Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование экзоскелета. Монография
.pdf
61
Очевидно, что в колене необходим аналогичный крутящий
момент: 162.5 Нм.
Для сравнения укажем необходимые крутящие моменты в
шарнирах во время обычной ходьбы. Из анализа механики шага
является очевидным, что в силовом плане нас интересует
исключительно вынос ноги в воздухе вперед. Именно это движение
является наиболее нагруженным относительно других. Тогда, при
условии, что длина ноги 1000 мм, при этом колено сгиба не
испытывает (это придало бы дополнительную нагрузку на шарнир в
тазу), длина выноса ноги 300 мм, также предположим, что общая
масса ноги вместе с конструкцию ноги экзоскелета будет равна 20 кг,
а центр масс ноги расположим по центру звена ноги (в реальности
центр масс будет смещен ближе к шарниру в тазу, что собственно
только уменьшит крутящий момент на нем). Из этих условий
вытекает, что необходим крутящий момент
В работе будем ориентироваться именно на эти крутящие
моменты для каждого из шарниров (162.5 Н∙м при присядке; 30 Н∙м
при ходьбе), хотя в дальнейшем крутящие моменты или условия
эксплуатации экзоскелета могут быть скорректированы.
Стопа будет рассмотрена в двух исполнения, а именно с
пассивным контролем (балансирование на пружинах) и активной
(оснащен приводом).
3.2.3. Быстродействие движений
Прежде всего, стоит понять, какие именно параметры имеет
ходьба человека. Ориентируясь на приведенные данные, установим
62
ориентировочные параметры быстродействия системы при
выполнении ходьбы в произвольном темпе.
В дальнейшем примем за цель, создать шарнир, который будет
отрабатывать в шарнире 90 градусов/сек. при соответствующих
силовых нагрузках.
3.2.4. Система питания
В контексте данной работы разработка самих систем
электропитания будет показана поверхностно (в разрезе требований
и возможностей реализации). Также не рассмотрена электросистема в
целом и подробная электросхема. Однако для того, чтобы показать
реальность реализации данного проекта, необходимо представить
способы электропитания системы, которые бы удовлетворили проект
в первую очередь за весом и временем обеспечения автономной
работы.
Для элементов питания, по конструктивным соображениям,
отводится 20-25 кг. При этом учитывая рынок технологий
электропитания в рамках этого веса мы можем изготовить
специальный литий-ионный аккумуляторы с мощностью до 3 кВт в
час., что, теоретически, обеспечит до трех часов автономной работы.
Для лучшего понимания возможностей данного типа батарей ниже
немного информации о данном носителе питания.
Современные литий-ионные аккумуляторы имеют высокие
показатели:
Если еще несколько лет назад разработчики считали
достижимой емкость литий-ионных аккумуляторов не более
нескольких ампер-часов, то сейчас большинство причин,
ограничивающих увеличение емкости, преодолено и многие
63
производители стали выпускать аккумуляторы емкостью в сотни
ампер-часов.
* Энергетическая емкость: 110 ... 200 Вт/кг
• Внутреннее сопротивление: 150 ... 250 мОм (для батареи 7,2 В)
• Число циклов заряд/разряд до потери 20 % емкости: 500-1000
• Время быстрого заряда: 2-4 часа
• Допустимый перезаряд: очень низкий
• Саморазряд при комнатной температуре: 7 % в год
• Напряжение максимальное в элементе: 4,18...4,20 В (полностью
заряжен)
• Напряжение минимальное: 2,5..2,75 В (полностью разряжен) •
Ток нагрузки относительно емкости (С):
• пиковый: больше 2С
• наиболее приемлемый: до 1С
• Диапазон рабочих температур: -20 ‒ +60 °C
• обслуживание: не регламентируется.
Современные малогабаритные аккумуляторы работоспособны
при токах разряда до 2 С, мощные ‒ до 10−20С. Диапазон рабочих
температур: от -20 до +60 оС. Но многие производители уже
разработали аккумуляторы, работоспособные при -40 °С.
Возможно расширение температурного диапазона и в сторону
высших температур.
В основном Li-ion аккумуляторы лучше всего функционируют
при комнатной температуре. Работа при повышенной температуре
сокращает срок их использования. Повышенная температура
временно противодействует внутреннему сопротивлению
аккумулятора, увеличение которого приводит к его износу.
Саморазряд составляет 4-6 % за первый месяц, затем ‒
существенно меньше: за 12 месяцев аккумуляторы теряют 10-20 %
запасенной емкости. Потери емкости в несколько раз меньше, чем у
никель-кадмиевых аккумуляторов, как при 20 оС, так и при 40 оС.
Ресурс ‒ 500-1000 циклов.
64
Все литиевые аккумуляторы имеют достаточно приемлемые для
хранения параметры. Потеря емкости за счет саморазряда 5-10% в
год.
Приведенные показатели следует рассматривать как некоторые
номинальные ориентиры. Для каждого конкретного аккумулятора,
например, разрядное напряжение зависит от тока разряда, уровня
разряженности, температуры; ресурс зависит от режимов (токов)
разряда и заряда, температуры, глубины разряда; диапазон рабочих
температур ‒ от уровня выработанного ресурса и допустимых
рабочих напряжений.
К недостаткам Li-ion аккумуляторов следует отнести
чувствительность к перезарядке и сильного разряда, из-за этого они
должны иметь ограничители заряда и разряда.
Также можно применить бензиновый электрогенератор, как
элемент питания, что само собой сделает работу системы
относительно шумной и недопустимой для работы в большинстве
помещений, однако и будет иметь преимущества, а именно время
перезарядки будет фактически равен времени заливки топлива, что
может дать возможность работать системе без длительных остановок
и даст системе питания до 2 кВт в рамках заданного веса. При этом
стоит заметить, что представленные генераторы являются слишком
габаритными для непосредственного их применения в стандартном
виде и нуждаются в определенной модернизации, которая бы
позволила разместить такой генератор в объем необходимой формы,
при этом не обязательно в единственном и/или общем корпусе.
Шумность-также очень важный фактор, который необходимо
выдержать чтобы предотвратить дополнительный дискомфорт
пользователю и окружающим. При подборе комплектующих по
шумности, можно воспользоваться следующей информацией.
Децибел ‒ это относительная логарифмическая единица,
используемая для измерения различных физических величин,
изменяющихся в очень широких пределах. В частности, децибел
65
используется для измерения уровня звукового давления, которое
напрямую связано с громкостью звука [7].
Примерные уровни звукового давления обычных звуков
окружающей среды:
• 10 дБ - шепот;
• 20 дБ - норма шума в жилых помещениях;
• 40 дБ - тихий разговор;
• 50 дБ - разговор средней громкости;
* 70 дБ-шум печатной машинки;
• 80 дБ - шум работающего двигателя грузового автомобиля;
• 100 дБ - громкий автомобильный сигнал на расстоянии 5-7 м;
• 110 дБ - шум работающего трактора на расстоянии 1 м;
• 120-140 дБ - порог болевого ощущения;
• 150 дБ - взлет самолета;
Давление свыше 140 дБ может вызвать разрыв барабанной
перепонки или баротравму.
Таким образом, выбраны параметры, которые должны быть
реализованы в данной конструкции. Опираясь на предоставленную
информацию, легко понять, что обеспечить конструкцию
необходимым питанием, при поставленной в ТЗ весу и шумности − не
является проблемой. Но, конечно, приоритетным будет в дальнейшем
разработать собственный элемент питания
(электрогенератор/электробатарею), который значительно больше
удовлетворял бы проект по габаритам, шумности, общим весом и,
возможно, даже эстетичностью конструкции в целом.
66
4. ВЫБОР КОНСТРУКТОРСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ЗАДАННЫХ
ФУНКЦИЙ
Работа поисковая. Содержит много информационноаналитических исследований. Расчеты приближенные.
Конструкторская часть рассматривается на уровне 3Д моделей с
определенными упрощениями. Рассматривается принципиальная
возможность осуществить запланированную разработку и
реализовать ее доступными средствами.
4.1. Способы передачи крутящих моментов в шарнирных
соединениях
Для данного проекта были рассчитаны и разработаны
оригинальные способы передачи крутящих моментов. Так как стало
очевидным, что сами экзоноги нужно сделать максимально легкими,
а самым тяжелым элементом в классических конструкциях является
система с привода и редуктора, которые устанавливают
непосредственно с шарниром. Иногда ременной и/или цепной
передачей двигатель и редуктор смещают ради разгрузки
предыдущего шарниру.
Результатом проведенной мною работы стал новый способ
передачи крутящего момента, а именно с помощью тросов, что
можно видеть на следующих рисунках. Преимуществами
разработанных систем в данной конструкции является то, что
фактически удается разгрузить конечности от веса приводов,
редукторов, датчиков и контроллеров, которые позволят обеспечить
работу шарнира со значительно более высоким КПД.
Конструкция 1
Двигатель передает крутящий момент на вал шарико-винтовой
пары или винтовой пары скольжения, в результате чего подвижная
платформа (гайка) либо двигаясь в ту или другую сторону тянет трос,
который проходит по гофрированной трубке (представляет собой
67
гибкий связь) и таким образом передает крутящий момент на шкив.
Направление вращения двигателя и шкива, на который передается
крутящий момент строго согласованы.
Очень интересный и перспективный вариант, но, учитывая то,
что проект не только на теоретической основе, но и с целью
реализации, то окончательный выбор способа передачи крутящего
момента будет зависеть от технических и экономических
возможностей. Следует заметить, что по крайней мере до недавнего
времени ШВП передачи стоили очень дорого и их применение в
конструкции влекло за собой значительные расходы. Однако на
время написания работы можно было сказать, что ШВП стали,
сравнительно, значительно дешевле и доступнее.
Конструкция 2
Описание работы: Двигатель передает крутящий момент на
винтовой вал, который в свою очередь наматывает/разматывает трос
в соответствующем направлении. Это, в свою очередь, в ту или другую
сторону тянет трос, который проходит по гофрированной трубке
(представляет собой гибкий связь) и таким образом передает
крутящий момент на шкив. Направление вращения двигателя и
шкива, на который передается крутящий момент строго согласованы.
Упрощенно можно считать, что коэффициент преобразования
крутящего момента можно описать отношением диаметра вала
шкива до диаметра вала намотки, которое будет умножено на
результирующий коэффициент потери.
В оборудовании стопы использовать привод нет смысла в
случае, когда не предполагается, что экзоскелет должен сам искать
равновесие, а, даже, наоборот, пользователь имеет в пользовании
костыли для обеспечения устойчивого равновесия. Поэтому стоит
задача сделать стопу такой, чтобы ее механика во время ходьбы
частично или полностью разгружала стопу пользователя.
Было решено разработать конструкцию на основе пружин, что
заменили бы функции мышц.
68
4.2. Выбор комплектующих
4.2.1. Электродвигатели
Для начала стоит разобраться, какие поводы вообще доступны
на сегодняшний день для разработки и их преимущества и
недостатки. Если классифицировать по мощности двигателя, то
получим следующее:
- двигатели постоянного тока с редуктором;
- серводвигатели;
- шаговые двигатели;
Осмотрим положительные и отрицательные стороны каждого из
двигателей.
Рассмотрим электродвигатели, которые имеют
удовлетворительные характеристики в режимах подачи, то есть
обеспечивают Mconst.
1. Электродвигатели постоянного тока.
Преимущества:
- легко доступны на рынке;
- широкий спектр двигателей;
- мощные;
- легко подключить.
Недостатки:
- не способны стало работать на низких скоростях (<10 об/мин,
необходим редуктор;
- большое потребление;
- самые дорогие среди сравниваемых;
- не способны работать сами по себе с точными перемещениями.
2. Серводвигатели:
Преимущества:
- встроенный редуктор;
- разнообразие;
- относительно не дорогие;
69
соответствующая мощность для маленьких роботов;
- простота установки;
- среднее потребление энергии.
Недостатки:
- довольно низкая скорость.
3. Шаговые двигатели:
Преимущества:
- точный контроль;
- разнообразие;
- хорошая скорость;
- не дорогие.
Недостатки:
- большое потребление;
- не большая мощность.
Мощные и экономичные синхронные двигатели с постоянными
магнитами работают без дополнительных передаточных элементов и
обеспечивают очень высокий крутящий момент за счет более
совершенной конструкции.
Многообразие конфигураций электродвигателей позволяет
решать самые разнообразные задачи. Один из специальных типов
двигателей, известный как высокомоментный безредукторный
электродвигатель с постоянными магнитами (PM), характеризуется
высоким отношением диаметра к длине и большим числом
магнитных полюсов, что оптимизирует создание крутящего момента.
Эти низкоскоростные электродвигатели, обычно работающие с
частотой ниже 1000 об/мин, предлагаются на рынке как в корпусном,
так и в безкорпусном варианте. На основе ранее сказанного, из
инженерных соображений принято решение в дальнейшем в данной
работе работать с шаговыми двигателями.
70
4.2.2. Способы контроля и их реализация
Стремление к расширению человеческих возможностей за счет
носимых или вживляемых устройств вполне понятно. Во многих
фантастических рассказах герои подвергают трансформации свое
тело или используют кибернетические устройства ради улучшения
своих способностей и приобретения новых. Вслед за полетом
фантазии в научных лабораториях и даже на университетских
кафедрах делаются первые, пока еще робкие, шаги в этом
направлении. В рамках представленной работы подробный обзор
систем контроля не приводится, однако представим материал,
который даст понимание сущности способов контроля и способов их
реализации.
В последнее время в информационных источниках появилось
достаточно много информации о перспективности
электромиографических датчиков. Но при использовании в
разработках подобных данной, возникнет ряд проблем.
Например, электромиографически датчики применяют в
киберперчатке, где они крепятся на предплечья по ходу мышечных
волокон. Сигналы от них поступают на обработку к микроконтроллеру
на плате Arduino, закрепленной на тыльной стороне перчатки.
Проанализировав информацию о локальном мышечном тонусе, чип
отправляет команду на сервоприводы пальца.
Чтобы научиться двигать пальцем, который был потерян,
потребуется некоторая тренировка и программное доработки
компонентов Arduino, но ведь и ребенок не сразу осваивает мелкую
моторику.
На сегодняшний день в свободном доступе есть готовые
электромиографически модули ‒ устройства для обнаружения и
усиления мышечной активности. Для поставленных задач такие
устройства являются незаменимыми, так как в основу конструкции
входит антропоморфный механизм, реалистичность и
производительность моторики движения которого зависит от
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]