基于流體彈簧的新型膝關節支架的液壓特性仿真

謝吟絮 陳云飛

關鍵詞：膝關節外骨骼;流體彈簧;阻尼孔;AMESim仿真

0引言

下肢外骨骼是一種運動輔助裝置，不僅有固定關節保護韌帶的作用，還能提高穿戴者運動能力。隨著老齡化速度增加，2018年底中國60歲以上老齡人口已經占到人口總數的17.9%，而50～70歲的老年人大約有半數患有下肢關節疾病。隨著年齡的增大，關節炎與肌肉萎縮會直接導致中老年人的下肢運動能力大幅降低，從而嚴重影響中老年群體的生活質量，因此針對中老年人以及下肢運動康復人群的下肢外骨骼有著巨大的發展潛力。目前外骨骼大多采用有源驅動方式，其主要缺點在于結構復雜、體積龐大、重量較高，并且受到動力源（電池、電源、汽柴油等）的限制，極大限制了外骨骼使用場景、續航時間和工作效率。本文中提出的新型膝關節支架以流體彈簧為無源動力驅動，體積小、重量輕、結構簡單，且解決了目前有源驅動外骨骼受動力源限制的問題。本文利用流體彈簧的原理，對外骨骼驅動單元進行參數設計計算，并且完成流體彈簧Solidworks的三維建模，并且推導出工作壓強及回復力與液壓缸參數之間的定量公式。本文將對流體彈簧單元基于液壓仿真軟件AMESim進行液壓系統建模，旨在得到不同直徑的阻尼孔產生的阻尼力與系統回彈速度的關系。

1流體彈簧參數設計及建模

為了方便使用者穿戴，外骨骼需要盡量輕便，因此流體彈簧驅動單元體積要小，同時還需要滿足提供足夠回彈力等要求。

根據設計要求：液壓缸內徑D=7mm;活塞桿外徑d=3mm;缸體內腔長度L=30mm，流體彈簧Solid-works三維建模如圖1所示。

如圖所示，流體彈簧由缸體、活塞、活塞桿等部件構成。其中，缸體內充滿二甲基硅油，缸蓋處進行密封。流體彈簧的運動原理主要是利用了流體的可壓縮性，本文選用的二甲基硅油，由于其獨特的分子鏈結構，相比其他的液壓油有更好的壓縮性。活塞初始位置在缸蓋處，活塞上有均勻分布的4個阻尼孔。當活塞桿受到向右的力F時，活塞桿向右運動，缸內腔體中的硅油被壓縮，壓力增大;此時，硅油通過阻尼孔向左側容腔流動，活塞左側容腔硅油體積膨脹，壓力減小。隨著活塞向容器右側移動，硅油所占的有效空間縮小，壓力增值為△p。若活塞移動量是x，則壓縮后的體積是：

由以上公式可知，流體彈簧運動過程中可以產生一個回復力，這個回復力可以在人體行走時對膝關節提供一個輔助動力。回復力大小與壓強變化數值及活塞桿面積成正相關。設計要求流體彈簧所能產生的回復力不小于250N，此流體彈簧的回復力為1300.41N，符合要求。流體彈簧剛度可以改變，剛度和硅油的彈性模數以及活塞桿徑相關，當液壓缸內徑和活塞桿徑比值趨近于1時，理論上來說流體彈簧剛度將趨于無窮大。

2液壓缸建模及流體仿真

流體彈簧中由于硅油的高壓縮性決定了其可以在運動時為膝關節提供額外的輔助動力，從而提高人體運動能力。而流體彈簧中的阻尼力則可以改變回彈速度，起到緩沖吸振的作用。活塞上均勻分布的4個阻尼孔在運動時提供阻尼力，通過改變阻尼孔的直徑可以得到不同的阻尼力，以便獲得不同回彈速度。

為進一步研究不同直徑阻尼孔與阻尼力的關系，現基于液壓仿真軟件AMESim對流體彈簧建模，控制其他參數不變，改變阻尼孔直徑，得到運動過程中不同直徑下壓強變化過程。

首先對流體彈簧進行液壓系統建模。過程如下：

選定液壓油，選取二甲基硅油作為介質;建立一個液壓缸，并且并聯4個阻尼孔，以此模擬均勻分布4個阻尼孔的流體彈簧;由于液體彈簧受到人體行走時外力的作用，因此建立一個質量塊以及力作用模塊進行模擬;建立一個信號來輸人人體運動時作用力曲線。建立的模型如圖2所示。

隨后進入子模型模式，本文重點仿真阻尼孔對液壓系統的影響，因此液壓缸、質量模塊、力與信號都直接選定默認子模型。

進入參數模式后，根據流體彈簧計算得到復位力、最大工作壓強以及液壓缸參數設置。由于不同體重、年齡、身高以及不同性別的人行走時對膝關節所施加的壓力都不盡相同，為簡化液壓系統模型，本文在仿真時質量選取平均值60kg，且假設人體行走過程中左右兩個膝關節受力情況對稱受力大小相同。復位力為1300.41N，液壓缸內徑D=7mm，活塞桿外徑d=3mm，缸體內腔長度L=30mm，活塞截面形狀選取圓形。

分別設置阻尼孔直徑為0.05mm、0.10mm、0.15mm，最后進入仿真模式來進行仿真，研究阻尼孔直徑變化對運動過程中液壓系統阻尼力的影響。繪制運動過程中液壓缸內壓強變化情況圖，結果如圖3～5所示。

由圖可知，阻尼孔直徑會影響液壓缸內壓強變化速度及變化峰值，當直徑為0.05mm時，整個運動過程中壓強變化最緩慢，且峰值最大，由此可見，阻尼孔直徑越小，阻尼力越大，壓力變化也越緩慢。可以推論，流體彈簧中阻尼孔直徑越小，回彈速度越慢，回彈更加平緩，因此行走過程中對人體膝關節緩沖作用越大。因此，可以通過改變阻尼孔的數量以及直徑來控制流體彈簧的回彈速度，以達到不同的緩沖吸振效果。

3結束語

通過對流體彈簧工作時壓強的研究，由文中所得公式可知，液壓缸中壓力變化與活塞運動量成正相關，在缸體最大行程處壓力增加達到峰值。此外，由公式可得，活塞桿的直徑對流體彈簧剛度影響很大，可以通過改變活塞桿直徑來控制流體彈簧的剛度。本文建立了一個流體彈簧的Solidworks三維模型以及對應的液壓系統模型，通過基于AMESim的仿真得到的結果如下，阻尼孔的直徑會影響回彈的速度，阻尼孔直徑越小回彈速度越慢，對運動時產生的沖擊緩沖效果也越好。改變阻尼孔直徑可以有效改變流體彈簧的回彈速度，使運動時流體彈簧可以起到緩沖吸振的作用。因此，本文設計的流體彈簧驅動單元在人體行走過程中可以有效提供額外的輔助動力，同時還有緩沖吸振作用。