个体防护装备在坐姿下的功耗机理与评价方法研究

张方腾，李昊天，戚晓玲，杨国甫，隋修武

1．天津工业大学机械工程学院，天津300387;2．天津工业大学天津市现代机电装备技术重点实验室，天津300387;3．航空工业航宇救生装备有限公司，湖北襄阳441002

贴身穿戴的个体防护装备系统包括服装、头盔等[1]，其基本要求有两个：一是满足基本生理功能的需要，二是满足较轻负荷的要求。一般根据不同任务选择配备必要的防护装备。在任务中，需要做大量的功来克服系统的重力、内部摩擦力、意外冲击力、系统力学形变(服装材料的拉伸、弯曲、扭转等)等做功[2]，那么如何对装备系统进行综合评价，从而客观全面地反映体能消耗情况等成了当前迫切需要解决的问题。

本文以服装模特为载体，将机器人运动学与控制技术相结合，构建能够模拟人体驾驶模式的机器人[3]，并以测量控制电机的电枢电流、电枢电压、瞬时功率和累计功的方式来表征机器人在坐姿状态下，手臂交替摆动进行设备操作所消耗的耗能值[4]，从而实现服装耗能的测量，完成对防护服装的综合评价。

1 系统设计

测试系统主要由运动机构、控制模块和采集模块3部分组成[5]。其中，运动部分由步进电机分别带动模特双臂作前后摆动，模拟人体驾驶状态下的操作动作，实现特定动作下的运动及力的变化；控制部分实现运动部分的制动、速度调节、电机转向以及电压的转换；采集部分实现机器运转时电流、电压的采集和瞬时功率及累计功的计算。

1.1 运动机构

测试系统的运动机构主要通过模拟机器人的上肢摆动实现的，模拟机器人的上肢机械结构外观如图1所示。由图1可知，模拟机器人的上肢整体结构为左右对称，一侧的主要零件有上肢固定框、步进电机、一级减速器、手臂支架和紧固螺钉。

1—上肢固定框；2—步进电机；3—一级减速器；4—紧固螺钉；5—手臂支架。图1 上肢机械结构Fig 1 Mechanical structure of upper limb

1.2 控制模块

1.2.1 步进电机

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或直线位移的机电执行元件，具有启停快、精度高，能够直接接受数字信号，不需要位移传感器就可达到较精确定位的特点，因而本文选用二相四线混合式步进电机进行实验。

工作时，电机通过传动机构，带动手臂摆杆按一定的规律摆动，而调速器可以改变电机的运转速度，从而改变手臂的摆动速度。实现中，结合L298N驱动模块，以及表1所示的引脚逻辑图，确定电机驱动方案。

表1 L298N引脚逻辑表Table 1 Pin logic table of L298N

1.2.2 PWM调速

调节电机一个周期内电源的接通和断开时间的占空比，可以改变一个周期内输出的平均电压，从而调节直流电机的速度，实现直流电机的调速功能。脉宽调制本质上是调节输出的平均电压，文中脉宽调制的脉宽时间和周期的关系如图2所示，PWM脉冲的输出频率为10 kHz。

图2 PWM波形脉宽时间和周期关系Fig 2 Relationship between PWM waveform pulse width time and period

1.3 采集模块

1.3.1 电流采集

为测量电机线圈中的电流信号，需要将线圈电流通过一个采样电阻，将电流信号转换成对应的电压信号。由于电路对采样电阻器的精确度和类型要求较高，故选择大功率直流精密电阻器作为采样电阻器，其阻值为0.1 Ω,功率为10 W,可承受电流10 A。由于采样电阻阻值小，串联在电路中不会有降压过大的现象，因此通过对电阻的分压，电压信号经过跟随器、测量电路和放大电路，调整为0～3.3 V的直流电压信号；再与电压电流信号一起输入到上位机中，进行信号的采集和处理，在界面上直接显示为瞬时功率。电流采集图如图3所示。

图3 电枢电流电路Fig 3 Armature current circuit

由于跟随器具有输入阻抗高、输出阻抗低的特性，因此使用跟随器可以提升电路的带载能力，可应用于多级滤波电路的输入级。由于线圈上的电流信号为周期性脉冲信号，因此采集电阻上的电压信号也为脉冲信号，而为了获得稳定的直流信号，需要对电压进行低通滤波处理。滤波器截止频率计算公式如下所示：

(1)

根据电路中的电容值C1=1 μF与电阻值R3=100 kΩ，计算出滤波电路的截止频率为1.6 Hz，可以实现对高频信号的有效滤除。

经过二阶低通滤波处理后对信号进行放大。结合实际电路的电阻值参数，同相比例放大电路的放大倍数公式如式(2)所示。

(2)

式中：Ui为输入电压，V;Uo是输出电压，V;R9和R10为电路相应电阻,Ω。

1.3.2 电压采集

在电流数据的采集中，选用PCI-E9603数据采集卡，可实现连续分组采集。采集卡输入量程为±10 V、±5 V、±2.5 V、0～10 V，采样速率为100 Hz～500 kHz。由于电机电枢电压为PWM波，幅值为24 V，不能直接进入数据采集卡进行测量，需要将测量电路后接二阶低通滤波器、同相比例放大器，将幅值与脉宽由无规律的电压信号调制整合到成正比例的0～3.3 V的直流电压信号。

图4为电压采集电路，电压信号经分压电路后过二阶滤波电路，经同相放大电路放大到AD转换器的测量范围后，单片机通过AD转换器得到具体的电压数据,并通过串口将数据传输至上位机，以进行后续的运算。

图4 电枢电压电路Fig 4 Armature voltage circuit

2 实验方法与结果

2.1 实验方法

准备3套不同材料(棉、丝、化纤)、不同大小(大、中、小)、不同结构形式的民用服装(西服、运动服、T恤)进行测试。采用“控制变量法”“正交试验法”，对影响装备耗能的主要因素进行大量的耗能实验，探索其相关性，为防护装备系统的耗能机理分析准备充足真实的实验数据；并将理论研究和实验研究相结合，探讨服装对装备系统耗能的影响，从体能消耗方面量化防护装备穿着的舒适性，指导防护装备系统的优化设计。

2.2 正交实验

在测试平台上分别对穿着不同材质、大小、类型的服装进行测试，测量系统在上肢运动时，穿着服装和不穿衣服的耗能情况，两者功耗能差即为服装功耗值，分别记录系统在空载和穿着3种不同类型服装的耗能数值。

选用上述3种不同材质(棉(A)、丝(B)、化纤(C))、不同大小(大(L)、中(M)、小(S))和不同类型(西服(甲)、运动服(乙)、T恤(丙))的服装，进行耗能的正交实验，设计正交实验表如表2所示。

2.3 实验结果

将3种不同材料、不同大小、不同款式的服装分别进行耗能实验，发现不同大小和不同材质对服装功耗影响微小，故文中只分析不同服装类型对服装功耗的影响。测试时,首先记录空载时的电枢电流、电枢电压的数据，并记录瞬时功率的结果；再记录不同服装类型下的电枢电流、电枢电压、功率。实验数据如表3所示，功耗情况如图5所示。

表2 I正交实验表Table 2 Table of orthogonal experiment

表3 不同服装类型的实验数据Table 3 Experimental data of wearing different clothing

实验结果显示，不同类型的服装有着不同的功耗，且随着时间的增加，耗能差别更加明显。

图5 服装耗能测试功率对比图Fig 5 Comparison of power consumption test of clothing

3 结论

按照飞行员坐姿特点在搭建的实验平台上进行上肢摆动下的服装耗能测试，结果表明，服装大小和材质对其功耗影响微小，而服装类型影响较大，其功耗大小影响顺序为西服>运动服>T恤>不穿衣服，从而为个体坐姿情况下装备系统的服装选择与优化设计提供参考依据。