Усилитель мышц голени⁠⁠

Всем привет!

Продолжаем рассматривать разные виды экзоскелетов и теперь это экзоскелет голени.

До этого уже было:
1. Инструкция по сборке простого экзоскелета (часть 1)

2. Инструкция по сборке простого экзоскелета (часть 2)

3. Тяжёлый силовой экзоскелет (часть 1)

4. Тяжёлый силовой экзоскелет (часть 2)

5. Делаем пневмомускулу.

6. Нейропривод

А теперь к усилителю!

Устройство представляет собой усилитель мышц голени (голеностопа), который работает по принципу аккумулирования энергии в пружине.

Устройство состоит из стопы (красный цвет), фиксатора икры (черный цвет), плюсна (черный цвет, находится в контакте с полом) и пружины (бирюзовый цвет). Нога (синий цвет) прикрепляется к устройству при помощи ремней (серый цвет). Между ногой и фиксатором икры желательно поместить кусок войлока, чтобы фиксатор не натирал ногу.

Стопа может вращаться относительно фиксатора икры. Ось вращения показана на рисунке, она совмещена с осью вращения стопы относительно голени (лодыжка).

В ненапряженном положении пружина находится в сжатом состоянии. Стопа оттянута. При натяжении стопы «на себя» пружина растягивается и создает силу, которая стремиться оттянуть стопу.

Плюсна может свободно вращаться (натягиваться на себя и от себя). Таким образом можно стоять на месте и ходить. Однако можно изготовить устройство с жесткой, не вращающейся плюсной. Такая конструкция будет менее удобна при ходьбе и стоянии, однако может передать больше силы за счет использования большего рабочего хода пружины.

Устройство не заменяет силу, которую создают мышцы агонисты голени, а именно увеличивает ее, дает прирост силы к ней. При этом маневренность движений сохранятся практически полностью.

Схема работы следующая:

I – Момент полета (падения). Человек прыгает с высоты, либо с предыдущего прыжка.

II-III – Момент касания. Работает носок ноги. С оттянутого положения он переходит в горизонтальное.

III-V – Растяжение пружины. На этом периоде к силе икроножных мышц прибавляется сила от пружины. Также на данном этапе происходит гашение усилия падения (амортизация). Сила от пружины берет часть нагрузки на себя. В положении V пружина максимально растянута.

V-VIII – Сжатие пружины. Икроножные мышцы сокращаются и дают силу на прыжок. К этой силе прибавляется сила от сжатия пружины. Следовательно сила отталкивания увеличивается.

VIII-IX – Доработка носком. В этот момент идет окончательное доталкивание за счет оттягивания носка. Это доталкивание задает направление полета стопы (в совокупности с работой руками, отклонением корпуса и работой мышцами бедра). Также оттянутые носки являются следствием правильной работы при отталкивании во время прыжка.

Выбор основных размеров

Для определения момента было составлено уравнение момента относительно точки вращения стопы относительно голени:

M=d∙F, где d – плече, F=k∙x – сила, создаваемая пружиной.

k – жесткость пружины, х – растяжение пружины.

Далее необходимо было получить зависимость момента М от угла поворота ω.

Зависимость длины плеча от угла поворота:

Зависимость растяжения пружины от угла поворота:

, где Н – длина пружины в ненапряженном состоянии.

Общее уравнение момента в зависимости от угла поворота:

Далее составлен график зависимости момента от угла поворота (в радианах):

Из этого графика я выяснил, что наиболее оптимально использовать конструкцию при угле поворота от 60◦ до 100◦.

Опытный образец был спроектирован при помощи системы CATIA V5 R19. Были рассчитаны прочностные характеристики его деталей. Материал корпусных деталей – сталь 3. Толщина листа из которого были изготовлены эти детали – 2 мм.

ТЕСТЫ

После создания конструкции было выявлено несколько ошибок:

— пружина оказалась очень жесткая (2000 н);

— ось шарнира находится дальше (относительно пятки) чем ось сустава лодыжки примерно на 10-15 мм;

— длина футплейта не достаточна для того, чтобы стопа полностью встала. Носок ноги свисает с футплейта (примерно на 15 мм), что создает некоторый дискомфорт;

— не эргономичная геометрия резинового буфера носка. Необходимо сделать более округлые формы и больший радиус кривизны;

— в зоне А имеется концентрация усилия (реакция) на голень.

В целом опытный образец показал, что конструкция работоспособна. Вес конструкции (на одну ногу) 3 кг.

Спасибо за внимание.