基于機(jī)器人技術(shù)的飛行員服裝功耗測(cè)試系統(tǒng)

隋修武，呂煥然，李 瑤，萬凱新

(1.天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

基于機(jī)器人技術(shù)的飛行員服裝功耗測(cè)試系統(tǒng)

隋修武1，2，呂煥然1,2，李 瑤1，2，萬凱新1，2

(1.天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

文章為了分析及表征服裝耗能，為飛行員裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)、提供重要的科學(xué)依據(jù)，在分析人體正常步態(tài)的基礎(chǔ)上，研制了服裝功耗測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)由三部分組成，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)利用偏心輪擺桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)上下肢狀態(tài)的模擬，頭部前后擺動(dòng)通過直流調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度特定運(yùn)動(dòng)，測(cè)試模塊用PCI2300數(shù)據(jù)采集卡采集電樞電流和電壓，利用空載和負(fù)載狀態(tài)下累計(jì)功差值表示服裝耗能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該系統(tǒng)能有效測(cè)量服裝耗能。

機(jī)器人；服裝耗能；步態(tài)；測(cè)試系統(tǒng)

1 前言

飛行員是裝備系統(tǒng)的載體，在執(zhí)行任務(wù)的過程中將時(shí)刻對(duì)其裝備系統(tǒng)做大量無用功，主要體現(xiàn)在克服系統(tǒng)的重力做功、克服系統(tǒng)的內(nèi)部摩擦做功、克服意外沖擊震動(dòng)做功、克服系統(tǒng)力學(xué)形變(例如服裝材料的拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等)做功等。飛行員貼身穿戴的個(gè)體防護(hù)裝備系統(tǒng)包括服裝、頭盔等，是確保飛行員能夠順利完成任務(wù)和保證人身安全的重要保障。如何對(duì)飛行員裝備系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從而能夠客觀全面地反映減重情況、舒適性、體能消耗情況等就成了一個(gè)亟待解決的重要科學(xué)問題。服裝的壓力、熱濕舒適性等一直是研究人員們關(guān)注的重點(diǎn)[1,2],但關(guān)于飛行員裝備耗能的測(cè)量和評(píng)價(jià)手段還很少。

本文基于人體行走時(shí)腿部運(yùn)動(dòng)特征，研發(fā)了模擬人體行走運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的服裝耗能測(cè)試系統(tǒng)[3,4]，系統(tǒng)采用比較空載和負(fù)載時(shí)電流累計(jì)功差值計(jì)算服裝耗能，為評(píng)價(jià)褲裝耗能提供了測(cè)試手段和方法。在深入分析人體運(yùn)動(dòng)步態(tài)的基礎(chǔ)上，研制了基于機(jī)器人技術(shù)的上下肢和頭部三自由度服裝功耗測(cè)試系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)工作原理

由于類人機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)、難點(diǎn)，在運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性上需要進(jìn)行很多工作，所以很難得到理想的服裝耗能測(cè)試機(jī)器人，因此，系統(tǒng)選擇與人體生理外形十分接近的服裝模特模型，將其覆蓋在耗能測(cè)試系統(tǒng)外，使其能按特定的實(shí)驗(yàn)要求完成行走狀態(tài)的模擬。為了更直接完成實(shí)驗(yàn)?zāi)康模疚牡臏y(cè)試系統(tǒng)主要是用于腰臀部固定時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)腿部和手臂的交替擺動(dòng)，頭部前后擺動(dòng)，做到運(yùn)動(dòng)參數(shù)可測(cè)、可控。

本測(cè)試系統(tǒng)采用調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。由于直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)化效率很高，直流電機(jī)輸出的機(jī)械能可全部消耗在系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和模特機(jī)器人的四肢運(yùn)動(dòng)上。改變模特機(jī)器人的服裝，就相當(dāng)于在小范圍內(nèi)改變電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，在試驗(yàn)期間保持其它條件不變的情況下，小范圍內(nèi)的負(fù)載變化，傳動(dòng)系統(tǒng)的耗能基本保持不變，直流電機(jī)的耗能也不變，因此，只要測(cè)量出電源輸送給電動(dòng)機(jī)的總輸入功率的變化，通過適當(dāng)計(jì)算，可以得到由更換服裝引起耗能數(shù)值的變化。

測(cè)試系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制模塊和測(cè)量模塊部分組成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。運(yùn)動(dòng)部分由兩部分組成，直流電機(jī)帶動(dòng)模特機(jī)器人四肢做前后擺動(dòng)，頸部直流電機(jī)控制機(jī)器人頭部前后小幅度擺動(dòng)，從而模擬人體行走狀態(tài)；控制部分功能為對(duì)運(yùn)動(dòng)部分進(jìn)行控制、速度的調(diào)節(jié)；采集部分的功能為在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)電流、電壓的采集和瞬時(shí)功率及累計(jì)功率的計(jì)算。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)組成部分

3.1 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

3.1.1 運(yùn)動(dòng)步態(tài)確定

用高速攝像機(jī)拍攝人體運(yùn)動(dòng)步態(tài)，高速攝像機(jī)具有分辨率為1280×1024，1000 FPS的高性能，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的觸發(fā)和同步功能。選取手臂與腿部擺動(dòng)至最大角度的那一幀圖片，通過使用圖像處理軟件測(cè)量手臂和腿部擺動(dòng)的角度，作為機(jī)器人最大擺動(dòng)角的參考，如圖2所示，根據(jù)平均值取擺桿3與AC的夾角約為25°，如圖4所示，可知擺桿3的運(yùn)動(dòng)范圍為-25°～25°(順時(shí)針為正)，頻率為60次/min。手臂擺桿機(jī)構(gòu)的原理與此相同，且手臂擺動(dòng)角度為-30°～30°。而手臂與腿部擺角與時(shí)間的關(guān)系近似成一條正弦曲線，如圖3所示。

圖2 人體運(yùn)動(dòng)步態(tài)及四肢擺動(dòng)角度測(cè)量圖

圖3 手臂擺角與時(shí)間關(guān)系曲線

3.1.2 運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用服裝模特模擬人體，并按照人體尺寸將模特的四肢連接處及頭部與頸部的連接處鋸成曲面狀態(tài)，將分離后的腿部連接在系統(tǒng)腿部的擺桿d上，將分離后的手臂連接在系統(tǒng)手臂的擺桿e上，將分離后的頭部連接在f上，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。

擺桿機(jī)構(gòu)的工作原理是通過直流電機(jī)帶動(dòng)兩側(cè)的圓盤按照一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，在圓盤上裝有一突出的圓柱體，圓柱體可以在長(zhǎng)方體擺桿的凹槽里來回滑動(dòng)，并帶動(dòng)擺桿前后做變角速度運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，通過傳送帶將力傳導(dǎo)到手臂擺桿機(jī)構(gòu)上，帶動(dòng)手臂擺桿與腿部擺桿協(xié)同擺動(dòng)。其中一個(gè)擺桿機(jī)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為1個(gè)滑塊和2個(gè)擺桿，如圖4(b)所示。頭部通過在頸部安裝的電機(jī)實(shí)現(xiàn)前后小幅度擺動(dòng)。在實(shí)際情況下，以腿部擺桿機(jī)構(gòu)為例，滑塊2在擺桿3上長(zhǎng)為90 mm的長(zhǎng)方形槽里運(yùn)動(dòng)，限于滑塊2的行程，擺桿3在4(b)所示平面內(nèi)左右擺動(dòng)，極限位置在AB與BC成90°處。

圖4 擺桿機(jī)構(gòu)實(shí)物圖和簡(jiǎn)化圖

注：(1)a-直流電動(dòng)機(jī)；b-圓盤，直徑為100 mm；c-圓盤上突起的圓柱，距離圓心30 mm；d-長(zhǎng)方體擺桿，總長(zhǎng)為260 mm。

(2)簡(jiǎn)化圖和實(shí)物對(duì)照?qǐng)D：滑塊2-c；擺桿1-圓盤b；桿3-長(zhǎng)方體擺桿d的滑槽，其中l(wèi)ab=30mm，lbc=70mm。

3.2 控制模塊

直流電機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)腿部和手臂擺桿按一定的規(guī)律擺動(dòng)，通過電機(jī)調(diào)速器可以改變直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，就可以改變模特機(jī)器人雙腿、手臂的擺動(dòng)速度，及頭部前后擺動(dòng)速度。根據(jù)直流電機(jī)的機(jī)械特性公式：

T=KtΦIa

(1)

(2)

(3)

式中T為電磁轉(zhuǎn)矩，Kt為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，Ke為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，P為電動(dòng)機(jī)效率。

如果忽略電樞反應(yīng)的影響，轉(zhuǎn)矩T與Ia成正比，當(dāng)Ia增加時(shí)，轉(zhuǎn)速n要下降，因Ra較小，轉(zhuǎn)速n下降得不多，改變機(jī)器人穿著的服裝相當(dāng)于在小范圍內(nèi)改變負(fù)載，電動(dòng)機(jī)效率P基本不變，因此只要計(jì)算出電源輸送給電動(dòng)機(jī)總功率的變化，通過適當(dāng)運(yùn)算即可得到服裝耗能的變化。

直流脈沖調(diào)速電路由主驅(qū)動(dòng)電路、三角波發(fā)生器、電壓-脈沖變換器、脈沖分配與功率放大四部分組成。通過圖(3)曲線給定電壓Uk，給定電壓Uk和三角波電壓U2一起加在電壓—脈沖變換器的反相輸入端。

3.3 采集模塊

PCI2300數(shù)據(jù)采集卡，具有100kHz的12位A/D轉(zhuǎn)換器，輸入信號(hào)范圍為±5V、±10V、0～10V。由于電機(jī)電樞電壓為PWM波，幅值為24V，因此不能直接進(jìn)入PCI數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量電路進(jìn)行放大和濾波，將24V的的PWM波調(diào)整成0～10V的直流電壓信號(hào)。而電樞電流的測(cè)量采用在電樞電路串聯(lián)大功率小阻值精密測(cè)量電阻器，阻值為0.1V，由于阻值較小，不會(huì)引起大的壓降，將其放大成0～10V的直流電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。

4 實(shí)驗(yàn)

飛行員服裝前部為拉鏈開口，腰部與袖口有搭伴式松緊帶，褲腳底部有拉鏈。衣服上共有 8個(gè)用拉鏈開合的口袋，胸部?jī)蓚€(gè)，大腿前兩個(gè)，小腿前兩個(gè)，左臂 1個(gè)，左大腿內(nèi)側(cè) 1個(gè)[5-7]，分別用兩種不同的材料制作測(cè)試服裝[8]。

實(shí)驗(yàn)一為上下肢運(yùn)動(dòng)服裝耗能實(shí)驗(yàn)，測(cè)量計(jì)算上下肢空載運(yùn)動(dòng)及穿著服裝后的耗能數(shù)值，將所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果制作成曲線，如圖5所示。

由圖5可知，在保持頭部不運(yùn)動(dòng)的情況下，穿著服裝前后，系統(tǒng)的耗能發(fā)生了明顯變化，且保持線性關(guān)系，可知系統(tǒng)上下肢運(yùn)動(dòng)時(shí)可以準(zhǔn)確測(cè)量服裝耗能的多少。

圖5 上下肢空載運(yùn)動(dòng)及穿著服裝耗能曲線

實(shí)驗(yàn)二為頭部及上下肢運(yùn)動(dòng)服裝耗能實(shí)驗(yàn)，測(cè)量計(jì)算頭部及上下肢三個(gè)自由度同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)空載及穿著服裝的耗能數(shù)值，將所得結(jié)果制作成曲線，如圖6所示。

圖6 三自由度同時(shí)運(yùn)動(dòng)空載及穿著服裝耗能曲線

根據(jù)圖6所得結(jié)果，可知頭部及上下肢三自由度同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在穿著相同服裝的情況下，系統(tǒng)的耗能在穿著服裝前后發(fā)生很大變化，且依然保持線性關(guān)系，所以系統(tǒng)三自由度同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以準(zhǔn)確測(cè)量服裝的耗能多少。

實(shí)驗(yàn)三為三自由度同時(shí)運(yùn)動(dòng)服裝耗能實(shí)驗(yàn)，測(cè)量計(jì)算系統(tǒng)在三個(gè)自由度同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，穿著不同服裝的耗能情況，分別記錄系統(tǒng)在空載、穿著服裝A、穿著服裝B、穿著服裝C的耗能數(shù)值，并制作成曲線，如圖7所示。

圖7 三自由度同時(shí)運(yùn)動(dòng)空載及穿著服裝A和服裝B曲線

從圖7結(jié)果中可知，在相同的運(yùn)動(dòng)速度和步數(shù)下，穿著不同的服裝，耗能情況也不同，服裝B的耗能明顯多于服裝A的耗能。

5 結(jié)論

本文依照人體行走的特點(diǎn)研發(fā)出了基于機(jī)器人技術(shù)的服裝功耗測(cè)試系統(tǒng)，搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以完成上下肢和頭部三個(gè)自由度分別運(yùn)動(dòng)的情況下測(cè)試服裝耗能，為耗能測(cè)試提供了測(cè)試與評(píng)價(jià)的方法。

通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，改變服裝的面料、尺碼、剪裁方式等，分析耗能與其之間的關(guān)系，為飛行員裝備系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

[1]DoanBK，KwonYH，NewtonRU，etal.EvaluationofALower-BodyCompressionGarment[J].JournalofSportsSciences，2003，21(8)：601—610.

[2]RobDuffield，MarcPortus.ComparisonofThreeTypesofFull-BodyCompressionGarmentsonThrowingandRepeat-SprintPerformanceinCricketPlayers[J].JournalofSportsMedicine，2007，(41)：409—414.

[3] 隋修武，牛雪娟，姜亞明，等.模特腿部運(yùn)動(dòng)的服裝耗能測(cè)量系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010，(5)：96—98，101.

[4] 黃麗，姜亞明，隋修武.基于正常步態(tài)褲裝耗能測(cè)試系統(tǒng)的研制[J].紡織學(xué)報(bào)，2010，(11)：131—134.

[5] 張榮.飛行員防護(hù)服面料性能及特點(diǎn)[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2004，22(11)：18—20.

[6] 蔣毅，路曦，祖媛媛.個(gè)體防護(hù)裝備創(chuàng)新研制探析[J].中國(guó)個(gè)體防護(hù)裝備，2014，(1)：6—7.

[7] 陳益松，白剛，嚴(yán)偉明.工業(yè)機(jī)器人防護(hù)裝的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].上海紡織科技，2015，43(1)：44—45.

[8] 賀良震，陳志華.面料觸感舒適度測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)[J].紡織器材，2013，40(3)：58—60.

Robot Technology Based Energy Consumption Testing System for Pilot Clothing

SuiXiuwu1,2,LvHuanran1,2,LiYao1,2,WanKaixin1,2

(1.Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China; 2.Tianjin Polytechnic University Tianjin Key Laboratory of Advanced Mechatronics Electrical Equipment Technology, Tianjin 300387, China)

In order to provide important scientific basis for optimizing the design of pilots clothing, analysis and characterization of the energy consumption, based on the analysis of human gait, a clothing consumption test system was developed. The system consists of three part, that is, eccentric wheel swing bar drives the simulated upper and lower limb for walking, DC speed-governing motor drives the movement mechanism of the head swinging back and forth system, to achieve a specific movement of three degrees of freedom, using PCI2300 data acquisition card to collect armature current and voltage, according to energy difference between loading state and unloading state the energy consumption can be obtained. Experimental results show that the system can effectively measure clothing energy consumption.

robot; energy consumption of clothing; walk state; testing system

2016-10-17

天津市科技特派員項(xiàng)目(15JCTPJC56800)

隋修武(1971—)，男，吉林公主嶺人，副教授。

TP242.6

A

1009-3028(2017)01-0009-04