無動力助行器中儲能裝置的設(shè)計與分析

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 長春 130000

引言

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

國內(nèi)外多所高校和研究所對于助行進(jìn)行了研制開發(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外骨骼機(jī)器人助行器、燕山大學(xué)研制出我國第一臺六自由度并聯(lián)機(jī)器人樣機(jī)。

當(dāng)前國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)是以電機(jī)、氣動人工肌肉為驅(qū)動，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共同的特點(diǎn)，就是設(shè)有驅(qū)動裝置。造成外形龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴等不足，另一方面，能源使用等問題也是重要阻礙。

無動力助行機(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，利用使用者自身來操作的助力機(jī)器人。無動力助行機(jī)器人與現(xiàn)有的驅(qū)動機(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，解決了動力型外骨骼助力機(jī)器人長期以來存在的不足，給予了人行走時舒適的體驗感，符合當(dāng)今社會推崇的能源可持續(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能裝置設(shè)計，以及對其性能的分析研究。

1 助行器儲能裝置設(shè)計

1.1 助行器儲能結(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)器人需要提供一個舒適柔軟、輕便簡潔的助行器，以避免人們在使用過程中由于行走困難或負(fù)載過重而使助行器未達(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在使用過程中能夠方便穿戴。基于上述考慮為使助行機(jī)器人能夠同時具有柔軟性與靈活性本文設(shè)計了如圖1所示的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

由圖1中可見，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，并通過柔性連接件與腰部儲能裝置2連接。助行器下層為膝蓋儲能裝置4、小腿連接件6和小腿腿縛7。

目前無動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。彈簧在無動力助行機(jī)器人中可具有以下作用：①控制機(jī)械運(yùn)動；②儲存及釋放能量；③吸收震動，減輕沖擊[3]。

本助行器利用渦卷彈簧設(shè)計儲能裝置如圖2所示，此儲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 儲能裝置結(jié)構(gòu)

1.2 助行器儲能原理

根據(jù)人體行走時，髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角（大腿與軀干的轉(zhuǎn)角）在正常步行時的變化范圍見表1，以及渦卷彈簧儲能特性，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)行走過程中腿部伸直時，平面渦卷彈簧被拉伸使其存儲勢能，腿抬起時，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，渦卷彈簧再次被拉伸、為下一次腿部抬起儲能[4]。

表1 髖關(guān)節(jié)行走時的轉(zhuǎn)動范圍[5]

2 儲能裝置性能分析

平面渦卷彈簧設(shè)計質(zhì)量對整個儲能系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，對其進(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)對比后材料采用為65Mn鋼，材料屬性見表2。其次進(jìn)行有限元分析，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用自動劃分網(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、尾部固定和同時固定時的應(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，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；心部和尾部同時固定時，內(nèi)圈和外圈同時受較大的應(yīng)力。當(dāng)心部固定時，渦卷彈簧受扭矩作用，應(yīng)力均勻分布在內(nèi)外圈。

渦卷彈簧儲能裝置在助行器中通過尾端裝有的柔性繩與大腿腿縛連接，柔當(dāng)行走過程中腿部伸直時，平面渦卷彈簧尾端被拉伸產(chǎn)生扭矩，使其存儲勢能。通過分析可得，在渦卷彈簧心部固定時，人體行走時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,所以彈簧不會失效。

3 動力學(xué)仿真分析

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

圖7 渦卷彈簧與腿部簡易模型

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建立渦卷彈簧實體模型如圖3所示，把上述實體模型導(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 渦簧動力學(xué)分析

生成柔性體后，對其施加約束，連桿Marker 點(diǎn)處施加轉(zhuǎn)動約束，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為渦簧在卷緊過程中的一個變形圖。

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)角隨時間變化的曲線，如圖11-1。由圖可知：隨著仿真時間的增加，旋轉(zhuǎn)角度逐漸變大，渦簧慢慢旋緊，并且渦卷彈簧的轉(zhuǎn)角與時間成正線性相關(guān)關(guān)系。圖11-2為渦簧扭矩隨時間變化關(guān)系，隨著時間的增加（轉(zhuǎn)角增加），渦卷彈簧所受扭矩隨著時間而不斷增大，且增加的幅度越來越大，全部卷緊時所受到的扭矩為 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恒定的角速度作用時，渦簧自身會產(chǎn)生扭矩并對旋緊產(chǎn)生影響，其具體的剛度曲線趨勢表現(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)到一個臨界角度時，渦簧各圈逐漸卷緊，其全長方向均發(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，剛度曲線從剛開始的線性相關(guān)變?yōu)闈u增型。

4 結(jié)束語

以無動力助行器及渦卷彈簧儲能裝置為研究對象，提出了平面渦卷彈簧的儲能設(shè)計、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)計分析。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真分析、理論對比，對渦簧剛度曲線進(jìn)行了分析。研究表明，此儲能裝置能夠滿足人體行走的強(qiáng)度性能要求并對行走起到輔助作用。