基于流体弹簧的新型膝关节支架的液压特性仿真

谢吟絮 陈云飞

关键词：膝关节外骨骼;流体弹簧;阻尼孔;AMESim仿真

0引言

下肢外骨骼是一种运动辅助装置，不仅有固定关节保护韧带的作用，还能提高穿戴者运动能力。随着老龄化速度增加，2018年底中国60岁以上老龄人口已经占到人口总数的17.9%，而50～70岁的老年人大约有半数患有下肢关节疾病。随着年龄的增大，关节炎与肌肉萎缩会直接导致中老年人的下肢运动能力大幅降低，从而严重影响中老年群体的生活质量，因此针对中老年人以及下肢运动康复人群的下肢外骨骼有着巨大的发展潜力。目前外骨骼大多采用有源驱动方式，其主要缺点在于结构复杂、体积庞大、重量较高，并且受到动力源（电池、电源、汽柴油等）的限制，极大限制了外骨骼使用场景、续航时间和工作效率。本文中提出的新型膝关节支架以流体弹簧为无源动力驱动，体积小、重量轻、结构简单，且解决了目前有源驱动外骨骼受动力源限制的问题。本文利用流体弹簧的原理，对外骨骼驱动单元进行参数设计计算，并且完成流体弹簧Solidworks的三维建模，并且推导出工作压强及回复力与液压缸参数之间的定量公式。本文将对流体弹簧单元基于液压仿真软件AMESim进行液压系统建模，旨在得到不同直径的阻尼孔产生的阻尼力与系统回弹速度的关系。

1流体弹簧参数设计及建模

为了方便使用者穿戴，外骨骼需要尽量轻便，因此流体弹簧驱动单元体积要小，同时还需要满足提供足够回弹力等要求。

根据设计要求：液压缸内径D=7mm;活塞杆外径d=3mm;缸体内腔长度L=30mm，流体弹簧Solid-works三维建模如图1所示。

如图所示，流体弹簧由缸体、活塞、活塞杆等部件构成。其中，缸体内充满二甲基硅油，缸盖处进行密封。流体弹簧的运动原理主要是利用了流体的可压缩性，本文选用的二甲基硅油，由于其独特的分子链结构，相比其他的液压油有更好的压缩性。活塞初始位置在缸盖处，活塞上有均匀分布的4个阻尼孔。当活塞杆受到向右的力F时，活塞杆向右运动，缸内腔体中的硅油被压缩，压力增大;此时，硅油通过阻尼孔向左侧容腔流动，活塞左侧容腔硅油体积膨胀，压力减小。随着活塞向容器右侧移动，硅油所占的有效空间缩小，压力增值为△p。若活塞移动量是x，则压缩后的体积是：

由以上公式可知，流体弹簧运动过程中可以产生一个回复力，这个回复力可以在人体行走时对膝关节提供一个辅助动力。回复力大小与压强变化数值及活塞杆面积成正相关。设计要求流体弹簧所能产生的回复力不小于250N，此流体弹簧的回复力为1300.41N，符合要求。流体弹簧刚度可以改变，刚度和硅油的弹性模数以及活塞杆径相关，当液压缸内径和活塞杆径比值趋近于1时，理论上来说流体弹簧刚度将趋于无穷大。

2液压缸建模及流体仿真

流体弹簧中由于硅油的高压缩性决定了其可以在运动时为膝关节提供额外的辅助动力，从而提高人体运动能力。而流体弹簧中的阻尼力则可以改变回弹速度，起到缓冲吸振的作用。活塞上均匀分布的4个阻尼孔在运动时提供阻尼力，通过改变阻尼孔的直径可以得到不同的阻尼力，以便获得不同回弹速度。

为进一步研究不同直径阻尼孔与阻尼力的关系，现基于液压仿真软件AMESim对流体弹簧建模，控制其他参数不变，改变阻尼孔直径，得到运动过程中不同直径下压强变化过程。

首先对流体弹簧进行液压系统建模。过程如下：

选定液压油，选取二甲基硅油作为介质;建立一个液压缸，并且并联4个阻尼孔，以此模拟均匀分布4个阻尼孔的流体弹簧;由于液体弹簧受到人体行走时外力的作用，因此建立一个质量块以及力作用模块进行模拟;建立一个信号来输人人体运动时作用力曲线。建立的模型如图2所示。

随后进入子模型模式，本文重点仿真阻尼孔对液压系统的影响，因此液压缸、质量模块、力与信号都直接选定默认子模型。

进入参数模式后，根据流体弹簧计算得到复位力、最大工作压强以及液压缸参数设置。由于不同体重、年龄、身高以及不同性别的人行走时对膝关节所施加的压力都不尽相同，为简化液压系统模型，本文在仿真时质量选取平均值60kg，且假设人体行走过程中左右两个膝关节受力情况对称受力大小相同。复位力为1300.41N，液压缸内径D=7mm，活塞杆外径d=3mm，缸体内腔长度L=30mm，活塞截面形状选取圆形。

分别设置阻尼孔直径为0.05mm、0.10mm、0.15mm，最后进入仿真模式来进行仿真，研究阻尼孔直径变化对运动过程中液压系统阻尼力的影响。绘制运动过程中液压缸内压强变化情况图，结果如图3～5所示。

由图可知，阻尼孔直径会影响液压缸内压强变化速度及变化峰值，当直径为0.05mm时，整个运动过程中压强变化最缓慢，且峰值最大，由此可见，阻尼孔直径越小，阻尼力越大，压力变化也越缓慢。可以推论，流体弹簧中阻尼孔直径越小，回弹速度越慢，回弹更加平缓，因此行走过程中对人体膝关节缓冲作用越大。因此，可以通过改变阻尼孔的数量以及直径来控制流体弹簧的回弹速度，以达到不同的缓冲吸振效果。

3结束语

通过对流体弹簧工作时压强的研究，由文中所得公式可知，液压缸中压力变化与活塞运动量成正相关，在缸体最大行程处压力增加达到峰值。此外，由公式可得，活塞杆的直径对流体弹簧刚度影响很大，可以通过改变活塞杆直径来控制流体弹簧的刚度。本文建立了一个流体弹簧的Solidworks三维模型以及对应的液压系统模型，通过基于AMESim的仿真得到的结果如下，阻尼孔的直径会影响回弹的速度，阻尼孔直径越小回弹速度越慢，对运动时产生的冲击缓冲效果也越好。改变阻尼孔直径可以有效改变流体彈簧的回弹速度，使运动时流体弹簧可以起到缓冲吸振的作用。因此，本文设计的流体弹簧驱动单元在人体行走过程中可以有效提供额外的辅助动力，同时还有缓冲吸振作用。