一种基于飞轮动量捕获的无外动力外骨骼设计.pdf

中国科技信息 2024 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-118-四星推荐外骨骼技术近年来在军事领域、辅助行走和人机交互领域取得了显著的进展。这些技术不仅改善了残障人士的生活质量，还为工业、军事和紧急救援等领域提供了新的可能性。然而，传统的外骨骼设计通常依赖于电力系统，限制了其适用性和可用性。本文旨在探索一种创新的外骨骼设计，即被动式助动外骨骼，其独特之处在于它不依赖外部电力源。基于这一理念，本装置采用了一种集成的能量捕获系统，并与现代技术相结合，旨在捕获用户的动能并在需要时提供额外的助力。传统的电动外骨骼在应用中取得了一定的成功，但其依赖于电池和电机系统，存在重量大、续航短、维护复杂等问题。相比之下，被动式助动外骨骼可以减轻用户的负担，提供更舒适的行走模式，在无电力的情况下持续提供支撑。这种设计不仅具有潜在的康复和辅助行走应用，还可以在军事任务、体育训练和工业操作中发挥重要作用。无外动力外骨骼的组成与工作原理系统组成无外动力外骨骼系统是一个创新的行走辅助装置。它由多个关键组成部分组成，包括框架、支撑结构、弯曲压力装置、飞轮传递惯性装置、传动系统、离合器和制动系统。这些部件同步工作时，可以实现外骨骼的被动支持和助力功能。外骨骼的框架用于支撑用户的足踝部分。同时，弯曲压力装置在关键关节处检测用户的弯曲和压力变化。这些动作和变化通过传动系统传递给飞轮，通过飞轮完成惯性能量的存储和释放。最终，当需要额外动力的支持或助力时，离合器解锁并释放储存的惯性能量提供支持，从而减轻用户的负担，改善行走体验。这种系统的被动性质不依赖电力源，因此减少了电池维护和能源消耗的需求，具有潜在的康复和行走辅助应用。飞轮储存惯性装置飞轮储存惯性装置：飞轮由轮盘、轴、轴承控制系统组成，其中用户的惯性能量提供了储能。飞轮通常是一个旋转的部件，由坚固的材料制成，如金属合金或复合材料。它的形状可以是圆盘状或圆柱状，可以储存和释放能量。大部分飞轮机械装置如图 1 所示，这种飞轮本装置的外骨骼摆臂部位和曲关节部位进行应用。当用户行走时，外骨骼的摆臂装置和弯曲压力装置产生机械运动和能量变化。这些机械运动和能量变化通过传动系统传递到飞轮，完成能量的存储和释放。行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度一种基于飞轮动量捕获的无外动力外骨骼设计王茗莘 马常友 王成宇王茗莘 马常友 王成宇佳木斯大学王茗莘（2003），女，山东高唐，佳木斯大学药学院。通信作者：马常友（1982），副教授，佳木斯大学机械工程学院，研究方向：机器人机构设计，机器人动力学仿真研究。王成宇（2001），黑龙江哈尔滨，佳木斯大学机械工程学院。基金项目：佳木斯大学 2022 年黑龙江省大学生创新训练计划项目：无动力踝足助力外骨骼机器人研究（编号：S202210222010）。-119-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024中国科技信息 2024 年第 3 期四星推荐惯性能量：飞轮利用了惯性原理。当外骨骼系统传递的能量到达飞轮并使其旋转，飞轮将储存这些能量并因其旋转而具有惯性，使飞轮保持正常的旋转状态。因为飞轮转动惯量大，当机械出现盈功时，飞轮角速度上升可以将多余的能量储存起来，当机械出现亏功时，飞轮就会将其储存的能量释放出来。所以即使外部输入能量停止输入，当用户需要额外的助力或支持时，飞轮的储存惯性能量可以用于提供这种助力或支持。通过控制离合器和制动系统，可以释放飞轮上储存的能量，将其传递到外骨骼的足踝装置。这种助力方式有助于减轻用户的负担，改善行走体验。无需电力源：飞轮储存惯性装置的独特之处在于它不依赖外部电力源。核心原理是将机械运动转化为惯性能量的储存，然后根据需要将这些能量释放，以提供额外的助力和支持。因此说飞轮实质上是一个储存器，它是用动能的形式将能量储存或释放出来，在载荷提高时，飞轮将储存的能量释放出来，增加了系统的动能，所以说它也起到了节约能源的作用。相比于传统的电动外骨骼系统，它减少了电池维护和能源消耗的需求，提供了更长的使用时间和可靠性。这一装置在无外动力外骨骼总体系统中具有关键作用。这种设计使无动力外骨骼摆脱了电池和能源的限制。弯曲压力装置弯曲压力装置的主要功能包括辅助用户的足弓弯曲运动、减轻足踝部负荷、储存行走时产生的多余能量，并在需求时实现无需电力驱动的额外助力。采取有效的能源管理策略以最小化能耗。无动力外骨骼装置通过精心优化的气缸系统实现对足弓运动的协同控制，以确保系统稳定性和用户体验。同时，充分考虑能量的储存和释放机制，使其在行走中高效地捕捉和利用多余能量，从而提高系统的整体效能。为实现上述功能，本装置使用气缸作为弯曲压力装置，这种装置相较于其他的压力装置具有如下优势：1.气缸可以通过控制内部气压来实现快速的伸缩运动，因此非常适合辅助用户的足弓弯曲运动。2.当用户需要足弓弯曲时，增加气压会使气缸伸展，提供额外的支持，同时减轻膝关节的负担。3.储存多余能量。气缸是一个密闭的装置，可以在弯曲过程中收集和储存多余的能量。当用户弯曲足弓弯曲时，气缸内的气体被压缩，将多余的能量以机械形式存储下来。这种机械储能方式简单可靠，可以无需电池或电机的辅助就能实现设计所需功能。4.外骨骼无电力驱动。气缸的运动可以完全依靠气压来实现，无需电力驱动或电子控制系统，降低了系统的复杂性和维护成本，同时减少了能耗。5.外骨骼机械稳定性。气缸是一个简单且稳定的机械装置，不受外界因素干扰，降低了产品故障的风险，并增加了系统的可靠性。6.外骨骼高能效。在无外动力外骨骼装置中通过气缸有效的搜集和存储惯性能量，实现了能量的高效储存和释放，从而提升无外动力外骨骼系统的效能和能源利用效率。7.无外动力外骨骼的简化设计。本装置设计的成果无需复杂的控制系统，这可以使外骨骼设计更加简化，减少了开发和制造的复杂性，也降低了制造成本和使用成本。传动装置的功能分析传动装置的主要功能包括：将从外骨骼弯曲压力装置获取的能量稳定传递到飞轮，以储存用户行走时产生的多余能量、实现有效的能量传递，以提供必要的助力。在实现方式上的选择要同时考虑到以上功能，综上所述，选择使用绳索传动作为传动装置的实现方式是较为合理的，理由如下：相较于其他装置，绳索传动具有以下优势：1.传递能量绳索能够更为可靠地传递能量。能够使能量从外骨骼的弯曲压力装置传递到飞轮，并使多余的能量可以被有效地储存和利用。2.绳索传动使得外骨骼系统能够提供额外的助力，这种助力方式辅助身体的支撑行走，减轻用户的负荷。3.同样绳索传动也可以无需电力驱动，没有电机的传动消耗，既能降低了系统的复杂性又能降低能量消耗。绳索传动作为一种稳定且可靠的传动方式，在带轮系统的作用下，可以做到冲量的有效传递，绳索选用金属材料也具有足够的本设计所需的强度和刚度。由于该链传动在系统中起到传递储存和释放的能量于飞轮的作用，所以对该系统的传动精度没有精度要求；较好的适用于精度较低的带传动。而带传动具有的成本低，易于维护，重量较轻、刚度与强度可以适应突发的超负载工作的特点，作用于复杂的电动外骨骼系统来说，是一种较为合适的选择。工作原理无外动力外骨骼系统，其设计要求是在无额外能源供应的前提下，分担人体足踝关节受到的正应力，起到减轻负载，如可大幅度提高士兵等人群在极端环境下的机动能力。本系统的设计思路是通过带传动和气缸配合一系列机械结构辅助图 2 以半身外骨骼为例绳索传动概念图图 1 飞轮机械内部构造图中国科技信息 2024 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-120-四星推荐元件，辅助用户的足弓弯曲运动，减轻足踝部负担，并在行走时通过飞轮装置储存和释放多余的能量，以提供额外的助力。与传统的电动外骨骼不同的是，无外动力外骨骼系统无需电力驱动，采用了机械化的方法，从而简化了设计、减少了成本，并提高了系统的稳定性和可靠性。图3所示的足踝弯曲压力装置位于用户的足弓弯曲区域，采用气缸承受高强度运动的高压环境，并通过曲柄摇杆机构实现对足弓弯曲与打直动作的辅助力传导。无外动力外骨骼装置具有高效的动能管理系统，通过将人体下落时产生的动能转化并传递给飞轮，实现对足弓弯曲与打直动作的辅助。在操作过程中，当用户需要足弓弯曲时，系统快速响应，通过绳索传动将动量传递给气缸。此时，通过消耗飞轮储存的一部分动能的方式，实现外骨骼系统对足弓弯曲的辅助功能，从而减轻足踝部的压力。设计中利用气缸的高强度和高压环境下的可靠性，曲柄摇杆机构的协同控制，以及飞轮作为动能储存和传递的关键组件。系统的动能管理旨在最大程度地提高能源利用效率，实现在用户需求时的快速响应。整体设计旨在为用户提供稳定、高效的足弓弯曲辅助，同时通过消耗动能的方式降低系统的功耗。飞轮是无外动力外骨骼系统的核心组件，它位于人体的髋部，在图 4 下方的长方体容器中，在整个系统中作为储能元件存在，通过吸收人体在行走时下落部分的动量，通过带传动，气缸与齿轮传递将部分动力传递给飞轮进行储存，以起到在必要时为弯曲压力装置供能的作用。气缸通过控制内部气压来实现快速的伸缩运动。这种机械运动的优点之一是它能够起到短暂储存多余能量的作用。在用户行走时，系统通过足踝弯曲压力等装置能在短时间内捕获到大量动能，并将其转化为压缩气体的形式存储起来。这种能量储存方式非常短暂高效，不需要复杂的电池或电机系统，但需要注意的是，相比于复杂的电力系统，该系统具有瞬时性这一特点，即该部分能量若短时间内未被有效转换储存，将很快以气体对外界做功方式流失。在能量传动中，齿轮可以起到减速，改变力的传导方向的作用，在该设计中，需要一个改变力方向的装置将力传递给飞轮，所以将设计如下结构，这种结构作用时间长，惯性小的冲量减速的结构，更对无外力骨骼装置中，方向转换起到关键作用，如图 4 所示的齿轮构造图。弯曲装置设计当用户需要额外助力时，通过控制气压的释放，气缸重新收缩，实现能量的释放，为用户提供额外的助力。系统的核心部件包括 7 气缸、5 大齿轮、8 曲柄滑块机构、11 复位弹簧、12导轨、9滑块、10前底板和6后底板等，如图5所示。在系统中，骨骼弯曲部分通过 7 气缸相互作用，连接 5大齿轮，推动 8 曲柄滑块机构，进而影响 11 复位弹簧的前后作用于 12 导轨。这一系列的设计使得系统在弯曲过程中，能够控制作用幅度在 9 滑块之间，同时通过 10 前底板和 6后底板的固定形成弯曲，保证了机械稳定性和可靠性。与传统的电动外骨骼相比，该系统具有设计相对简单，降低了故障风险等优势，并具有更强的恶劣环境适应性。其次，维护成本更低，得益于机械结构的简洁性。此外，由于能量的储存和释放是机械化的而非电力驱动，系统更加节能高效。最重要的是，储存的能量能够在需要时提供额外的助力，这有效地减轻了用户的负荷，而且由于不涉及电力额外变为负载的情况，系统更为可靠。因此，这种基于气缸的机械化设计在提供外骨骼助力的同时，注重了系统的稳定性、可靠性和高效性。结语无外动力外骨骼系统是对外骨骼技术领域的一项创新应用，通过机械化的方式实现了足踝弯曲的辅助和多余能量的储存与释放。本装置通过飞轮、绳索传动和气缸，最终完成无外动力外骨骼系统的设计。且本装置无需电力驱动，为用户提高了行走体验，从而保持系统的简洁性和可靠性，减轻膝关节的负担。图 5 弯曲连接装置图 4 传动齿轮装置图 3 足踝弯曲压力装置