無動力助行機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀、研究方向、適用人群進(jìn)行闡述;然后在分析人體行走過程和助行原理的基礎(chǔ)上提出一款無動力助行機(jī)構(gòu)，介紹了該無動力助行機(jī)構(gòu)的組成;隨后對人體行走時的步態(tài)進(jìn)行捕捉，獲取步態(tài)數(shù)據(jù);最后，使用ADAMS軟件進(jìn)行建模仿真，測試儲能機(jī)構(gòu)拉伸彈簧在行走時起到的輔助作用，并對拉伸彈簧進(jìn)行應(yīng)力分析。

關(guān)鍵詞：無動力助行機(jī)構(gòu);人體參數(shù)捕捉實驗;ADAMS建模仿真

0 ? ?引言

醫(yī)學(xué)上把輔助人體支撐體重、保持平衡和行走的工具統(tǒng)稱為“助行器”。助行器根據(jù)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(zhì)量重、成本高、使用不方便等問題;此外，能源及續(xù)航問題也是影響有動力助行器發(fā)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(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、醫(yī)療康復(fù)、輔助行走等多個領(lǐng)域，彌補(bǔ)了助行器長期以來存在的不足，更符合可持續(xù)發(fā)展的理念。

在適用人群方面，國內(nèi)對于助行器的研究方向集中在助行機(jī)器人、穿戴式助行機(jī)器人、穿戴式外骨骼機(jī)器人等領(lǐng)域，并且均為主動式助行器，尚未出現(xiàn)適用于中年人（成年人）行走的無動力助行器的研究?；诖?，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(xiàn)能量轉(zhuǎn)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(huán)的往復(fù)過程，下面對人體的行走過程進(jìn)行分析。人體以雙腿直立作為初始狀態(tài)，以先左腳跨步為例，當(dāng)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(tài)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)化為動能;如果在軀干、大腿、小腿的適當(dāng)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(dá)到助行的目的。

2 ? ?結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所述無動力助行機(jī)構(gòu)由可調(diào)節(jié)式腰帶、腰部助力組件、大腿柔性可調(diào)型腿縛組成;可調(diào)節(jié)式腰帶能通過腰帶上魔術(shù)貼的不同位置來調(diào)節(jié)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(gòu)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(yùn)動進(jìn)行數(shù)據(jù)捕捉實驗，測量人體行走時髖關(guān)節(jié)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(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，在固定路程中多次行走，用攝像機(jī)進(jìn)行記錄。在實驗過程中，利用一個等比例的刻度尺測量數(shù)值，得到各個標(biāo)記點(diǎn)在各個時間段內(nèi)相對于地面的高度。實驗過程中在人體所取的5個標(biāo)記點(diǎn)以及刻度尺的具體數(shù)值如圖2所示。

在數(shù)據(jù)處理時，用鼠標(biāo)進(jìn)行取點(diǎn)，利用取得的點(diǎn)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(guān)節(jié)的角度變化曲線。

應(yīng)用該曲線作為初始數(shù)據(jù)，在ADAMS軟件中用圓環(huán)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(zhì)量的旋轉(zhuǎn)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(jù)，編寫力矩的運(yùn)動函數(shù)，模擬人體行走。實驗中大腿和小腿的質(zhì)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(jié)果分析

在ADAMS軟件中進(jìn)行運(yùn)動模擬，分別測出彈簧的彈性系數(shù)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(zhuǎn)矩的力矩曲線為負(fù)時，力矩主要克服重力;當(dāng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩的力矩為負(fù)，此時轉(zhuǎn)矩克服重力;當(dāng)大腿與小腿同時下落時，彈簧被拉伸存儲能量，轉(zhuǎn)矩的力矩從克服重力變化到克服彈簧拉力，曲線由負(fù)變?yōu)檎?當(dāng)大腿與小腿同時抬起時，轉(zhuǎn)矩的力矩從克服彈簧拉力變化到克服重力，曲線由正變?yōu)樨?fù)。彈簧加在腰帶與大腿處的仿真模擬過程圖如圖6所示。

當(dāng)腰帶與大腿之間無彈簧連接時：t=0時，彈簧處于原長，轉(zhuǎn)矩的力矩為負(fù)，此時轉(zhuǎn)矩克服重力;當(dāng)大腿與小腿同時下落時，轉(zhuǎn)矩逐漸變小;當(dāng)大腿與小腿同時抬起時，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)力分析

為了測定拉伸彈簧所能承受的應(yīng)力以及拉伸彈簧的應(yīng)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(shù)為5，起始角度為135°，并對該彈簧進(jìn)行應(yīng)力分析。根據(jù)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(yīng)力圖如圖8所示。

在彈簧的上端施加1 000 N的力，應(yīng)力圖如圖9所示。

在彈簧的上端施加1 500 N的力，應(yīng)力圖如圖10所示。

6 ? ?結(jié)語

本文設(shè)計的助行機(jī)構(gòu)使用拉伸彈簧作為其儲能裝置，拉伸彈簧成本低，質(zhì)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(jìn)行仿真模擬，但人體的下肢運(yùn)動機(jī)理十分復(fù)雜，故而應(yīng)構(gòu)建更加符合人體下肢運(yùn)動學(xué)原理的物理模型，得到的數(shù)據(jù)及曲線才能夠更加符合人體工程學(xué)的要求，使得助行的效果發(fā)揮到最大。

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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(jī)械。