Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование экзоскелета. Монография
.pdf
101
() =
1
+ cos1 + 1 (5.16)
Функции времени передней ноги [α2(t), β2(t)] определяются
аналогично и представлена на рисунке 5.16:
Рисунок 5.16 – Двухопорная фаза
Для результатов моделирования динамики двуногой ходьбы
возьмем параметры экзоскелетов из работы [7]:
Таблица 5.3 – Параметры экзоскелетов
m(кг)
r(м)
l(м)
J
(кг.м)
Корпус
48.6
0.386
0.6
11.3
Бёдер
8.6
0.18
0.41
1.02
Голени
5.6
0.32
0.49
0.53
T = 0.5c; ∆ = 0.43(м).
1. Одноопорная фаза
На рисунках 5.17 изображены изменение координат звеньев
во времени, углов между вертикалью и бедром, вертикалью и
Y
N
A 1 X
B
1
t
= 1 . 2 T
t
=
T
A 2 B 2 R
1 R 2
π
/
2
102
голенью, а также зависимости реакций опор и внутренних усилий
от времени при одноопорной фазе:
103
Рисунок 5.17 – Результаты моделирования одноопорной фазы
2. Двухопорная фаза
На рисунках 5.18 изображены изменение координат звеньев
во времени, углов между вертикалью и бедром, вертикалью и
голенью, а также зависимости реакций опор и внутренних усилий
от времени при одноопорной фазе:
104
Рисунок 5.18 – Результаты моделирования двухопорной фазы
На рисунке 5.19 представлены результаты моделирования
полного шага, состоящего из двухопорной – одноопорной двухопорной фаз:
Рисунок 5.18 – Результаты моделирования полного шага
Учет взаимосвязанности динамики движений экзоскелета по
степеням подвижности позволяет построить динамическую модель
ходьбы, подобной ходьбе человека. Такая модель даст возможность
105
реализовать эффективное управление ходьбой экзоскелета, включая
управление в статически неустойчивых положениях.
Выводы
Моделирование показало эффективность предложенного
подхода к построению компьютерной модели динамики движения
активного экзоскелета, с учетом рассмотренных ранее особенностей.
В результате моделирования были получены недопустимо
большие пульсации момента двигателя. Компенсация пульсаций
возможна средствами адаптивного управления, в то время, как
линейные регуляторы недостаточно эффективны для решения этой
задачи во всем диапазоне движений экзоскелета. Модель
реализована средствами пакета Matlab, с использованием богатых
возможностей библиотек.
106
6. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЕКТА
Вся проектная работа была выполнена средствами
автоматизированного программного обеспечения SolidWorks. Также
в некоторых случаях была использована среда Autodesk Inventor.
6.1. Спроектированные модули. Блоки перемещения
Блок 1:
Описание: Сборник оборудована двигателем Nema 34 для
передачи крутящего момента на вал намотки троса и тормозной
системой для фиксации положения вала при отсутствии питания на
двигателе. Данная конструкция не предусматривает передачу
крутящего момента тросами через гибкую связь по гофрированных
трубках, что видно из конструкции.
Сила намотки до 170 кг и с. в зависимости от крутящего момента
двигателя.
Толщина наматываемого троса 3мм.
Вес без двигателя: 1.2 кг
Тормоза для блока 1:
После проведения информационно-аналитических
исследований существующих муфт/тормозов для выполнения
поставленной задачи, было принято решение разработать
собственные муфту/тормоз, так как найдены варианты имели
несколько из следующих недостатков или и все вместе: большие
габариты, большая масса, слишком высокая цена изделия, высокое
потребление энергии.
В процессе разработки было значительное внимание уделено
разработке именно тормозной системы для удержания вала
двигателя. По идеологии этого модуля, применение тормозов
позволило бы экономить энергию в моменты, когда двигатель
работал бы только на содержание, а также нужно было учесть то что
107
при отсутствии питания в системе, механизм должен замирать
статически чтобы не нагружать пользователя весом.
Предварительная эскизная работа:
Поэтому было проведена конструкторская работа в направлении
создания собственной конструкции тормозной/удерживающей
системы, которая бы удовлетворяла нас по всем ранее упомянутыми
параметрами. В результате было принято в до разработки тормоза
следующей эскизной компоновки.
Для расчета такой системы была использована следующая
схема. Хотя учитывая, что система все же рычажная, а значит в меру
эксплуатационных условий и по мере износа колодок, значения
необходимых рабочих сил могут меняться, поэтому мы получим
некоторые приближенные усредненные значения сил необходимых
для работы, которые не будут константными. Такая конструкция
несмотря на свои явные недостатки является компромиссным
решение, позволяющее выполнить поставленную задачу.
Описание:
Удерживающий момент (усредненный): 13 Нм
Сила магнитов: 25 кг∙с (Приложение 9)
Сводная сила пружин: 22 кг∙с
Вес: 0.28 кг
Ориентировочное время на срабатывание: 0.1 с
Тормозная система, предусматривающая создание
удерживающего момента на валу системы при отсутствии питания на
приводе. Колодки тормозов стягиваются пружинами. Разводят
колодки, установленные друг напротив друга магниты.
Блок 2:
Сила намотки до 185 кг и с. в зависимости от модели двигателя.
Толщина наматываемого троса 3мм.
Вес (без двигателя): 1.4 кг
Составленное оборудованное двигателем Nema 34 для передачи
крутящего момента на вал намотки троса и тормозной системой для
фиксации положения вала при отсутствии питания на двигателе.
108
Основное отличие от блока 1 в том, что данная сборка уже
подразумевает дальнейшую передачу усилия через тросы по гибкой
связи.
Блок 3:
Сила намотки до 65кг ИС. в зависимости от модели двигателя.
Толщина наматываемого троса 2 мм.
Вес (без двигателя): 1.4 кг
Описание: Составленное оборудованное двигателем Nema 23
для передачи крутящего момента на вал намотки троса и тормозной
системой для фиксации положения вала при отсутствии питания на
двигателе. Основное отличие от блоков 1 и 2 в том, что данная сборка
предусматривает работу с меньшими нагрузками.
Тормозная система для блока 3:
Описание: тормозная система, предусматривающая создание
удерживающего момента на валу системы при отсутствии питания на
приводе. Колодки тормозов стягиваются пружинами. Разводят
колодки, установленные друг напротив друга электромагниты.
Усредненный расчет аналогичен приведенного в тормозах для
блока 1.
Удерживающий момент (усредненный): 8 Нм
Сила магнитов: 25 кг∙с (Приложение)
Сводная сила пружин: 16кг∙с
Вес: 0.23 кг
Ориентировочное время на срабатывание: 0.1 с.
6.2. Спроектированные шарниры
6.2.1. Таз:
Шарнир 1.0
Для этого шарнира в процессе разработки была принята другая
концепция размещения смежных частей/узлов по сравнению с
109
другими последующими шарнирами, так как в случае с этим можно
было минимизировать механические потери (сделать фактически
прямая связь, без прохождения троса по гофрах), а именно разместив
шарнир.
Стоит учесть, что масса этого шарниру никак не повлияет на
крутящий момент, создаваемый на шарнире. Поэтому в дальнейшем
все элементы конструкции ног будем по возможности размещать как
можно ближе к оси шарнира.
Описание: шарнир таза, имеющий одну степень вольности.
Крутящий момент возникает за силы натяжения тросов модулю 2. Что
очевидно уже из самой конструкции, жесткое соединение,
образованное только между шкивом и звеном бедра, которые
размещены на валу без жесткого закрепления.
Нагрузка на ось (статическая): до 4000 Н.
Ориентировочный крутящий момент: 170 Нм.
Шарнир 1.1
Описание: Основное отличие в том что эта конструкция была уже
получена после многочисленных тестирований различных вариантов
выполнения ключевых звеньев, поэтому данная конструкция по
описанию полностью повторяет Шарнир 1.0, однако уже выполнена и
протестирована четко под заданный ТС. При этом как можно сразу
заметить, модельный ряд деталей значительно сократился по
сравнению с первым образцом.
Нагрузка на ось (статическая): до 4000 Н. Ориентировочный
крутящий момент: 170 Нм.
6.2.2. Колено
Шарнир 1.0
Описание: шарнир который имеет одну степень свободы и
функционально в данной антропоморфной конструкции, играет роль
колена.
Нагрузка (статическая): 2400 H
110
Крутящий момент: 110 Нм
Спроектирован из широкодоступных стандартных деталей и
профилей, что делает конструкцию относительно дешевой, однако
тестирование отдельных деталей показало, что при таком подходе
поставленное ТЗ является недостижимым.
Шарнир 1.1
Описание: шарнир, который имеет одну степень свободы и
функционально в данной антропоморфной конструкции играет роль
колена.
Нагрузка (статическая): 3350 H
Крутящий момент: 180 Нм
Конструкция конечно выросла в массе по сравнению с
предыдущей, однако она также имеет ряд преимуществ. Как видно,
такая компоновка имеет лучший силовой контур, нуждается в
значительно меньшем модельном ряду деталей, способна работать
со значительно более высокими силовыми нагрузками.
6.2.3. Стопа
Шарнир 1.0
Описание: шарнир, который имеет одну степень свободы и
функционально в данной антропоморфной конструкции, играет роль
сустава стопы. Созданный таким образом, чтобы иметь минимальный
вес, однако может быть использован для конструкции, пользователь
которой имеет цели нижние конечности, на которые, несмотря на
потерю способности перемещаться, при определенных условиях
закрепления могли бы служить как основная опора. При условии, что
пользователь не имеет ног, использование такой конструкции
невозможно как минимум из-за недостаточной жесткости
конструкции и ее отдельных частей, а также в целом за чрезмерным
трением.
Нагрузка (статическая):550 Н
Шарнир 1.1
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]