人槍系統(tǒng)中人體握持主動(dòng)力非破壞測(cè)量方法

金 鑫，周克棟，赫 雷，黃雪鷹，張俊斌

（1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094；2.中國(guó)人民解放軍63856部隊(duì)，吉林 白城 137001）

人槍系統(tǒng)中人體握持主動(dòng)力非破壞測(cè)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(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094；2.中國(guó)人民解放軍63856部隊(duì)，吉林 白城 137001）

為獲得連續(xù)射擊時(shí)人體握持主動(dòng)力參數(shù)，提出一種人體握持主動(dòng)力的測(cè)量方法。該方法設(shè)計(jì)了基于仿生學(xué)及人機(jī)工程學(xué)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(shí)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(dòng)力分量。所得的握持主動(dòng)力參數(shù)對(duì)研究射擊精度影響因素等課題具有重要意義。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能準(zhǔn)確反映連續(xù)射擊時(shí)人槍系統(tǒng)力的作用。

握持主動(dòng)力；非破壞式；人槍系統(tǒng)

考核武器系統(tǒng)的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)就是連發(fā)射擊精度［1］。實(shí)際射擊時(shí)，精度不僅受武器本身的客觀影響，同時(shí)也受到試驗(yàn)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(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化槍架，以排除試驗(yàn)射手不同所帶來的隨機(jī)測(cè)試誤差。標(biāo)準(zhǔn)化槍架的設(shè)計(jì)需要對(duì)人槍系統(tǒng)射擊時(shí)的姿態(tài)、位移及相互作用力有準(zhǔn)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(cè)量，但是研究都針對(duì)單發(fā)或三發(fā)以下連續(xù)射擊，對(duì)于三發(fā)或以上連續(xù)射擊時(shí)人體雙手握持力（尤其是主動(dòng)反應(yīng)階段）的測(cè)量卻甚少研究。

據(jù)生物學(xué)研究［3］可知，神經(jīng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約為150～200 ms，而肌肉響應(yīng)時(shí)間則在300 ms以上。因此，對(duì)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(diǎn)射，射手仍處于被動(dòng)狀態(tài)，沒有握持主動(dòng)力作用。但當(dāng)連續(xù)射擊超過三發(fā)時(shí)，人槍系統(tǒng)間存在握持主動(dòng)力作用。文獻(xiàn)［5－6］雖然提出了一種握把處握持主動(dòng)力測(cè)試方法，但存在兩個(gè)缺點(diǎn)：①該方法需要破壞槍體，因此不具備普適性和重復(fù)性；②該方法只測(cè)試了握把處兩個(gè)方向上的握持主動(dòng)力，并不能完整地反映連續(xù)射擊時(shí)人體握持主動(dòng)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(dòng)力測(cè)試方法。該方法不需對(duì)武器本身造成破壞，具有通用性和重復(fù)性。測(cè)試方法能完整地測(cè)量連續(xù)射擊時(shí)人體左右手的全部握持主動(dòng)力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法能較為客觀地反映連續(xù)射擊時(shí)人體主動(dòng)作用狀態(tài)。

1 測(cè)試對(duì)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(yīng)，控制肢體肌肉進(jìn)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(duì)于這些主動(dòng)響應(yīng)時(shí)期的人體狀態(tài)稱之為主動(dòng)態(tài)。

人槍系統(tǒng)相互作用情況較為復(fù)雜，其中人手握持主動(dòng)力的示意圖見圖1。根據(jù)射擊操作規(guī)范及射手經(jīng)驗(yàn)可知，握持過程中人體左手或右手握住槍械護(hù)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(duì)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(cè)量?jī)x器和手段無法測(cè)得人左手的握持主動(dòng)力fL。

本文提出的非破壞式人體握持主動(dòng)力測(cè)試方法是基于控制輸出結(jié)果一致的基本思想：實(shí)際射擊時(shí)人手與槍體相對(duì)固接，即沒有相對(duì)滑動(dòng)，手臂對(duì)人手產(chǎn)生主動(dòng)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(duì)固接，人手對(duì)握爪產(chǎn)生主動(dòng)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(hù)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(hù)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(dòng)力示意圖Fig.1 Diagram of active griping force of human-weapon system

2 測(cè)試方法的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)簡(jiǎn)述

本文基于上述基本思想，設(shè)計(jì)了利用仿生握爪代替人手握持槍械進(jìn)行連續(xù)射擊獲得握持主動(dòng)力的測(cè)試方法。該方法的難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)仿生握爪的握持方式與握持力大小應(yīng)與實(shí)際情況盡量一致，為此本文進(jìn)行了大量射擊試驗(yàn)以獲得實(shí)際情況下人的手指各個(gè)位置的正壓力參數(shù)，見表1，同時(shí)設(shè)計(jì)了以柔性彈簧作為手指關(guān)節(jié)的仿生握爪以保證對(duì)不同槍械的握持效果。最后將加工好的仿生握爪與槍械實(shí)際裝夾測(cè)試其握持有效性。測(cè)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(dòng)力測(cè)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(shè)計(jì)

仿生握爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)GB／T 16252－1996《成年人手部號(hào)型》以及仿生學(xué)相關(guān)理論［7－8］。設(shè)計(jì)并未采用傳統(tǒng)固定轉(zhuǎn)軸作為指關(guān)節(jié)的機(jī)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(yīng)不同形狀的槍械護(hù)木結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)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(dāng)握力N達(dá)到所需值時(shí)，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(gè)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(hù)木處，握爪手掌下端安裝三軸力傳感器用于測(cè)量該點(diǎn)三個(gè)方向的力。傳感器下端裝有握把，用于射手射擊時(shí)握持。

2.2 仿生握爪握持效果測(cè)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(hù)木，與人手握持情況近似。圖4（b）為實(shí)際裝夾效果。

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

仿生握爪和槍械實(shí)際夾持有效后，同樣對(duì)相應(yīng)位置的手指正壓力進(jìn)行測(cè)試。實(shí)際射手及仿生握爪手指正壓力的測(cè)試均采用FlexiForce薄膜傳感器實(shí)現(xiàn)，測(cè)得數(shù)據(jù)結(jié)果見表1?？梢?，二者相對(duì)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(dòng)力試驗(yàn)

握持主動(dòng)力射擊試驗(yàn)時(shí)，將仿生握爪夾持在槍械前護(hù)木位置，鋼索張緊程度與測(cè)試時(shí)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(jìn)行連續(xù)射擊實(shí)驗(yàn)。射擊試驗(yàn)照片見圖5。

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

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過上述方法測(cè)得的握持主動(dòng)力信號(hào)為混沌信號(hào)，其中包括了系統(tǒng)噪聲、射擊時(shí)火藥氣體動(dòng)力作用以及三發(fā)后人體握持主動(dòng)力的作用。本文基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸饫碚摚ㄟ^經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓‥MD）方法［9］，將混沌信號(hào)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(jìn)而獲得所需的人體主動(dòng)態(tài)作用。

本文實(shí)驗(yàn)對(duì)象為某自動(dòng)步槍，采用的傳感器為KISTLER－9327A型三軸力傳感器。實(shí)驗(yàn)時(shí)，進(jìn)行了多次試驗(yàn)，重復(fù)性較好，這里選取其中一次五發(fā)連射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析。

EMD方法假設(shè)［10］：任何信號(hào)是由一系列不同的簡(jiǎn)單振動(dòng)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(diǎn)和過零點(diǎn)，且在兩個(gè)相鄰的過零點(diǎn)之間只存在一個(gè)極值點(diǎn)，任意兩個(gè)模態(tài)間相互獨(dú)立，這樣任何一個(gè)信號(hào)就可以被分解為有限個(gè)內(nèi)在模態(tài)函數(shù)之和。

EMD方法對(duì)信號(hào)X（t）的分解步驟如下：

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

步驟2 求出上下包絡(luò)線的平均值m11，原始信號(hào)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(hào)，重復(fù)步驟1～3，直至某個(gè)h1k＝h1（k－1）－m1k滿足IMF條件。記c1＝h1k，則c1為信號(hào)X（t）的第一個(gè)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(hào)重復(fù)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?gòu)闹刑崛M足IMF條件的分量，則EMD分解結(jié)束。

由此可將任意信號(hào)X（t）分解為n個(gè)IMF和一個(gè)殘量rn之和：

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

對(duì)試驗(yàn)信號(hào)進(jìn)行EMD分解可以獲得人體左手主動(dòng)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(hào)的EMD分解結(jié)果見圖6。

對(duì)混沌信號(hào)進(jìn)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(dòng)力曲線。圖6（a）為傳感器測(cè)得的X（左右）方向原始信號(hào)。圖6（b）為火藥氣體撞擊槍體對(duì)傳感器的作用效果，可以看出周期約為0.1 s，對(duì)應(yīng)于射頻600發(fā)／min與實(shí)際相符。圖6（c）為X（左右）方向握持主動(dòng)力曲線，可以發(fā)現(xiàn)在約0.4 s后（三發(fā)結(jié)束時(shí)），人體出現(xiàn)明顯的主動(dòng)態(tài)反應(yīng)，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(hào)和握持主動(dòng)力曲線，同樣具有明顯的主動(dòng)態(tài)特征，最大絕對(duì)值約為1.5 N，其變化趨勢(shì)反應(yīng)了在射手軀體由于抵肩力作用后仰時(shí)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(hào)和握持主動(dòng)力曲線，同樣具有明顯的主動(dòng)態(tài)特征，最大值約為10N，主動(dòng)態(tài)之前的曲線為支持槍體重量的支撐力，方向與主動(dòng)態(tài)作用力相反。

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

圖6 試驗(yàn)信號(hào)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(shí)人體握持主動(dòng)力的非破壞性測(cè)試方法，該方法能應(yīng)用于絕大多數(shù)的槍械，并解決目前人體握持主動(dòng)力測(cè)試?yán)щy的問題，因此具有很好的通用性及工程應(yīng)用價(jià)值。

（2）通過實(shí)際射擊試驗(yàn)獲得連續(xù)射擊時(shí)射手的手指握力。以獲得的手指握力為依據(jù)，基于仿生學(xué)及人機(jī)工程學(xué)原理，設(shè)計(jì)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(dòng)力的測(cè)試。

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

本文獲得的握持主動(dòng)力結(jié)果對(duì)進(jìn)一步研究人體主動(dòng)態(tài)作用與射擊精度關(guān)系以及標(biāo)準(zhǔn)化主動(dòng)態(tài)射擊槍架的設(shè)計(jì)具有重要意義。

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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(dǎo)師，1964年生