其最大值約為60 N。圖6 （d）和圖6（e）分別為Y（前后）方向的原始信號和握持主動力曲線，同樣具有明顯的主動態(tài)特征，最大絕對值約為1.5 N，其變化趨勢反應了在射手軀體由于抵肩力作用后仰時人左手存在向前的緩沖作用。圖6（f）和圖6（g）分別為Z（上下）方向的原始信號和握持主動力曲線，同樣具有明顯的主動態(tài)特征，最大值約為10N，主動態(tài)之前的曲線為支持槍體重量的支撐力，方向與主動態(tài)作用力相反。

值得說明，本文測試方法得到的結(jié)果與實際試驗射手射擊時情況存在一定差異。原因在于現(xiàn)有傳感器和測試方法無法測得護木處人體握持主動力，本文據(jù)此提出以仿生握爪等效代替人手測試人槍系統(tǒng)相互作用力的測試方法，但是對射擊姿態(tài)會造成一定影響。該方法測得結(jié)果實際上更接近射手手臂處的主動力，該力能很好地反映人體在連續(xù)射擊時對槍械偏轉(zhuǎn)和俯仰的調(diào)節(jié)作用。

圖6 試驗信號EMD分解結(jié)果圖Fig.6 EMD results of test signals

4 結(jié) 論

（1）本文提出一種槍械連續(xù)射擊時人體握持主動力的非破壞性測試方法，該方法能應用于絕大多數(shù)的槍械，并解決目前人體握持主動力測試困難的問題，因此具有很好的通用性及工程應用價值。

（2）通過實際射擊試驗獲得連續(xù)射擊時射手的手指握力。以獲得的手指握力為依據(jù)，基于仿生學及人機工程學原理，設計了一種可等效代替人手握槍的仿生握爪。利用仿生握爪完成了人體握持主動力的測試。

（3）將EMD分解技術(shù)應用于傳感器混沌信號的處理，獲得了人體握持主動力隨時間的變化曲線。

本文獲得的握持主動力結(jié)果對進一步研究人體主動態(tài)作用與射擊精度關(guān)系以及標準化主動態(tài)射擊槍架的設計具有重要意義。

［1］戈洛夫ЭA.自動武器設計原理［M］.北京：馬宗明，譯.國防工業(yè)出版社，1958.

［2］包建東，王昌明，孔德仁，等.人槍運動對射擊精度影響的實驗研究［J］.儀器儀表學報，2006，27（增刊2）：256－258.

BAO Jian-dong，WANG Chang-ming，KONG De-ren，et al.Experimental research of man-gun movement influencing automatic firing accuracy［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2006，27（Sup2）：256－258.

［3］丁玉蘭.人機工程學［M］.北京：北京理工大學出版社，2002.

［4］柳光遼.自動武器測試技術(shù)［M］.南京：華東工程學院.1986.

［5］陳文明.主動態(tài)人槍握把力相互作用研究［D］.南京：南京理工大學，2006.

［6］包建東.人－槍相互作用實驗研究［D］.南京：南京理工大學，2006.

［7］何秀蕓，李樹軍，郝廣波，等.超欠驅(qū)動仿生機械手的機構(gòu)設計與實驗研究［J］.機械設計，2009，26（12）：35－37.

HE Xiu-yun，LIShu-jun，HAO Guang-bo，et al.Mechanism design and experimental research of super under-actuated bionic manipulator［J］.Journal of Machine Design，2009，26 （12）：35－37

［8］Ma Chao，Zhang Ming，Zhang Chun-lin，et al.Analysis of human joint forces in standing posture［J］.Journal of Beijing Institute of Technology，2009，18（4）：437－442.

［9］楊宇，于德介，程軍圣.基于EMD與神經(jīng)網(wǎng)絡的滾動軸承故障診斷方法［J］.振動與沖擊，2005，24（1）：85－88.

YANG Yu，YU Dei-jie，CHENG Jun-sheng.Roller bearing fault diagnosis method based on EMD and neural network ［J］.Journal of Vibration and Shock，2005，24（1）：85－88.

［10］Huang N E，Shen Z，Long SR，et al.The empiricalmode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time series［J］.Proceedings of the Royal Society of London Series A，1998，454（2177）：903－995.

Non-destructivemeasurement of human griping force in a human-weapon system

JIN Xin1，ZHOU Ke-dong1，HE Lei1，HUANG Xue-ying2，ZHANG Jun-bin2

（1.School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China；2.63856 Unit of PLA，Baicheng 137001，China）

Here，a measurementmethod of active griping force was proposed to obtain the human griping force under continuous firing.Based on bionics and ergonomics，a bionic equivalent grip was designed to replace human hand.The bionic grip could be used tomeasure the equivalent forces system of a human-weapon system without destroying the weapon.The explicit active griping force components emerged after the equivalent forces system was decomposed with EMD.The obtained active griping force data were significant to study affecting factors of firing accuracy.Test results showed that the proposed measurementmethod can accurately reflect the action of human griping force in a human-weapon system under continuous firing.

active griping force；non-destructive；human-weapon system

TJ22

A

10.13465／j.cnki.jvs.2015.21.016

2014－05－20 修改稿收到日期：2014－12－05

金鑫男，博士生，1987年生

周克棟男，教授，博士生導師，1964年生