一种基于飞轮动量捕获的无外动力外骨骼设计.pdf
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1、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
2、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
3、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,
4、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
5、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
6、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
7、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
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