無動力助行機構及儲能裝置的性能分析

陳力寧 孫雨桐 王飛涵 陳世豪 齊迎春

摘要：首先對助行機構的研究現狀、研究方向、適用人群進行闡述;然后在分析人體行走過程和助行原理的基礎上提出一款無動力助行機構，介紹了該無動力助行機構的組成;隨后對人體行走時的步態進行捕捉，獲取步態數據;最后，使用ADAMS軟件進行建模仿真，測試儲能機構拉伸彈簧在行走時起到的輔助作用，并對拉伸彈簧進行應力分析。

關鍵詞：無動力助行機構;人體參數捕捉實驗;ADAMS建模仿真

0 ? ?引言

醫學上把輔助人體支撐體重、保持平衡和行走的工具統稱為“助行器”。助行器根據助力裝置的不同主要分為有動力助行器以及無動力助行器兩大類。有動力助行器以電力、液壓、氣壓為動力來源。目前，有動力助行器存在質量重、成本高、使用不方便等問題;此外，能源及續航問題也是影響有動力助行器發展的重要因素[1-4]。而無動力助行器具有無能耗、成本低、使用便捷等優勢，可廣泛應用于工業制造、醫療康復、輔助行走等多個領域，彌補了助行器長期以來存在的不足，更符合可持續發展的理念。

在適用人群方面，國內對于助行器的研究方向集中在助行機器人、穿戴式助行機器人、穿戴式外骨骼機器人等領域，并且均為主動式助行器，尚未出現適用于中年人（成年人）行走的無動力助行器的研究。基于此，本文提出了一種無動力助行器，其用彈簧存儲一部分重力所做的功，從而實現能量轉化，減少人體行走時的能量消耗。

1 ? ?助行原理

人體的行走是一個多周期循環的往復過程，下面對人體的行走過程進行分析。人體以雙腿直立作為初始狀態，以先左腳跨步為例，當開始行走時，雙腿微屈，同時重心右移，左腿邁步，然后重心左移，右腿邁步，再接著重心左移，重新回到初始狀態，完成一個周期的行走動作。分析這一過程可知，人的行走可以分為3個階段：起步階段、周期步行階段和止步階段[5]。完整的步行周期圖如圖1所示。

人體行走時，腿部抬起、放下過程中存在動能和勢能的轉化以及腰部與大腿、大腿與小腿間相對位置的變化。抬腿時，由人體提供能量，大腿抬升到一定高度后停止，此時勢能最大，動能最小;隨后腿部在重力和人體前傾趨勢影響下前移下落，此時勢能轉化為動能;如果在軀干、大腿、小腿的適當位置分別安裝儲能、釋能裝置，用來存儲腿部落下過程中的一部分能量，并在抬腿過程中釋放這部分能量，則可減少抬腿時人體需提供的能量，從而達到助行的目的。

2 ? ?結構設計

本文所述無動力助行機構由可調節式腰帶、腰部助力組件、大腿柔性可調型腿縛組成;可調節式腰帶能通過腰帶上魔術貼的不同位置來調節腰部尺寸大小;在腰帶的兩端分別安裝一個助力組件，助力組件由拉伸彈簧構成;拉伸彈簧的一端固定在腰帶處，另一端固定在大腿綁帶處。

3 ? ?性能分析

對人體行走運動進行數據捕捉實驗，測量人體行走時髖關節的角度變化。分別在人的腰部、大腿、小腿、膝部以及踝部選擇5個點進行標定，在固定路程中多次行走，用攝像機進行記錄。在實驗過程中，利用一個等比例的刻度尺測量數值，得到各個標記點在各個時間段內相對于地面的高度。實驗過程中在人體所取的5個標記點以及刻度尺的具體數值如圖2所示。

在數據處理時，用鼠標進行取點，利用取得的點在Excel軟件中生成曲線，得到了如圖3所示的人體在行走時髖關節的角度變化曲線。

應用該曲線作為初始數據，在ADAMS軟件中用圓環做簡易的腰帶模擬，并將腰帶固定在地面上，用兩個圓柱體模型模擬人體的大腿與小腿，在大腿上固定一個無質量的旋轉體作為大腿腿縛。腰帶與大腿之間用球副連接，大腿與小腿之間用球副連接。在腰帶與大腿、大腿與小腿之間添加力矩，以圖2為依據，編寫力矩的運動函數，模擬人體行走。實驗中大腿和小腿的質量分別為8.16 kg和2.33 kg[6]，重力加速度為9.81 kg/m2。ADAMS仿真建模圖如圖4所示。

4 ? ?仿真結果分析

在ADAMS軟件中進行運動模擬，分別測出彈簧的彈性系數k=0.25以及沒有彈簧時腰帶與大腿處的力矩曲線，如圖5所示。

轉矩的力矩曲線為負時，力矩主要克服重力;當轉矩的力矩曲線為正時，力矩主要克服彈簧的拉力。

k=0.25、t=0時，彈簧處于原長，轉矩的力矩為負，此時轉矩克服重力;當大腿與小腿同時下落時，彈簧被拉伸存儲能量，轉矩的力矩從克服重力變化到克服彈簧拉力，曲線由負變為正;當大腿與小腿同時抬起時，轉矩的力矩從克服彈簧拉力變化到克服重力，曲線由正變為負。彈簧加在腰帶與大腿處的仿真模擬過程圖如圖6所示。

當腰帶與大腿之間無彈簧連接時：t=0時，彈簧處于原長，轉矩的力矩為負，此時轉矩克服重力;當大腿與小腿同時下落時，轉矩逐漸變小;當大腿與小腿同時抬起時，轉矩逐漸變大。圖7所示為大腿與小腿之間沒有彈簧時的仿真模擬圖。

大腿與小腿下落時，彈簧被拉伸，存儲能量，由圖5可知，在大腿與小腿同時抬起時，轉矩的力矩大部分為正，克服彈簧拉力，而克服重力所需的力矩相比于沒有彈簧時克服的重力明顯減小，由此得出，彈簧在抬起大腿與小腿時起到了省力的作用。

5 ? ?彈簧的應力分析

為了測定拉伸彈簧所能承受的應力以及拉伸彈簧的應力分布，在CATIA軟件中建立一個新的恒定螺距的順時針彈簧，螺距為15.00 mm，圈數為5，起始角度為135°，并對該彈簧進行應力分析。根據人體腿部的重量，分別添加500 N、1 000 N、1 500 N的力。

在彈簧的上端施加500 N的力，應力圖如圖8所示。

在彈簧的上端施加1 000 N的力，應力圖如圖9所示。

在彈簧的上端施加1 500 N的力，應力圖如圖10所示。

6 ? ?結語

本文設計的助行機構使用拉伸彈簧作為其儲能裝置，拉伸彈簧成本低，質量輕，便于穿戴，可為中年人（成年人）的日常生活行走提供輔助。本文為簡化計算，將人體下肢簡化為連桿模型進行仿真模擬，但人體的下肢運動機理十分復雜，故而應構建更加符合人體下肢運動學原理的物理模型，得到的數據及曲線才能夠更加符合人體工程學的要求，使得助行的效果發揮到最大。

[參考文獻]

[1] 李劍鋒，李國通，張雷雨，等.穿戴式柔性下肢助力機器人發展現狀及關鍵技術分析[J].自動化學報，2020，46（3）：427-438.

[2] 石曉博，郭士杰，李軍強，等.發展中的外骨骼機器人及其關鍵技術[J].機床與液壓，2018，46（21）：70-76.

[3] 艾瑩，劉齊.機器人手腕概述[J].中外企業家，2018（19）：121.

[4] GOPURA R A R C，KIGUCHI K.Mechanical designs of active upper-limb exoskeleton robots：State-of-the-

art and design difficulties[C]//Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Rehabi-

litation Robotics，2009：178-187.

[5] 邵杰.基于人體運動捕捉數據的仿人機器人步態規劃和控制[D].北京：北京工業大學，2017.

[6] 田宏，石岫昆，石秀權，等.我國男性青年人體質量的分布[J].第四軍醫大學吉林軍醫學院學報，2001，23（3）：127-128.

收稿日期：2021-04-02

作者簡介：陳力寧（2000—），女，吉林長春人，研究方向：機械。