基于緩沖特性控制的主動式懸浮背架效能評價(jià)

王亞平，何 龍，2，王希闊，2，3，胡燦燦，張 穎

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094； 2.中國兵器工業(yè)第二零八研究所， 北京 102202； 3.中國人民解放軍63850部隊(duì)， 吉林 白城 137001)

1 引言

使用背架攜帶負(fù)載相比軟質(zhì)背包具有以下優(yōu)點(diǎn)：在背負(fù)大負(fù)載長距離運(yùn)動時(shí)，背包形狀不會隨所裝物品擺放位置不同發(fā)生變化，保護(hù)使用者腰、背部不受包內(nèi)物體戳、撞影響；允許使用者根據(jù)重量合理分配物品擺放位置，避免壓力集中于肩部或某一塊肌肉，重力分配更合理，提高運(yùn)動過程中負(fù)載穩(wěn)定性；具有足夠的強(qiáng)度，能夠承載更大重量等[1-2]。

懸浮背架在單兵攜行具、徒步背包上有著良好的應(yīng)用前景。美國研究表明，懸浮背架在步行或跑動時(shí)能夠大幅減少使用者背部、頸部、膝蓋以及腳踝處所受沖擊[3]。O’Donovan等[4]通過人體運(yùn)動過程中足底壓力、軀干彎曲角度、臀角以及代謝成本等方面，對懸浮背架效能進(jìn)行了評價(jià)。Sniezek等[5]采用主觀問卷調(diào)查收集了兩名士兵完成步行和慢跑試驗(yàn)后對懸浮背架的評價(jià)。

根據(jù)人體在運(yùn)動時(shí)背包重心位置的控制調(diào)節(jié)方式，懸浮背架分為被動式與主動式。被動式懸浮背架主要是利用彈簧等元件的力學(xué)特性對負(fù)載重心進(jìn)行調(diào)整，Putra等[7]利用時(shí)鐘彈簧設(shè)計(jì)了一款無源式浮動背包，通過建立背包固有頻率的數(shù)學(xué)模型，得到了背包運(yùn)動中振動幅值最大時(shí)所對應(yīng)的運(yùn)動狀態(tài)，通過減少該狀態(tài)下背包振動幅值達(dá)到減輕疲勞的目的； Martin J P等[8]計(jì)了一種使用彈簧加載的倒立擺懸掛承載裝置，通過與運(yùn)動時(shí)人體重心在冠狀面的左右位移異步振蕩，實(shí)現(xiàn)減少由于背包左右晃動給人體帶來的壓力；Roee Keren等[9]構(gòu)建了一個(gè)彈簧阻尼系統(tǒng)模擬人行走時(shí)攜帶背包的懸掛系統(tǒng)，通過在人與背包間添加可切換離合器來實(shí)現(xiàn)背包和身體的彈性/剛性連接狀態(tài)切換，最大限度減少能量消耗。

主動式懸浮背架是通過實(shí)時(shí)檢測人體運(yùn)動過程中步頻、步幅或垂直方向加速度等運(yùn)動狀態(tài)的變化及負(fù)載特性，進(jìn)行緩沖特性動態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)減少人體所受沖擊及做功的目的。Rome等[3]通過彈性元件將背包上下背架相連，通過控制彈性元件長度，調(diào)節(jié)背架緩沖元件剛度；Xie等[10]開發(fā)了一種頻率可調(diào)懸浮背架，通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變彈簧拉伸比，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)剛度，并利用人體動能進(jìn)行發(fā)電儲能。

提出了基于緩沖特性控制的主動式懸浮背架，通過負(fù)載運(yùn)動試驗(yàn)，獲得基于人體肌肉肌電信號的積分肌電和中值頻率等肌肉發(fā)力及疲勞特性值，上/下背架豎直方向位移、負(fù)載加速度及負(fù)載做功值，對主動懸浮背架與普通背架的效能特性進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了主動式懸浮背架的可行性，也為懸浮背架研制提供了理論支撐和參考依據(jù)。

2 主動式懸浮背架原理及結(jié)構(gòu)

基于緩沖特性控制的主動式懸浮背架總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用了雙框架-滑輪原理，以背架框作為基本框架，其他模塊按整體布局要求放置于背架框上。上背板、下背板、背架框、導(dǎo)軌支座與導(dǎo)軌組成下背架，下背架與人體通過肩帶、腰封等連接；滑塊與背包架組成上背架，背包固定于背包架。上背架沿固定于下背架的導(dǎo)軌做往復(fù)運(yùn)動。上、下背架間采用彈性繩相連，彈性繩固定于繩夾1，繩夾1通過拉力傳感器1和組成上背架的背包架相連，彈性繩繞過導(dǎo)向輪并穿過夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊輪，再次繞過導(dǎo)向輪后與繩夾2相連，繩夾2和拉力傳感器2相連，傳感器固定于下背架架體之上。

圖1 背架整體結(jié)構(gòu)示意圖

彈性繩工作示意圖如圖2(a)所示。 圖2(b)中背包架與夾緊機(jī)構(gòu)之間，加深顯示部分為彈性繩有效工作部分，起緩沖作用；圖2(c)中夾緊機(jī)構(gòu)與拉壓力傳感器之間，加深顯示部分為彈性繩的非有效工作部分。使用舵機(jī)作為繩長調(diào)節(jié)執(zhí)行模塊，舵機(jī)安裝于背架底部以降低背架重心，舵機(jī)輸出軸與緩沖特性調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中夾緊輪固連。

圖2 彈性繩工作示意圖

緩沖機(jī)構(gòu)剛度動態(tài)調(diào)整流程如下：主控芯片以1 s內(nèi)運(yùn)動參數(shù)均值作為輸入，傳遞給控制系統(tǒng)，計(jì)算得到舵機(jī)轉(zhuǎn)角，舵機(jī)控制信號控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動，并通過拉力傳感器檢測彈性繩非有效工作段拉力，計(jì)算得到彈性繩長度改變量，以判斷是否為最佳有效工作繩長。舵機(jī)轉(zhuǎn)動帶動緩沖特性調(diào)節(jié)夾緊機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動，從而調(diào)整彈性繩有效工作段長度，實(shí)現(xiàn)剛度調(diào)節(jié)。

3 主動懸浮背架效能仿真分析

3.1 主動懸浮背架機(jī)電耦合動力學(xué)模型

建立了主動懸浮背架機(jī)電耦合動力學(xué)仿真模型，如圖3所示。圖3(a)的左圖為在ADAMS中建立的主動懸浮背架多體動力學(xué)模型。由于下背架與人體固連，因此人體運(yùn)動作為輸入運(yùn)動直接加載于下背架上。圖3(b)為在MATLAB中建立的繩長控制仿真模型。繩長控制模型接收來自動力學(xué)模型的輸出參數(shù)，計(jì)算出目標(biāo)有效繩長，根據(jù)舵機(jī)參數(shù)中舵機(jī)最大轉(zhuǎn)速，計(jì)算出舵機(jī)最大轉(zhuǎn)角，獲得PWM脈沖寬度改變量，傳入舵機(jī)控制模型中，舵機(jī)轉(zhuǎn)角發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)彈性繩有效工作段長度的改變。新的繩長參數(shù)再傳回ADAMS模型，以此循環(huán)直到仿真結(jié)束。

為考察主動控制系統(tǒng)對于不同運(yùn)動狀態(tài)的主動控制效果，假設(shè)人體運(yùn)動振幅與頻率均為正弦函數(shù)。如圖3(a)中右側(cè)曲線所示，幅值為振動幅度50 mm，變化范圍從1～51 mm，周期為10 s的正弦波；頻率為幅值4，變化范圍從0.5～4.5，周期10 s的正弦波。因此，下背架隨時(shí)間變化的垂直方向位移曲線如圖4所示。

圖3 繩長控制仿真模型

圖4 下背架垂直方向位移曲線

通過仿真獲得繩長改變量情況如圖5所示，由于舵機(jī)響應(yīng)時(shí)間和最小識別角度變化(0.87°)的影響，繩長變化值與期望值之間存在一定差異，但規(guī)律基本吻合。

圖5 有效繩長改變量曲線

3.2 不同背架動力學(xué)特性對比

首先進(jìn)行了正常運(yùn)動狀態(tài)條件(人體運(yùn)動垂直振動幅值50 mm，步頻2.5 step/s)下普通背架、被動式懸浮背架、主動式懸浮背架的對比。圖6為上背架垂直方向位移、做功、加速度曲線?？煽闯鱿噍^于普通背架、被動式懸浮背架，采用主動式懸浮背架時(shí)上背架垂直方向上位移、做功、加速度均有顯著減小。與被動式背架相比，采用主動式懸浮背架時(shí)負(fù)載位移減小了30%、負(fù)載做功減小了50%、加速度減小了20%。

圖6 正常步態(tài)下3種背架性能曲線

不同人體步態(tài)條件下，懸浮背架效能的提高程度不一樣，對步態(tài)變化情況下背架的效能進(jìn)行對比分析。假設(shè)人體運(yùn)動振幅與頻率與圖3相同。圖7為上背架位移、做功、加速度曲線，可看出相較于普通背架、被動式懸浮背架，采用主動式懸浮背架時(shí)上背架垂直方向上位移、做功、加速度均有顯著減小。與被動式懸浮背架相比，采用主動式懸浮背架時(shí)位移減小了40%、做功減小了55%、加速度減小了20%，從位移和做功角度來看，主動式懸浮背架對變化步態(tài)具有更好的適應(yīng)性。

4 主動懸浮背架效能試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及評價(jià)指標(biāo)

試驗(yàn)選擇了3名身體健康狀況良好的男性志愿者作為被試者。被試者試驗(yàn)前24 h內(nèi)無劇烈體力消耗；試驗(yàn)前兩周內(nèi)無發(fā)燒、感染等炎癥，未服用藥物，無急慢性肌肉骨骼疾病。被試者基本信息：年齡25±3歲，身高175±8 cm，體重78±8 kg。

采用DELSYS表面肌電測試儀，具有16個(gè)采樣頻率4 000 Hz 的EMG通道，48個(gè)最大采樣頻率296 Hz的三維運(yùn)動加速度通道。根據(jù)人體背負(fù)負(fù)載運(yùn)動的動作特點(diǎn)，選取如圖8所示腿部肌肉進(jìn)行肌電測試[14]。

圖7 變化步態(tài)下3種背架性能曲線

圖8 腿部肌肉肌電測試狀態(tài)

采用積分肌電值(IEMG)和中值頻率(MF)作為肌電信號評價(jià)指標(biāo)。運(yùn)動過程中肌電信號的幅值變化情況，與參與運(yùn)動的肌纖維數(shù)量、肌肉收縮力的大小成正相關(guān)，在一定程度上反映了肌肉的疲勞情況，積分肌電值(IEMG)為一段時(shí)間內(nèi)肌肉活動過程中的放電總和，是反映肌肉疲勞程度的重要時(shí)域指標(biāo)[13]：

(1)

式(1)中：t1為肌電信號開始采集的時(shí)間點(diǎn)；t2為肌電信號結(jié)束采集的時(shí)間點(diǎn)；H(t)為t時(shí)刻肌電值。

隨著肌肉疲勞度的增加，肌肉運(yùn)動單位發(fā)出的脈沖串時(shí)間間隔增加，從頻域角度獲得的中值頻率也降低。中值頻率是將頻譜分成上、下面積相等的兩部分的值所對應(yīng)的頻率[12]，為了剔除干擾信號，對于肌電數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后，中值頻率(MF)可表示為：

(2)

式(2)中：f為頻率；P(f)為功率譜密度估計(jì)函數(shù)；fmax為帶通濾波上限值。

同時(shí)采用Codamation三維運(yùn)動捕捉系統(tǒng)，獲取上背架在垂直方向上的位移和加速度，對位移進(jìn)行積分得到人體背負(fù)負(fù)載所做的功。由于運(yùn)動捕捉系統(tǒng)視場范圍有限，三維運(yùn)動捕捉試驗(yàn)記錄時(shí)間設(shè)定為7 s。由于在初始運(yùn)動時(shí)，背架上下振動較大，故在振動趨于平穩(wěn)后，運(yùn)動捕捉系統(tǒng)開始記錄數(shù)據(jù)。

室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境25 ℃，無噪聲、強(qiáng)光和氣流等干擾。被試者在初始自然站立狀態(tài)下聽到命令后，依據(jù)節(jié)拍器以3 step/s的步頻勻速行走，時(shí)長12 min，重復(fù)5組，每組試驗(yàn)結(jié)束后被試者摘下背架，休息1 h以上，以保證肌肉得到充分休息。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)現(xiàn)場圖

4.2 下肢肌肉積分肌電對比分析

由于3位被試者下肢肌肉積分肌電值變化規(guī)律基本一致，故選取被試者2數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析。被試者背負(fù)普通無緩沖背架和主動式懸浮背架下，積分肌電值如表1所示。積分肌電變化規(guī)律如圖10所示?？梢钥闯觯?種背架下肌肉發(fā)力規(guī)律不太一致，主動式懸浮背架下腓腸肌外側(cè)積分肌電值最大，無緩沖背架下股內(nèi)側(cè)肌積分肌電值最大。與無緩沖背架相比，主動式懸浮背架下大部分肌肉積分肌電值降低了，其中股內(nèi)側(cè)肌降低最為顯著；但腓腸肌外側(cè)積分肌電值增加了。整體上，采用主動式懸浮背架時(shí)被試者肌肉發(fā)力程度減小。

表1 肌肉積分肌電值 Table 1 IEMG v·s

圖10 2種背架下積分肌電變化曲線

4.3 下肢肌肉中值頻率對比分析

針對濾波后的數(shù)據(jù)采用修正平均周期圖法，利用2 s時(shí)間段內(nèi)肌電信號數(shù)據(jù)點(diǎn)求取功率譜，計(jì)算出對應(yīng)的中值頻率[16]。再間隔1 s截取下一個(gè)2 s時(shí)間段的數(shù)據(jù)點(diǎn)獲取下一個(gè)中值頻率，以此類推求得整個(gè)過程的中值頻率。

為方便觀察中值頻率變化規(guī)律，對中值頻率曲線進(jìn)行了二次曲線擬合。由于體質(zhì)和鍛煉水平不同，不同個(gè)體間同一肌肉在肌肉強(qiáng)壯性和肌肉抗疲勞能力上存在很大差異。因此3位被試者的肌肉中值頻率特性規(guī)律存在較大差異，針對不同被試者的情況分別進(jìn)行了分析。2種背架下不同肌肉的中值頻率擬合曲線如圖11。

被試者1在主動式懸浮背架下不同肌肉MF值存在較明顯差別，股外側(cè)肌與腓腸肌外側(cè)肌肉興奮度逐步提高，MF值未向低頻移動，在運(yùn)動中后期出現(xiàn)疲勞趨勢；而脛骨前肌與比目魚肌在運(yùn)動開始即出現(xiàn)了MF值的大幅降低，在中后期MF值向高頻移動，肌肉疲勞緩解。無緩沖背架下各肌肉MF值變化規(guī)律較為一致，股外側(cè)肌、股內(nèi)側(cè)肌、脛骨前肌與股直肌在運(yùn)動初期即發(fā)生MF值下移；腓腸肌外側(cè)在運(yùn)動前期肌肉興奮度提高，在運(yùn)動中期出現(xiàn)疲勞；比目魚肌變化不明顯。

圖11 2種背架下MF變化擬合曲線

被試者2在2種背架狀態(tài)下，所有肌肉的MF值整體上呈現(xiàn)向高頻移動的趨勢，主動式懸浮背架下股外側(cè)肌與股內(nèi)側(cè)肌在運(yùn)動后期出現(xiàn)MF值低頻移動趨勢，無緩沖背架下六塊肌肉在運(yùn)動后期均出現(xiàn)低頻移動趨勢。

被試者3在主動式懸浮背架下，股直肌在運(yùn)動開始即出現(xiàn)了MF值降低，在運(yùn)動后期MF值向高頻移動；腓腸肌外側(cè)在運(yùn)動中后期出現(xiàn)MF值下移；其他肌肉均呈現(xiàn)向高頻移動的趨勢。在無緩沖背架下，股直肌運(yùn)動開始即出現(xiàn)了MF值大幅度降低，在運(yùn)動中后期MF值向高頻移動；比目魚肌在運(yùn)動后期MF值向低頻移動；股內(nèi)側(cè)肌在運(yùn)動過程中MF值一直處于低頻移動趨勢；其他肌肉變化不明顯。

將被試者運(yùn)動結(jié)束時(shí)的MF與開始時(shí)的MF比較，獲得MF降低的肌肉數(shù)量，再對整個(gè)運(yùn)動過程中MF出現(xiàn)低頻移動的肌肉數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯鲈谥鲃邮綉腋”臣芟鲁霈F(xiàn)MF降低及有降低趨勢的肌肉數(shù)目均不大于無緩沖背架。

表2 2種背架下MF變化

4.4 背架緩沖性能分析

由于3位被試者2種背架狀態(tài)下的三維運(yùn)動數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本一致，故選取被試者2數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析，如圖12為被試者在2種背架的上背架位移曲線、加速度及做功。

圖12 上背架位移、加速度、做功曲線

從上背架位移曲線對比來看，2種背架振動頻率基本一致，存在時(shí)間相位差，主動式懸浮背架下平均振幅約為35 mm，無緩沖背架下平均振幅約為65 mm，振動幅度減小了46%；加速度減少了48%；做功減少了21%。

5 結(jié)論

1) 主動式懸浮背架能夠大幅度減少人體做功，對變化步態(tài)具有更好的適應(yīng)性。

2) 與無緩沖背架相比，主動式懸浮背架下人體肌肉積分肌電普遍更低，腿部肌肉MF降低及有降低趨勢的數(shù)目均不大于無緩沖背架；垂直方向上的振動幅度減少了46%，加速度減少了48%，人體做功減少了21%。

提出的主動式懸浮背架具有更好地緩沖性能，可以有效緩解人體肌肉疲勞度。