Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование экзоскелета. Монография
.pdf
111
Описание: конструкция аналогична по назначению к
предыдущей, однако выполнена с учетом окончательного ТЗ и имеет
более совершенную и технологичную строение. Шарнир, который
имеет одну степень свободы и функционально в данной
антропоморфной конструкции, играет роль сустава стопы. В связке с
другими зависимыми деталями, способен выполнять роль стопы даже
для тех пользователи, у которых ног вообще нет, что само собой
означает что абсолютно все нагрузки при опоре будет
восприниматься стопой и всеми зависимыми узлами, и деталями.
Крутящие моменты, как можно будет дальше заметить из
цельной конструкции, на этом шарнире возникают за счет действия
опоры на стопу и как следствие растяжения/стяжки пружин. Подобную
конструкцию часто называют ортез.
Такое выполнение позволяет разгрузить при ходьбе стопы для
людей с нормально функционирующими ногами, и в другом случае –
способна частично или полностью вернуть эту способность.
Нагрузка (статическая): 2800 Н.
6.2.4. Шарнир поворота стопы относительно оси голени
Описание: данный шарнир ориентировочно служит для
изменения угла ротации между соосными последовательно
соединенными представленным шарниром. Является специально
спроектированным в данной работе для выполнения проворота
звена бедра относительно оси самого звена, проходящего вдоль.
Поворот в шарнире осуществляется за счет силы создаваемой тросом
в том или ином направлении.
Нагрузки: Осевая нагрузка :до 240 кг. в статическом положении и
до 150 кг. в динамике.
Масса: 0,37 кг
Создаваемый крутящий момент: 10-30 Нм (при данной
конфигурации в зависимости от двигателя из модельного ряда
Nema23 )
112
6.2.5. Рама
Описание: Несущий элемент конструкции, предназначен для
монтажа деталей и сборок разрабатываемой конструкции. Сварная
рама будет ориентировочно размещена за спиной пользователя и
напоминать в контексте законченной разработки, несущую систему
рюкзака за спиной.
Материал: Сталь 30
Габариты : (ВхШ) 570х440 мм
Вес: 4.6 кг
Конструкция в дальнейшем потребует дополнительной
проработки на вес. В первую очередь возможный вариант
достижения желаемого результата – высверливание металла.
Проработка варианта изготовления данного элемента из
листового материала показало, что такой аналог стоил бы не
соизмеримо дорого по сравнению с конструкцией, выполненной из
стандартных прокатных профилей.
6.2.6. Тестирование деталей
Поскольку одним из требований, которая была положена в
концепцию разработки является существенное уменьшение веса, то
спроектированные детали, которые воспринимают значительную
нагрузку необходимо проверить с прочностью и деформативностью.
В разделе будут приведены некоторые основные тесты по деталям и
типичных, основных нагрузках для них.
6.2.7. Бедро
Описание: Деталь за назначение замещает бедро человека.
Поэтому согласно ранее описанных нагрузок при выполнении
различных упражнений на ноги, разработанная деталь должна по
меньшей мере удовлетворять нас прочностью и прогибами при
113
соответствующих нагрузках. Я уже ранее было описано при
формировании ТС, наиболее сложным и нагруженным движением для
разрабатываемой механики будет приседе. Именно за выполнение
этого упражнения нагрузка на звено будет максимальным.
Образец 1
Материал: Сталь 30.
Граница текучести, МПа: 320
Нагрузка 340 Н
Масса:0.695 кг
Результаты:
• Коэффициент запаса прочности: 0.62
• Максимальный прогиб, мм: 3.34
Было предположение, что звено таких параметров более чем
удовлетворит конструкцию, поэтому даже ее было облегчен
высверливанием материала. Однако, после тестирования детали в
системе SolidWorks, стало очевидным, что звено требует серьезных
доработок, чтобы быть способной работать с такими усилиями.
Образец 2
Материал: Сталь 30.
Граница текучести, 320 МПа:
Нагрузка 340 Н
Масса: 0.873 кг
Самыми слабыми местами в предыдущем образце были
отверстия, поэтому было принято решение избавиться от отверстий в
слабой зоне, а детали которые ранее фиксировались болтовыми
соединениями, теперь фиксировать сваркой.
Результаты:
• Коэффициент запаса прочности: 2.54 • Максимальный прогиб,
мм: 0.71
Перемещение можем считать в пределах допустимых как и
коэффициент запаса прочности, однако в процессе разработки
целостной конструкции стало понятно, что такая деталь будет не
достаточно технологична при сборке конструкции и неудобная для
114
интеграции в ее состав новых элементов. Поэтому была разработана
деталь аналогичных параметров но более технологичная.
Образец 3
Было принято решение разработать данную деталь, как сварную
конструкцию листовых элементов, что были раскроены лазером.
Преимущество такой детали будет в том, что можно к ней применить
фактически любой материал из существующих в листовом виде и
конечная деталь может получить фактически любой геометрической
формы плоские детали, что дает смогу добиться от конструкции
максимально возможных результатов при неизменном весе.
Стандартные профили таким преимуществом конечно же
похвастаться не могут , так как изготавливаются из узкого спектра
металлов и имеют относительно узкий сортимент.
Материал: Сталь 30.
Граница текучести, МПа: 320
Нагрузки 340Н Масса: 1.2345 кг
Результаты:
• Коэффициент запаса прочности: 2.27 • Максимальный прогиб,
мм: 1.26
Как итог, относительно этой детали можно сказать, что такое
исполнение является достаточно технологичным и простым на
сегодняшний день. Как видно из конструкции, деталь может быть
сварной ряда элементов, в основном вырезанных на лазере, что
позволяет использовать широкий спектр материалов при этом не
будучи ограниченным в форме плоских элементов детали. Также
такое выполнение позволяет значительно проще в дальнейшем
интегрировать в деталь отверстия для закрепления всевозможных
креплений и других приспособлений и тому подобное.
6.2.8. Литка. Конструирование составных частей
Конструкция состоит из нескольких составляющих, которые
нужно отдельно протестировать.
115
Звено 1
Описание: Деталь служит переходным звеном между шарниром
колени и шарниром поворота стопы относительно оси голени.
Деталь, в частности отверстия креплений рассчитаны на постоянную
переменную циклическую нагрузку.
Образец 1
Материал: Сталь 30.
Граница текучести, МПа: 320
Нагрузки 340Н
Масса:0.078 кг
Результаты:
• Коэффициент запаса прочности: 0.22 • Максимальный прогиб,
мм: 3.2
Как и в предыдущей детали, не стоит облегчать деталь пока нет
уверенности, что она хотя бы в начальном, необлегченном состоянии
обеспечивает условия прочности. Результат теста показал
множественные зоны, которые не удовлетворяют предела прочности
и имеют коэффициент запаса 0.219. Как видно, основными
концентраторами напряжения являются отверстия.
Образец 2
Материал: Сталь 30.
Граница текучести, 320 МПа:
Нагрузка 340 Н
Масса: 0.11 кг
Результаты:
• Коэффициент запаса прочности: 1.9
• Максимальный прогиб, мм: 0.52
После нескольких модификаций постепенно был получи
результат, который удовлетворяет силовые и прочностные
параметры. Однако в дальнейших тестах было выявлено, отверстие
для закрепления на валу шарнира колени не способен будет работать
с теми нагрузками независимо от его формы. К тому же сложная
формы проема повлекло бы за собой отдельную технологическую
116
сложность, а значит, как минимум и дополнительные расходы
Возникла необходимость концептуально иного подхода.
Образец 3. Тест 1
Материал: Сталь 30.
Граница текучести, МПа: 320
Нагрузка 340 Н
Масса: 0.172 кг
Результаты:
• Коэффициент запаса прочности: 3.171
• Максимальный прогиб, мм: 0.224
В случае, когда нагрузка действует на деталь именно так, условия
прочности наконец-то нас удовлетворили, однако, следует помнить,
что нагрузки в зависимости от действий, выполняемых системой
может иметь другой характер, поэтому следует это влияние также
проверить.
Образец 3. Тест 2
Материал: Сталь 30.
Граница текучести, МПа: 320
Нагрузка: М кр=170 Нм
Масса: 0.172 кг
Результаты:
• Коэффициент запаса прочности: 0.43
• Максимальный прогиб, мм: 0.515
По результатам теста было выявлено, что при таких нагрузках
деталь имеет недостаточный коэффициент запаса прочности, поэтому
рекомендуется заменить материал детали на материал с как минимум
вдвое выше пределом текучести.
Вал шарнира колена
Из конструктивных соображений было принято решение
тестировать эту деталь только после получения допустимых
зависимых деталей. В результате для полученной детали было
проведено тестирование со следующими результатами.
Материал: Сталь 45Х.
117
Граница текучести, 835 МПа:
Нагрузка: крутящий момент 170Нм.
Масса: 0.087 кг
Результаты:
• Коэффициент запаса прочности: 2
• Максимальный прогиб, мм: 0.015
Вал шарнира поворота стопы относительно оси голени
Материал: 50Х.
Граница текучести, 1650 МПа:
Нагрузки 340Н на расстоянии 300мм от края детали.
Масса:0.03 кг.
Вал шарнира имеет минимальный коэффициент запаса 0.3 и
перемещения под действием силы до 0.55 мм, что заставляет
задуматься о другой подход к конструкции. Это не означает, что
данная конструкция и ее части неудачно спроектированы и
нежизнеспособные, а лишь что такая конструкция может быть
применена для менее нагруженных участков.
Результаты:
• Коэффициент запаса прочности: 0.31
• Максимальный прогиб, мм: 0.55
Звено икры 2
Следующей задачей было подобрать конструкцию икры, которая
бы нас удовлетворила не только по прочности, но и по весу.
Образец 1
Материал: Сталь 30.
Граница текучести, МПа: 320
Нагрузка 340 Н
Масса: 0.27 кг
Результаты:
• Коэффициент запаса прочности: 0.615 • Максимальный прогиб,
мм: 4.59
Однако данная деталь, которая была создана еще до
установления четкого ТЗ и оказалась неудовлетворительной для
118
данной разработки как за прогибом и по коэффициенту запаса
прочности, поэтому был проведен долгий подбор необходимой
конструкции так как данная задача требует не только обеспечение
прочности, но и минимальной собственного веса.
Образец 2
Результатом стала вот эта деталь, которая выполняет
совмещены как видно. Вал шарнира стопы и фланец для зацепа
пружин системы пассивной стабилизации стопы присутствуют на
спроектированной ланке. При этом разница в весе по сравнению с
первым образцом в 115 грамм, однако при этом в образец уже
интегрирован ряд элементов, которые дополнительно нужно было бы
закреплять до первого образца.
Материал: Сталь 30.
Граница текучести, 320 МПа:
Нагрузка 340 Н
Масса:0.398
Результаты:
• Коэффициент запаса прочности: 1.79
• Максимальный прогиб, мм: 1.76
Стопа
Образец 1
Первым вариантом реализации было такое исполнение стопы,
которое уже после выяснения ТС стало очевидно недопустимым.
Над моделированием стопы была проведена также длинная
экспериментально исследовательская работа чтобы выявить
конструкцию которая будет удовлетворять необходимые параметры
и иметь наименьший вес. Напомню, что за цель взято создание
целостной системы которая способна вернуть способность ходить
даже тем у кого ног вообще нет.
Образец 2
Близка до нужных параметров было данное исполнение, однако
имело слишком большой вес при своих механических параметрах.
Материал: Сталь 30.
119
Граница текучести, МПа: 320
Нагрузка 340 Н
Масса: 0.573 кг
Результаты:
• Коэффициент запаса прочности: 0.278
• Максимальный прогиб, мм: 6
Образец 3
В результате была принята по допустимой следующая эта
конструкция.
Материал: Сталь 30.
Граница текучести, МПа: 320
Нагрузка: 550 Н
Масса: 0.49 кг.
Результаты:
• Коэффициент запаса прочности: 1.3
• Максимальный прогиб, мм: 1.56
Выводы: В результате поисковой работы была найдена модель
стопы которая удовлетворит потребности разработки, однако следует
понимать, что в случае с реабилитационным оборудованием нужен
индивидуальный подход, так как например такая модель стопы может
быть применена для работы с любыми пациентами, но в случае
отсутствия ног у пациента, с технической точки зрения будет более
разумным выполнить симметричную конструкцию стопы, а для
пациента с имеющимися стопами такая прочность этой детали будет
избыточным, так как стопа пользователя будет дополнять данную
деталь и фактический коэффициент запаса в процессе эксплуатации
будет ощутимо выше. Поэтому целесообразным является
индивидуальный подход к каждому отдельному случаю, потому что
только так можно будет получить максимально сбалансированную
конструкцию, которая не будет иметь спорных компромиссных
решений.
120
Выводы
Следовательно, углы ротации стопы относительно горизонтали
15;0;20 градусов, соответственно крайнее верхнее положение,
горизонтальное и крайнее нижнее.
В положении равновесия стопа находится в крайнем нижнем
положении. Величина воздействия опоры на стопу в точные контакта
края поверхности стопы с порой: 550Н . В соответствии с такой силой
стопы будут пытаться поднять пользователя условно «на носочки».
Таким образом при указанных параметрах и с учетом геометрии
выполненных деталей необходимо рассчитать подходящие пружины.
Для реализации расчета воспользуемся расчетной схемой. Расчет
проведем в системе MathCad.
На основе этих результатов можем принять решение
относительно дальнейшего моделирования пружин или изменения
некоторых параметров самой конструкции. Например, рассмотреть
увеличение рычагов на стопе, так как по результату расчета мы
видим, что пружина №2 работает с достаточно крупными силами, что
может изменить даже небольшое изменение некоторых размеров.
В частности, при последующем проектировании пружин можно
воспользоваться пакетом автоматизированного проектирования
Autodesk Inventor.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]