基于無動力儲能式輔助采茶的裝置設計①

宋甲本 王躍彭 錢長成 潘 丹 萬心華 尹彬灃

（揚州大學機械工程學院 江蘇揚州225127）

我國茶文化歷史悠久，茶業順應市場需求的發展，茶園面積不斷地擴大，茶葉產量迅速地遞增，有力地促進了市場經濟。這一趨勢也使得采茶勞動者數量的增多以及采茶作業量的增大［1]。隨著科技發展，大量的研究者試圖設計出適用于采茶業的機械裝置，幫助勞動者有效地采摘茶葉，減少體耗。

日本本田公司研發出了一種體重支撐步行輔助器，該輔助器結構簡單、穿戴方便，可為長期從事一線勞動的員工提供助力，但助力效果有限，且平衡性能較差。中國清華大學研制出減重步行訓練機器人，控制系統完善、用途廣泛，使用者能夠有意識地進行步行訓練，但體積大，攜帶不便，且價格較貴。

本設計為無動力儲能式輔助采茶裝置，致力于解決茶業中采茶者持久站立勞累以及省力抬腿等問題［2]。采茶者采茶時往往會在一個茶葉生長茂盛的地方站立許久，在需要轉移到下一個采茶地點時，容易造成因腿酸、腿麻等而無法輕松抬腿行走。此裝置通過分析人體下肢行走步態，在髖骨處設有無動力儲能裝置模擬大腿的擺動，以提高人體能源利用率。根據對應影響參數設計出儲能裝置中凸輪的輪廓曲線。同時，優化彈簧剛度并設計彈簧壓縮筒來滿足人體不同時運動狀態所需彈力。

1 裝置原理描述

分析人體下肢行走步態，在髖骨設有儲能裝置來模擬大腿的擺動，提高人體能源利用率。

根據人行走的速度、下肢擺動幅度和步長變化，計算彈簧與推桿的壓縮擺動，設計出儲能裝置中凸輪的輪廓曲線。

為滿足人體不同的運動狀態對動力需求，設計彈簧壓縮筒調節儲存力的大小，人站立時可設置彈力釋放?；谌梭w運動，對彈簧剛度進行優化確定。

無動力儲能式輔助裝置由模塊化組成［3]，結構包括腰部模塊、儲能裝置、股骨模擬桿組、膝蓋綁帶和其它鏈接部件（圖1）。其中，儲能裝置共分為7個構件（圖2）。

圖1 無動力輔助采茶裝置

圖2 儲能裝置示意圖

當采茶者行走時，股骨模擬桿與殼體一起隨大腿旋轉，滾子繞凸輪輪廓曲線作周期性旋轉，在彈簧推桿的作用下，向下運動，壓縮筒內的彈簧被壓縮后，將動能轉變為彈性勢能，起到儲能效果。在采茶者抬腿時，彈簧將彈性勢能轉變為動能，釋放能量，推動彈簧推桿和滾子運動，凸輪對殼體的反作用力，可提供抬腿的力，為茶農采茶作業節省體力消耗。

2 運動學分析與相關計算

人行走過程中，可視為每一瞬間均在平面上做鉛垂運動，人站立時彈簧處于最大壓縮量［5]，抬腿行走時進行能量轉換，運用機械能守恒有：

上式（1）中，k為彈簧剛度系數；Δx0為彈簧初始最大壓縮量；Wf為綜合摩擦與能量耗散，如人與地面或機構內部損耗；m為大腿小腿總質量；Δh為大腿小腿質心上升的距離；Vc為大腿小腿在抬升過程中，任意位置處的質心速度；Jc為大腿小腿的轉動慣量；ω為腿部的轉動角速度為腿部質心的轉動半徑；Δx1為腿部上升過程中任意位置處，彈簧的壓縮量。

彈簧的壓縮量，為推桿行程，即Δx1=S，由推桿行程變化，可計算出凸輪輪廓曲線［4]。在本裝置中，主要運用其輪廓曲線中的一部分，滿足推桿行程最大最小間的轉換即可（圖3）。

圖3 偏置移動滾子可壓縮彈簧推桿盤型凸輪機構

以O 為原點建立直角坐標系，設滾子中心B（x，y），求出凸輪的理論輪廓線方程式：

式中，e為偏距

工作廓線與理論廓線在法線方向的距離應等于滾子半徑rr，當已知理論廓線上任意一點時B（x， y），沿著理論輪廓線在該點的法線方向取距離為rr，即得工作廓線上的相應點B?（x?，y?）。因此可知，理論輪廓線B 點處法線n-n的斜率，應為：

根據式（2）有：

工作廓線上對應點B?（x?，y?）的坐標為：

此即為凸輪的工作廓線方程式。

3 彈簧剛度優化計算

根據抬腿不同的速度和抬腿不同的高度，選用剛度系數不同的彈簧［6]，實驗分析結果見表1，由生成的彈簧剛度系數曲線（圖4）可知，隨著抬腿速度的增高，對應的彈簧剛度降低。因此針對不同采茶人的行走速度，可以選用相應的彈簧規格，達到助力最大化，這一結論為該裝置的設計提供了有力保障。

表1 彈簧剛度系數計算數據

圖4 彈簧剛度系數曲線

4 結論

本研究建立人體運動力學模型，根據行走時腿部擺動幅度和速度的大小，得出下肢抬起所需能量。通過對推桿推程與彈簧剛度參數的優化計算，確定凸輪輪廓曲線，分析出彈簧剛度參數，將其運用到無動力輔助采茶的裝置中，可有效地解決茶農在長時間采茶作業導致的下肢酸麻、行走乏力的問題。