無(wú)動(dòng)力助行器中儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)與分析

孫雨桐 陳力寧 王飛涵

吉林大學(xué) 生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 吉林 長(zhǎng)春 130000

引言

人的體力是有限的，不同人身體狀況的不同也會(huì)對(duì)步行的距離和效果有影響。如何減少因走路所消耗的能量，而延長(zhǎng)行進(jìn)的時(shí)間與里程成為現(xiàn)如今的研究熱點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外多所高校和研究所對(duì)于助行進(jìn)行了研制開(kāi)發(fā)。如新加坡南洋理工大學(xué)的下肢外骨骼機(jī)器人、日本筑波大學(xué)的 HAL系列下肢外骨骼機(jī)器人、清華大學(xué)張濟(jì)川等人在研究的電動(dòng)外骨骼機(jī)器人助行器、燕山大學(xué)研制出我國(guó)第一臺(tái)六自由度并聯(lián)機(jī)器人樣機(jī)。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)是以電機(jī)、氣動(dòng)人工肌肉為驅(qū)動(dòng)，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法控制的外骨骼機(jī)器人，主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域以及神經(jīng)重塑性康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域[1]。這些外骨骼助力器均有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是設(shè)有驅(qū)動(dòng)裝置。造成外形龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴等不足，另一方面，能源使用等問(wèn)題也是重要阻礙。

無(wú)動(dòng)力助行機(jī)器人即不借助能源設(shè)備及其他非自然的外力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，利用使用者自身來(lái)操作的助力機(jī)器人。無(wú)動(dòng)力助行機(jī)器人與現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)機(jī)器人相比，大大降低了體積和質(zhì)量，而且不具有能源的消耗，解決了動(dòng)力型外骨骼助力機(jī)器人長(zhǎng)期以來(lái)存在的不足，給予了人行走時(shí)舒適的體驗(yàn)感，符合當(dāng)今社會(huì)推崇的能源可持續(xù)發(fā)展的理念[2]。

本文主要介紹一種利用接觸型平面渦卷彈簧的儲(chǔ)能裝置設(shè)計(jì)，以及對(duì)其性能的分析研究。

1 助行器儲(chǔ)能裝置設(shè)計(jì)

1.1 助行器儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)

考慮到健康人的行走姿態(tài)及所能接受的負(fù)重，助行機(jī)器人需要提供一個(gè)舒適柔軟、輕便簡(jiǎn)潔的助行器，以避免人們?cè)谑褂眠^(guò)程中由于行走困難或負(fù)載過(guò)重而使助行器未達(dá)到輔助作用。此外助行機(jī)器人還應(yīng)具有一定的靈活性使人們?cè)谑褂眠^(guò)程中能夠方便穿戴。基于上述考慮為使助行機(jī)器人能夠同時(shí)具有柔軟性與靈活性本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

由圖1中可見(jiàn)，助行器的結(jié)構(gòu)大致分為上、中、下3層。助行器上層和中層采用柔性連接件3相連接，可適應(yīng)不同高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足不同人需求。上層腰帶1可通過(guò)魔術(shù)貼，進(jìn)行不同位置的固定以滿足不同腰部尺寸大小的需求。助行器中層為大腿腿縛5，并通過(guò)柔性連接件與腰部?jī)?chǔ)能裝置2連接。助行器下層為膝蓋儲(chǔ)能裝置4、小腿連接件6和小腿腿縛7。

目前無(wú)動(dòng)力助行器中常采用流體彈簧、渦卷彈簧、形狀記憶合金、彈性軟體材料等。彈簧在無(wú)動(dòng)力助行機(jī)器人中可具有以下作用：①控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)；②儲(chǔ)存及釋放能量；③吸收震動(dòng)，減輕沖擊[3]。

本助行器利用渦卷彈簧設(shè)計(jì)儲(chǔ)能裝置如圖2所示，此儲(chǔ)能裝置安裝在助行器腰部及大腿之間，包括平面渦卷彈簧、卡簧、渦卷彈簧約束環(huán)、助力組件外殼，將平面渦卷彈簧利用渦卷彈簧約束環(huán)約束在助力組件外殼內(nèi)。

圖2 儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)

1.2 助行器儲(chǔ)能原理

根據(jù)人體行走時(shí)，髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角（大腿與軀干的轉(zhuǎn)角）在正常步行時(shí)的變化范圍見(jiàn)表1，以及渦卷彈簧儲(chǔ)能特性，利用平面渦卷彈簧固定在軀干腰部，平面渦卷彈簧的末端裝有兩根柔性繩，柔性繩的另一端連接在大腿腿縛上。當(dāng)行走過(guò)程中腿部伸直時(shí)，平面渦卷彈簧被拉伸使其存儲(chǔ)勢(shì)能，腿抬起時(shí)，彈簧回縮并釋放能量，輔助大腿抬起，隨后腿在重力作用下放下時(shí)，渦卷彈簧再次被拉伸、為下一次腿部抬起儲(chǔ)能[4]。

表1 髖關(guān)節(jié)行走時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍[5]

2 儲(chǔ)能裝置性能分析

平面渦卷彈簧設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析、變形分析及模態(tài)分析，判斷彈簧是否失效。

2.1 渦卷彈簧應(yīng)力分析

為了對(duì)渦簧進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力分析以及模態(tài)分析，需要建立相應(yīng)的模型如圖3。利用Creo軟件利用方程建立曲線，掃描形成渦卷彈簧。根據(jù)彈簧工作條件，初步確定彈簧外形尺寸為：渦卷彈簧最大直徑為80mm，截面圓直徑為4mm，纏繞五圈。

圖3 渦卷彈簧模型

導(dǎo)入CATIA軟件中。首先定義所用彈簧的彈性屬性，經(jīng)對(duì)比后材料采用為65Mn鋼，材料屬性見(jiàn)表2。其次進(jìn)行有限元分析，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用自動(dòng)劃分網(wǎng)格命令，初始網(wǎng)格數(shù)值設(shè)定為2mm，然后使用高級(jí)網(wǎng)格命令進(jìn)行細(xì)致劃分，生成較高質(zhì)量的網(wǎng)格系統(tǒng)。最后定義邊界類型，使用Clamp命令及Moment命令分別對(duì)渦卷彈簧進(jìn)行應(yīng)力狀態(tài)分析。

表2 65Mn材料屬性

使用Moment命令，在渦卷彈簧上下表面施加Z方向的扭矩，點(diǎn)擊Computer進(jìn)行運(yùn)算，得到壓力分布圖（圖4-6），分別分析在彈簧心部固定、尾部固定和同時(shí)固定時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。

圖4 心部固定應(yīng)力狀態(tài)圖

圖5 尾部固定應(yīng)力狀態(tài)圖

圖6 同時(shí)固定應(yīng)力狀態(tài)圖

圖4-6中，顯示了渦卷彈簧在人體正常行走時(shí)大腿與軀干間的平均工作扭矩1000N·mm作用下發(fā)生彎曲變形的應(yīng)力圖。從三次有限元分析的應(yīng)力云圖可看出，在施加相同扭矩的情況下，不同固定方式的應(yīng)力分布和應(yīng)變打小分布并不相同。尾部固定時(shí)，渦卷彈簧應(yīng)力在內(nèi)圈和外圈的分布不均勻，且外圈受力較大；心部和尾部同時(shí)固定時(shí)，內(nèi)圈和外圈同時(shí)受較大的應(yīng)力。當(dāng)心部固定時(shí)，渦卷彈簧受扭矩作用，應(yīng)力均勻分布在內(nèi)外圈。

渦卷彈簧儲(chǔ)能裝置在助行器中通過(guò)尾端裝有的柔性繩與大腿腿縛連接，柔當(dāng)行走過(guò)程中腿部伸直時(shí)，平面渦卷彈簧尾端被拉伸產(chǎn)生扭矩，使其存儲(chǔ)勢(shì)能。通過(guò)分析可得，在渦卷彈簧心部固定時(shí)，人體行走時(shí)渦卷彈簧所受最大應(yīng)力為35.6MPa，而材料所能承受的抗拉強(qiáng)度為825～925MPa,所以彈簧不會(huì)失效。

3 動(dòng)力學(xué)仿真分析

利用CATIA對(duì)平面渦簧彈簧進(jìn)行了有限元應(yīng)力分析，為了進(jìn)一步了解渦簧的動(dòng)力學(xué)性能，將渦簧形成柔性體進(jìn)行分析。借助動(dòng)力學(xué)仿真軟件 ADAMS建立簡(jiǎn)易模型如圖7，運(yùn)用軟件中柔性體分析模塊，對(duì)渦簧進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。

圖7 渦卷彈簧與腿部簡(jiǎn)易模型

3.1 ADAMS中渦簧柔性體模型建立

由于渦簧形狀比較復(fù)雜，因此在Creo建立渦卷彈簧實(shí)體模型如圖3所示，把上述實(shí)體模型導(dǎo)入ADAMS中，將渦卷彈簧中心與地面建立固定約束，建立一個(gè)連桿與渦卷彈簧尾端固連，在連桿與渦簧心部間施加轉(zhuǎn)動(dòng)約束。利用其柔性體模塊ADAMS/AutoFlex，生成柔性體，如圖8所示。

圖8 渦卷彈簧柔性體模型

3.2 渦簧動(dòng)力學(xué)分析

生成柔性體后，對(duì)其施加約束，連桿Marker 點(diǎn)處施加轉(zhuǎn)動(dòng)約束，將連桿處施加恒定角速度，其大小為 rad/s。在中心Marker點(diǎn)處施加固定約束，如圖9所示。

圖9 渦卷彈簧柔性體約束模型

在ADAMS中，將恒定角速度添加到施加好約束的渦簧并仿真后，其仿真過(guò)程展現(xiàn)出每一步渦簧的變化以及應(yīng)力形態(tài)，渦簧在受到扭矩后各圈依次發(fā)生變形，所受到的應(yīng)力也隨著渦簧卷緊圈數(shù)的不同變化著，圖10為渦簧在卷緊過(guò)程中的一個(gè)變形圖。

圖10 渦卷彈簧變形圖

將渦卷彈簧的變形圖轉(zhuǎn)換到 ADAMS 后處理模塊中，得到該渦簧在受到恒定角速度后旋轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化的曲線，如圖11-1。由圖可知：隨著仿真時(shí)間的增加，旋轉(zhuǎn)角度逐漸變大，渦簧慢慢旋緊，并且渦卷彈簧的轉(zhuǎn)角與時(shí)間成正線性相關(guān)關(guān)系。圖11-2為渦簧扭矩隨時(shí)間變化關(guān)系，隨著時(shí)間的增加（轉(zhuǎn)角增加），渦卷彈簧所受扭矩隨著時(shí)間而不斷增大，且增加的幅度越來(lái)越大，全部卷緊時(shí)所受到的扭矩為 115N·m,比渦簧所能承受的最大扭矩314.365N·m 小。

圖11 -1 渦卷彈簧轉(zhuǎn)角變化

圖11 -2 渦卷彈簧扭矩變化

圖11 -3 仿真渦簧剛度曲線

將旋轉(zhuǎn)角設(shè)置成曲線橫坐標(biāo)，仿真后測(cè)量處理得到渦簧的剛度曲線如圖11-3所示。當(dāng)渦卷彈簧中心受到一個(gè)恒定的角速度作用時(shí)，渦簧自身會(huì)產(chǎn)生扭矩并對(duì)旋緊產(chǎn)生影響，其具體的剛度曲線趨勢(shì)表現(xiàn)為起初呈線性變化，之后改為斜率逐漸增大的漸增型曲線[6]。

仿真中渦簧旋轉(zhuǎn)初期，渦卷彈簧在圏與圈的節(jié)距空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)，外層圈只受徑向力和軸向力的作用而發(fā)生變形，渦簧的形變均勻，剛度曲線呈正比例變化；當(dāng)旋轉(zhuǎn)到一個(gè)臨界角度時(shí)，渦簧各圈逐漸卷緊，其全長(zhǎng)方向均發(fā)生變形，各圈所受的切力和軸力大小不等，導(dǎo)致渦簧形變不均勻，剛度曲線從剛開(kāi)始的線性相關(guān)變?yōu)闈u增型。

4 結(jié)束語(yǔ)

以無(wú)動(dòng)力助行器及渦卷彈簧儲(chǔ)能裝置為研究對(duì)象，提出了平面渦卷彈簧的儲(chǔ)能設(shè)計(jì)、仿真分析方法。建立平面渦卷彈簧模型，進(jìn)行了柔性體設(shè)計(jì)分析。通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析、理論對(duì)比，對(duì)渦簧剛度曲線進(jìn)行了分析。研究表明，此儲(chǔ)能裝置能夠滿足人體行走的強(qiáng)度性能要求并對(duì)行走起到輔助作用。