基于流體彈簧的新型膝關(guān)節(jié)支架的液壓特性仿真

謝吟絮 陳云飛

關(guān)鍵詞：膝關(guān)節(jié)外骨骼;流體彈簧;阻尼孔;AMESim仿真

0引言

下肢外骨骼是一種運(yùn)動(dòng)輔助裝置，不僅有固定關(guān)節(jié)保護(hù)韌帶的作用，還能提高穿戴者運(yùn)動(dòng)能力。隨著老齡化速度增加，2018年底中國(guó)60歲以上老齡人口已經(jīng)占到人口總數(shù)的17.9%，而50～70歲的老年人大約有半數(shù)患有下肢關(guān)節(jié)疾病。隨著年齡的增大，關(guān)節(jié)炎與肌肉萎縮會(huì)直接導(dǎo)致中老年人的下肢運(yùn)動(dòng)能力大幅降低，從而嚴(yán)重影響中老年群體的生活質(zhì)量，因此針對(duì)中老年人以及下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)人群的下肢外骨骼有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。目前外骨骼大多采用有源?qū)動(dòng)方式，其主要缺點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、重量較高，并且受到動(dòng)力源（電池、電源、汽柴油等）的限制，極大限制了外骨骼使用場(chǎng)景、續(xù)航時(shí)間和工作效率。本文中提出的新型膝關(guān)節(jié)支架以流體彈簧為無(wú)源動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且解決了目前有源驅(qū)動(dòng)外骨骼受動(dòng)力源限制的問(wèn)題。本文利用流體彈簧的原理，對(duì)外骨骼驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算，并且完成流體彈簧Solidworks的三維建模，并且推導(dǎo)出工作壓強(qiáng)及回復(fù)力與液壓缸參數(shù)之間的定量公式。本文將對(duì)流體彈簧單元基于液壓仿真軟件AMESim進(jìn)行液壓系統(tǒng)建模，旨在得到不同直徑的阻尼孔產(chǎn)生的阻尼力與系統(tǒng)回彈速度的關(guān)系。

1流體彈簧參數(shù)設(shè)計(jì)及建模

為了方便使用者穿戴，外骨骼需要盡量輕便，因此流體彈簧驅(qū)動(dòng)單元體積要小，同時(shí)還需要滿足提供足夠回彈力等要求。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求：液壓缸內(nèi)徑D=7mm;活塞桿外徑d=3mm;缸體內(nèi)腔長(zhǎng)度L=30mm，流體彈簧Solid-works三維建模如圖1所示。

如圖所示，流體彈簧由缸體、活塞、活塞桿等部件構(gòu)成。其中，缸體內(nèi)充滿二甲基硅油，缸蓋處進(jìn)行密封。流體彈簧的運(yùn)動(dòng)原理主要是利用了流體的可壓縮性，本文選用的二甲基硅油，由于其獨(dú)特的分子鏈結(jié)構(gòu)，相比其他的液壓油有更好的壓縮性?；钊跏嘉恢迷诟咨w處，活塞上有均勻分布的4個(gè)阻尼孔。當(dāng)活塞桿受到向右的力F時(shí)，活塞桿向右運(yùn)動(dòng)，缸內(nèi)腔體中的硅油被壓縮，壓力增大;此時(shí)，硅油通過(guò)阻尼孔向左側(cè)容腔流動(dòng)，活塞左側(cè)容腔硅油體積膨脹，壓力減小。隨著活塞向容器右側(cè)移動(dòng)，硅油所占的有效空間縮小，壓力增值為△p。若活塞移動(dòng)量是x，則壓縮后的體積是：

由以上公式可知，流體彈簧運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可以產(chǎn)生一個(gè)回復(fù)力，這個(gè)回復(fù)力可以在人體行走時(shí)對(duì)膝關(guān)節(jié)提供一個(gè)輔助動(dòng)力?；貜?fù)力大小與壓強(qiáng)變化數(shù)值及活塞桿面積成正相關(guān)。設(shè)計(jì)要求流體彈簧所能產(chǎn)生的回復(fù)力不小于250N，此流體彈簧的回復(fù)力為1300.41N，符合要求。流體彈簧剛度可以改變，剛度和硅油的彈性模數(shù)以及活塞桿徑相關(guān)，當(dāng)液壓缸內(nèi)徑和活塞桿徑比值趨近于1時(shí)，理論上來(lái)說(shuō)流體彈簧剛度將趨于無(wú)窮大。

2液壓缸建模及流體仿真

流體彈簧中由于硅油的高壓縮性決定了其可以在運(yùn)動(dòng)時(shí)為膝關(guān)節(jié)提供額外的輔助動(dòng)力，從而提高人體運(yùn)動(dòng)能力。而流體彈簧中的阻尼力則可以改變回彈速度，起到緩沖吸振的作用?；钊暇鶆蚍植嫉?個(gè)阻尼孔在運(yùn)動(dòng)時(shí)提供阻尼力，通過(guò)改變阻尼孔的直徑可以得到不同的阻尼力，以便獲得不同回彈速度。

為進(jìn)一步研究不同直徑阻尼孔與阻尼力的關(guān)系，現(xiàn)基于液壓仿真軟件AMESim對(duì)流體彈簧建模，控制其他參數(shù)不變，改變阻尼孔直徑，得到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不同直徑下壓強(qiáng)變化過(guò)程。

首先對(duì)流體彈簧進(jìn)行液壓系統(tǒng)建模。過(guò)程如下：

選定液壓油，選取二甲基硅油作為介質(zhì);建立一個(gè)液壓缸，并且并聯(lián)4個(gè)阻尼孔，以此模擬均勻分布4個(gè)阻尼孔的流體彈簧;由于液體彈簧受到人體行走時(shí)外力的作用，因此建立一個(gè)質(zhì)量塊以及力作用模塊進(jìn)行模擬;建立一個(gè)信號(hào)來(lái)輸人人體運(yùn)動(dòng)時(shí)作用力曲線。建立的模型如圖2所示。

隨后進(jìn)入子模型模式，本文重點(diǎn)仿真阻尼孔對(duì)液壓系統(tǒng)的影響，因此液壓缸、質(zhì)量模塊、力與信號(hào)都直接選定默認(rèn)子模型。

進(jìn)入?yún)?shù)模式后，根據(jù)流體彈簧計(jì)算得到復(fù)位力、最大工作壓強(qiáng)以及液壓缸參數(shù)設(shè)置。由于不同體重、年齡、身高以及不同性別的人行走時(shí)對(duì)膝關(guān)節(jié)所施加的壓力都不盡相同，為簡(jiǎn)化液壓系統(tǒng)模型，本文在仿真時(shí)質(zhì)量選取平均值60kg，且假設(shè)人體行走過(guò)程中左右兩個(gè)膝關(guān)節(jié)受力情況對(duì)稱受力大小相同。復(fù)位力為1300.41N，液壓缸內(nèi)徑D=7mm，活塞桿外徑d=3mm，缸體內(nèi)腔長(zhǎng)度L=30mm，活塞截面形狀選取圓形。

分別設(shè)置阻尼孔直徑為0.05mm、0.10mm、0.15mm，最后進(jìn)入仿真模式來(lái)進(jìn)行仿真，研究阻尼孔直徑變化對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中液壓系統(tǒng)阻尼力的影響。繪制運(yùn)動(dòng)過(guò)程中液壓缸內(nèi)壓強(qiáng)變化情況圖，結(jié)果如圖3～5所示。

由圖可知，阻尼孔直徑會(huì)影響液壓缸內(nèi)壓強(qiáng)變化速度及變化峰值，當(dāng)直徑為0.05mm時(shí)，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中壓強(qiáng)變化最緩慢，且峰值最大，由此可見(jiàn)，阻尼孔直徑越小，阻尼力越大，壓力變化也越緩慢?？梢酝普?，流體彈簧中阻尼孔直徑越小，回彈速度越慢，回彈更加平緩，因此行走過(guò)程中對(duì)人體膝關(guān)節(jié)緩沖作用越大。因此，可以通過(guò)改變阻尼孔的數(shù)量以及直徑來(lái)控制流體彈簧的回彈速度，以達(dá)到不同的緩沖吸振效果。

3結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)流體彈簧工作時(shí)壓強(qiáng)的研究，由文中所得公式可知，液壓缸中壓力變化與活塞運(yùn)動(dòng)量成正相關(guān)，在缸體最大行程處壓力增加達(dá)到峰值。此外，由公式可得，活塞桿的直徑對(duì)流體彈簧剛度影響很大，可以通過(guò)改變活塞桿直徑來(lái)控制流體彈簧的剛度。本文建立了一個(gè)流體彈簧的Solidworks三維模型以及對(duì)應(yīng)的液壓系統(tǒng)模型，通過(guò)基于AMESim的仿真得到的結(jié)果如下，阻尼孔的直徑會(huì)影響回彈的速度，阻尼孔直徑越小回彈速度越慢，對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊緩沖效果也越好。改變阻尼孔直徑可以有效改變流體彈簧的回彈速度，使運(yùn)動(dòng)時(shí)流體彈簧可以起到緩沖吸振的作用。因此，本文設(shè)計(jì)的流體彈簧驅(qū)動(dòng)單元在人體行走過(guò)程中可以有效提供額外的輔助動(dòng)力，同時(shí)還有緩沖吸振作用。