宋甲本 王躍彭 錢長(zhǎng)成 潘 丹 萬心華 尹彬?yàn)?/p>
(揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇揚(yáng)州225127)
我國(guó)茶文化歷史悠久,茶業(yè)順應(yīng)市場(chǎng)需求的發(fā)展,茶園面積不斷地?cái)U(kuò)大,茶葉產(chǎn)量迅速地遞增,有力地促進(jìn)了市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)。這一趨勢(shì)也使得采茶勞動(dòng)者數(shù)量的增多以及采茶作業(yè)量的增大[1]。隨著科技發(fā)展,大量的研究者試圖設(shè)計(jì)出適用于采茶業(yè)的機(jī)械裝置,幫助勞動(dòng)者有效地采摘茶葉,減少體耗。
日本本田公司研發(fā)出了一種體重支撐步行輔助器,該輔助器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穿戴方便,可為長(zhǎng)期從事一線勞動(dòng)的員工提供助力,但助力效果有限,且平衡性能較差。中國(guó)清華大學(xué)研制出減重步行訓(xùn)練機(jī)器人,控制系統(tǒng)完善、用途廣泛,使用者能夠有意識(shí)地進(jìn)行步行訓(xùn)練,但體積大,攜帶不便,且價(jià)格較貴。
本設(shè)計(jì)為無動(dòng)力儲(chǔ)能式輔助采茶裝置,致力于解決茶業(yè)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(shí)往往會(huì)在一個(gè)茶葉生長(zhǎng)茂盛的地方站立許久,在需要轉(zhuǎn)移到下一個(gè)采茶地點(diǎn)時(shí),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(tài),在髖骨處設(shè)有無動(dòng)力儲(chǔ)能裝置模擬大腿的擺動(dòng),以提高人體能源利用率。根據(jù)對(duì)應(yīng)影響參數(shù)設(shè)計(jì)出儲(chǔ)能裝置中凸輪的輪廓曲線。同時(shí),優(yōu)化彈簧剛度并設(shè)計(jì)彈簧壓縮筒來滿足人體不同時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所需彈力。
分析人體下肢行走步態(tài),在髖骨設(shè)有儲(chǔ)能裝置來模擬大腿的擺動(dòng),提高人體能源利用率。
根據(jù)人行走的速度、下肢擺動(dòng)幅度和步長(zhǎng)變化,計(jì)算彈簧與推桿的壓縮擺動(dòng),設(shè)計(jì)出儲(chǔ)能裝置中凸輪的輪廓曲線。
為滿足人體不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)動(dòng)力需求,設(shè)計(jì)彈簧壓縮筒調(diào)節(jié)儲(chǔ)存力的大小,人站立時(shí)可設(shè)置彈力釋放?;谌梭w運(yùn)動(dòng),對(duì)彈簧剛度進(jìn)行優(yōu)化確定。
無動(dòng)力儲(chǔ)能式輔助裝置由模塊化組成[3],結(jié)構(gòu)包括腰部模塊、儲(chǔ)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(chǔ)能裝置共分為7個(gè)構(gòu)件(圖2)。
圖1 無動(dòng)力輔助采茶裝置
圖2 儲(chǔ)能裝置示意圖
當(dāng)采茶者行走時(shí),股骨模擬桿與殼體一起隨大腿旋轉(zhuǎn),滾子繞凸輪輪廓曲線作周期性旋轉(zhuǎn),在彈簧推桿的作用下,向下運(yùn)動(dòng),壓縮筒內(nèi)的彈簧被壓縮后,將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥詣?shì)能,起到儲(chǔ)能效果。在采茶者抬腿時(shí),彈簧將彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能,釋放能量,推動(dòng)彈簧推桿和滾子運(yùn)動(dòng),凸輪對(duì)殼體的反作用力,可提供抬腿的力,為茶農(nóng)采茶作業(yè)節(jié)省體力消耗。
人行走過程中,可視為每一瞬間均在平面上做鉛垂運(yùn)動(dòng),人站立時(shí)彈簧處于最大壓縮量[5],抬腿行走時(shí)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換,運(yùn)用機(jī)械能守恒有:
上式(1)中,k為彈簧剛度系數(shù);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(jī)構(gòu)內(nèi)部損耗;m為大腿小腿總質(zhì)量;Δh為大腿小腿質(zhì)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(zhì)心速度;Jc為大腿小腿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ω為腿部的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為腿部質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)算出凸輪輪廓曲線[4]。在本裝置中,主要運(yùn)用其輪廓曲線中的一部分,滿足推桿行程最大最小間的轉(zhuǎn)換即可(圖3)。
圖3 偏置移動(dòng)滾子可壓縮彈簧推桿盤型凸輪機(jī)構(gòu)
以O(shè) 為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系,設(shè)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(yīng)等于滾子半徑rr,當(dāng)已知理論廓線上任意一點(diǎn)時(shí)B(x, y),沿著理論輪廓線在該點(diǎn)的法線方向取距離為rr,即得工作廓線上的相應(yīng)點(diǎn)B?(x?,y?)。因此可知,理論輪廓線B 點(diǎn)處法線n-n的斜率,應(yīng)為:
根據(jù)式(2)有:
工作廓線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)B?(x?,y?)的坐標(biāo)為:
此即為凸輪的工作廓線方程式。
根據(jù)抬腿不同的速度和抬腿不同的高度,選用剛度系數(shù)不同的彈簧[6],實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果見表1,由生成的彈簧剛度系數(shù)曲線(圖4)可知,隨著抬腿速度的增高,對(duì)應(yīng)的彈簧剛度降低。因此針對(duì)不同采茶人的行走速度,可以選用相應(yīng)的彈簧規(guī)格,達(dá)到助力最大化,這一結(jié)論為該裝置的設(shè)計(jì)提供了有力保障。
表1 彈簧剛度系數(shù)計(jì)算數(shù)據(jù)
圖4 彈簧剛度系數(shù)曲線
本研究建立人體運(yùn)動(dòng)力學(xué)模型,根據(jù)行走時(shí)腿部擺動(dòng)幅度和速度的大小,得出下肢抬起所需能量。通過對(duì)推桿推程與彈簧剛度參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算,確定凸輪輪廓曲線,分析出彈簧剛度參數(shù),將其運(yùn)用到無動(dòng)力輔助采茶的裝置中,可有效地解決茶農(nóng)在長(zhǎng)時(shí)間采茶作業(yè)導(dǎo)致的下肢酸麻、行走乏力的問題。