关键词：
步行能量收集
机械设计
人机交互
生物能消耗
摘要：
在野外工作的探险者和军人等人员常常需要携带大量的电子设备,如北斗定位系统、无线通讯设备,和照明设备等,用以保障自身的安全和维持长期野外工作的能力。然而,传统的光伏发电、手摇发电和供电车供电等方式难以满足实际工况对野外电能补给的隐秘性、稳定性和时效性的要求。为了应对这一挑战,研究人员提出收集人体步行耗散的能量进行发电来为野外电子设备提供电能。目前收集人体能量的原理有收集步行时足底撞击地面的能量、背包振动能量、关节运动耗散动能等,产生电能的方法有压电、摩擦纳米发电、电磁发电等。本文发现用电磁发电收集步行时膝关节的耗散动能在原理上不仅可以产生较大的发电量,还可以节约步行生物能消耗,具有非常优秀的应用潜力。
收集膝关节耗散动能来发电的原理是利用电磁发电产生的安培力矩代替膝关节做负功时的关节力矩来达到同时发电和节约步行生物能消耗的效果,但以往研究的结果显示膝关节能量收集器在发电时往往导致步行生物能消耗的增加。这是由于以往的研究只关注能量收集原理的实现,未考虑膝关节能量收集器对人步行生物能消耗的影响。本文通过对能量收集时的人机能量流动过程进行建模分析,提出了人机能量流动方程,并发现了膝关节能量收集器影响步行生物能消耗的三个主要问题:(1)能量收集机构和发电电路的核心组件参数设计问题:能量收集机构的核心组件包括发电机和齿轮箱,发电电路的核心组件是负载,实验经验已知这些组件的参数会同时影响收集器的发电量和步行生物能消耗,但是它们之间的数学关系仍不清楚,难以从理论上对这些参数进行优化设计,这是以往膝关节能量收集器产生较大的生物能消耗的原因。(2)人机交互控制问题:不同用户具有不同的生理结构和与步行运动模式,只有以合适的人机交互方式,用户才能有效地利用膝关节能量收集器产生的安培力矩代替肌肉产生的关节力矩。然而,以往的研究并未关注人机交互过程,也不知道合适的人机交互方式如何产生,这使得使用相同的能量收集器,有一些用户却产生了较高的步行生物能消耗。(3)膝关节做正功时膝关节能量收集器阻碍膝关节运动的问题:在膝关节做正功时膝关节能量收集器仍跟随膝关节运动,机械零部件运动产生的摩擦力矩和惯性力矩阻碍膝关节运动。虽然这两个力矩值较小,但由于此时肌肉做正功,而肌肉做正功的生物能效率较低,膝关节克服这两个力矩仍需要较大的生物能消耗。
本文研究的目标是通过建立一套系统的优化设计和人机交互控制方法实现膝关节能量收集器在产生较大发电量的同时降低步行生物能消耗。针对上述问题,本文进行了如下研究:(1)能量收集机构和发电电路的参数优化设计研究:研究基于人机能量流动方程,建立膝关节能量收集器的核心组件参数与发电量和步行生物能消耗之间的关系,通过公式推导和分析以及动态规划,获得膝关节能量收集器的发电机反电动势系数和内阻、齿轮箱的传动比和负载电阻的最优值。研究设计和制造了膝关节能量收集器样机对所提方法进行实验验证。结果是所设计的膝关节能量收集器可以产生6W以上的发电量,和目前发电量最大的膝关节能量收集器的发电量相当,但总生物能消耗成本相较于后者下降了 50%。(2)“人在闭环”的人机交互优化控制研究:研究使用“人在闭环”的优化控制方法来找到每个用户最优的人机交互方式(发电电流轨迹),以进一步降低使用膝关节能量收集器时的步行生物能消耗。本研究使用自然进化策略作为核心优化算法,提升了“人在闭环”的优化控制方法的速度,同时以发电量作为松弛变量,以步行生物能消耗作为优化目标,在尽可能降低步行生物能消耗时保证了一定的发电量。验证实验表明,本研究的膝关节能量收集器和最先进的膝关节能量收集器相比,步行生物能消耗下降的幅度相当,但是产生2.75W的发电量是后者的十一倍。(3)收集的能量用于膝关节能量收集器的助力研究:研究利用电池负载充电电流控制技术将产生的电能按照上一研究的发电方式储存到电池中,同时利用磁场定向控制技术将储存在电池的能量,用于膝关节在做正功时的助力(抵消膝关节能量收集器的摩擦力矩和惯性力矩)。实验结果表明,使用全部电能来进行助力可以降低步行生物能消耗,下降幅度(下降6.5%)是目前最先进的膝关节能量收集器的三倍,和最先进的被动助力外骨骼相当。
本文基于人机能量流动方程提出的能量收集机构和发电电路的参数优化设计方法、“人在闭环”的人机交互优化控制方法、收集的能量用于助力的方法,从硬件设计、人机交互、能量利用三个层面为膝关节能量收集器建立了一套系统的优化设计与人机交互控制方法,实现了膝关节能量收集器在产生较大发电量的同时降低步行生物能消耗这一目标,并对膝关节能量收集器在识别不同步态和不同地形等实用化研究进行了展望。
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