基于無動(dòng)力儲(chǔ)能式輔助采茶的裝置設(shè)計(jì)①

宋甲本 王躍彭 錢長(zhǎng)成 潘 丹 萬心華 尹彬?yàn)?/p>

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇揚(yáng)州225127）

我國(guó)茶文化歷史悠久，茶業(yè)順應(yīng)市場(chǎng)需求的發(fā)展，茶園面積不斷地?cái)U(kuò)大，茶葉產(chǎn)量迅速地遞增，有力地促進(jìn)了市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)。這一趨勢(shì)也使得采茶勞動(dòng)者數(shù)量的增多以及采茶作業(yè)量的增大［1]。隨著科技發(fā)展，大量的研究者試圖設(shè)計(jì)出適用于采茶業(yè)的機(jī)械裝置，幫助勞動(dòng)者有效地采摘茶葉，減少體耗。

日本本田公司研發(fā)出了一種體重支撐步行輔助器，該輔助器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穿戴方便，可為長(zhǎng)期從事一線勞動(dòng)的員工提供助力，但助力效果有限，且平衡性能較差。中國(guó)清華大學(xué)研制出減重步行訓(xùn)練機(jī)器人，控制系統(tǒng)完善、用途廣泛，使用者能夠有意識(shí)地進(jìn)行步行訓(xùn)練，但體積大，攜帶不便，且價(jià)格較貴。

本設(shè)計(jì)為無動(dòng)力儲(chǔ)能式輔助采茶裝置，致力于解決茶業(yè)中采茶者持久站立勞累以及省力抬腿等問題［2]。采茶者采茶時(shí)往往會(huì)在一個(gè)茶葉生長(zhǎng)茂盛的地方站立許久，在需要轉(zhuǎn)移到下一個(gè)采茶地點(diǎn)時(shí)，容易造成因腿酸、腿麻等而無法輕松抬腿行走。此裝置通過分析人體下肢行走步態(tài)，在髖骨處設(shè)有無動(dòng)力儲(chǔ)能裝置模擬大腿的擺動(dòng)，以提高人體能源利用率。根據(jù)對(duì)應(yīng)影響參數(shù)設(shè)計(jì)出儲(chǔ)能裝置中凸輪的輪廓曲線。同時(shí)，優(yōu)化彈簧剛度并設(shè)計(jì)彈簧壓縮筒來滿足人體不同時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所需彈力。

1 裝置原理描述

分析人體下肢行走步態(tài)，在髖骨設(shè)有儲(chǔ)能裝置來模擬大腿的擺動(dòng)，提高人體能源利用率。

根據(jù)人行走的速度、下肢擺動(dòng)幅度和步長(zhǎng)變化，計(jì)算彈簧與推桿的壓縮擺動(dòng)，設(shè)計(jì)出儲(chǔ)能裝置中凸輪的輪廓曲線。

為滿足人體不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)動(dòng)力需求，設(shè)計(jì)彈簧壓縮筒調(diào)節(jié)儲(chǔ)存力的大小，人站立時(shí)可設(shè)置彈力釋放?；谌梭w運(yùn)動(dòng)，對(duì)彈簧剛度進(jìn)行優(yōu)化確定。

無動(dòng)力儲(chǔ)能式輔助裝置由模塊化組成［3]，結(jié)構(gòu)包括腰部模塊、儲(chǔ)能裝置、股骨模擬桿組、膝蓋綁帶和其它鏈接部件（圖1）。其中，儲(chǔ)能裝置共分為7個(gè)構(gòu)件（圖2）。

圖1 無動(dòng)力輔助采茶裝置

圖2 儲(chǔ)能裝置示意圖

當(dāng)采茶者行走時(shí)，股骨模擬桿與殼體一起隨大腿旋轉(zhuǎn)，滾子繞凸輪輪廓曲線作周期性旋轉(zhuǎn)，在彈簧推桿的作用下，向下運(yùn)動(dòng)，壓縮筒內(nèi)的彈簧被壓縮后，將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥詣?shì)能，起到儲(chǔ)能效果。在采茶者抬腿時(shí)，彈簧將彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，釋放能量，推動(dòng)彈簧推桿和滾子運(yùn)動(dòng)，凸輪對(duì)殼體的反作用力，可提供抬腿的力，為茶農(nóng)采茶作業(yè)節(jié)省體力消耗。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與相關(guān)計(jì)算

人行走過程中，可視為每一瞬間均在平面上做鉛垂運(yùn)動(dòng)，人站立時(shí)彈簧處于最大壓縮量［5]，抬腿行走時(shí)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，運(yùn)用機(jī)械能守恒有：

上式（1）中，k為彈簧剛度系數(shù)；Δx0為彈簧初始最大壓縮量；Wf為綜合摩擦與能量耗散，如人與地面或機(jī)構(gòu)內(nèi)部損耗；m為大腿小腿總質(zhì)量；Δh為大腿小腿質(zhì)心上升的距離；Vc為大腿小腿在抬升過程中，任意位置處的質(zhì)心速度；Jc為大腿小腿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為腿部的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為腿部質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑；Δx1為腿部上升過程中任意位置處，彈簧的壓縮量。

彈簧的壓縮量，為推桿行程，即Δx1=S，由推桿行程變化，可計(jì)算出凸輪輪廓曲線［4]。在本裝置中，主要運(yùn)用其輪廓曲線中的一部分，滿足推桿行程最大最小間的轉(zhuǎn)換即可（圖3）。

圖3 偏置移動(dòng)滾子可壓縮彈簧推桿盤型凸輪機(jī)構(gòu)

以O(shè) 為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，設(shè)滾子中心B（x，y），求出凸輪的理論輪廓線方程式：

式中，e為偏距

工作廓線與理論廓線在法線方向的距離應(yīng)等于滾子半徑rr，當(dāng)已知理論廓線上任意一點(diǎn)時(shí)B（x， y），沿著理論輪廓線在該點(diǎn)的法線方向取距離為rr，即得工作廓線上的相應(yīng)點(diǎn)B?（x?，y?）。因此可知，理論輪廓線B 點(diǎn)處法線n-n的斜率，應(yīng)為：

根據(jù)式（2）有：

工作廓線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)B?（x?，y?）的坐標(biāo)為：

此即為凸輪的工作廓線方程式。

3 彈簧剛度優(yōu)化計(jì)算

根據(jù)抬腿不同的速度和抬腿不同的高度，選用剛度系數(shù)不同的彈簧［6]，實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果見表1，由生成的彈簧剛度系數(shù)曲線（圖4）可知，隨著抬腿速度的增高，對(duì)應(yīng)的彈簧剛度降低。因此針對(duì)不同采茶人的行走速度，可以選用相應(yīng)的彈簧規(guī)格，達(dá)到助力最大化，這一結(jié)論為該裝置的設(shè)計(jì)提供了有力保障。

表1 彈簧剛度系數(shù)計(jì)算數(shù)據(jù)

圖4 彈簧剛度系數(shù)曲線

4 結(jié)論

本研究建立人體運(yùn)動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)行走時(shí)腿部擺動(dòng)幅度和速度的大小，得出下肢抬起所需能量。通過對(duì)推桿推程與彈簧剛度參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算，確定凸輪輪廓曲線，分析出彈簧剛度參數(shù)，將其運(yùn)用到無動(dòng)力輔助采茶的裝置中，可有效地解決茶農(nóng)在長(zhǎng)時(shí)間采茶作業(yè)導(dǎo)致的下肢酸麻、行走乏力的問題。