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携行式上肢抗振外骨骼减振器参数设计

陈俞鹏 王海波 吴小笛

陈俞鹏, 王海波, 吴小笛. 携行式上肢抗振外骨骼减振器参数设计[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(12): 1805-1812. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200286
引用本文: 陈俞鹏, 王海波, 吴小笛. 携行式上肢抗振外骨骼减振器参数设计[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(12): 1805-1812. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200286
CHEN Yupeng, WANG Haibo, WU Xiaodi. Parameter Design of Anti-vibration Exoskeleton Damping Mechanism for Operating Hand-held Power Tools[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(12): 1805-1812. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200286
Citation: CHEN Yupeng, WANG Haibo, WU Xiaodi. Parameter Design of Anti-vibration Exoskeleton Damping Mechanism for Operating Hand-held Power Tools[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(12): 1805-1812. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200286

携行式上肢抗振外骨骼减振器参数设计

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200286
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51905451

详细信息
    作者简介:

    陈俞鹏(1996-),硕士研究生,研究方向为工业装配外骨骼, cyp7211@my.swjtu.edu.cn

    通讯作者:

    王海波, 副教授, haibowang@swjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TG156

Parameter Design of Anti-vibration Exoskeleton Damping Mechanism for Operating Hand-held Power Tools

  • 摘要: 针对手持振动工具对人体的负面影响和现有减振措施不足, 提出一种轻量化、高舒适性的携行式上肢抗振外骨骼作为新型个体防护装备, 并对外骨骼核心部件减振器进行参数设计, 提高了减振性能。利用直角坐标法求解机构的运动方程, 根据拉格朗日原理建立人机耦合系统运动微分方程, 分析得到影响抗振外骨骼减振性能的关键参数。基于人机耦合力学模型和外骨骼初始样机参数, 使用Minitab以标准正交表L27(313)设计考虑交互作用的5因素3水平正交仿真试验。ADAMS仿真试验结果表明: 各因素及其部分交互项对合力F的影响显著性排序为l2/l1>l2/l1×c1>l2/l1×c2>c2>c1>c1×c2>k2>k1; 减振器安装位置l2/l1是影响减振性能的主要因素; 结合交互作用分析二元图, 试验范围内因素最佳水平组合为l2/l1(1)k1(1)c1(3)k2(1)c2(3)。最佳水平组合下外骨骼达到较好的减振效果。
  • 图  1  抗振外骨骼三维模型

    图  2  剪式单元减振原理

    图  3  人机耦合系统力学模型

    图  4  连杆运动规律

    图  5  常用铆接姿势

    图  6  ADAMS仿真模型

    图  7  交互作用二元图

    图  8  正交试验仿真结果

    图  9  交互作用二元图

    表  1  人机耦合系统模型相关参数

    结构参数 单位
    振动工具质量M1 kg
    外骨骼夹持装置质量M2 kg
    连杆AB的长度l1 mm
    连杆BD的长度l2 mm
    连杆AH的长度l3 mm
    连杆BD与水平角度θ1 rad
    连杆AH与水平角度θ2 rad
    减振器1、2弹簧刚度k1k2 N/mm
    减振器1、2阻尼系数c1c2 N·s/mm
    腕关节等效刚度k3k4 N/mm
    腕关节等效阻尼系数c3c4 N·s/mm
    激振力的幅值F0 N
    手臂初始作用力f N
    工具水平、竖直方向位移xy mm
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    表  2  人体模型参数

    名称 长度/
    mm
    质量/
    kg
    转动惯量/(kg·mm2)
    Ix Iy Iz
    上臂 313 1.707 12 095.8 12 519.8 15 78.5
    前臂 237 0.885 3 114.3 3 010.3 783.9
    手掌 56 0.442 - - -
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    表  3  因素水平表

    水平 l2/l1 k1 c1 k2 c2
    0.6 2.7 2.15 2.7 2.15
    0.7 2.8 2.30 2.8 2.30
    0.8 2.9 2.45 2.9 2.45
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    表  4  试验方案设计

    试验 l2/l1 k1 c1 k2 c2
    1 0.6 2.7 2.15 2.7 2.15
    2 0.6 2.7 2.30 2.8 2.30
    3 0.6 2.7 2.45 2.9 2.45
    4 0.7 2.8 2.15 2.7 2.30
    5 0.7 2.8 2.30 2.8 2.45
    6 0.7 2.8 2.45 2.9 2.15
    7 0.8 2.9 2.15 2.7 2.45
    8 0.8 2.9 2.30 2.8 2.15
    9 0.8 2.9 2.45 2.9 2.30
    10 0.6 2.9 2.15 2.9 2.30
    11 0.6 2.9 2.30 2.7 2.45
    12 0.6 2.9 2.45 2.8 2.15
    13 0.7 2.7 2.15 2.9 2.45
    14 0.7 2.7 2.30 2.7 2.15
    15 0.7 2.7 2.45 2.8 2.30
    16 0.8 2.8 2.15 2.9 2.15
    17 0.8 2.8 2.30 2.7 2.30
    18 0.8 2.8 2.45 2.8 2.45
    19 0.6 2.8 2.15 2.8 2.45
    20 0.6 2.8 2.30 2.9 2.15
    21 0.6 2.8 2.45 2.7 2.30
    22 0.7 2.9 2.15 2.8 2.15
    23 0.7 2.9 2.30 2.9 2.30
    24 0.7 2.9 2.45 2.7 2.45
    25 0.8 2.7 2.15 2.8 2.30
    26 0.8 2.7 2.30 2.9 2.45
    27 0.8 2.7 2.45 2.7 2.15
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    表  5  仿真数据处理结果

    试验号 Fx/N Fy/N F/N
    1 29.928 5 37.362 1 47.871 1
    2 26.091 1 38.566 2 46.562 8
    3 22.520 0 39.749 7 45.685 7
    4 15.823 5 43.587 4 46.370 7
    5 16.270 6 45.043 8 47.892 3
    6 15.853 4 44.325 2 47.075 0
    7 20.750 0 47.569 7 51.898 4
    8 18.943 0 46.775 4 50.465 6
    9 22.904 4 48.368 4 53.517 4
    10 27.992 3 37.974 7 47.176 8
    11 24.234 6 39.161 7 46.053 8
    12 26.091 8 38.570 8 46.567 0
    13 15.842 3 44.321 5 47.067 7
    14 15.814 2 43.583 7 46.364 1
    15 16.259 0 45.039 9 47.884 7
    16 17.461 2 45.966 3 49.171 0
    17 20.734 5 47.565 0 51.887 8
    18 25.121 5 49.138 1 55.187 4
    19 26.091 4 38.568 5 46.564 9
    20 27.991 8 37.972 4 47.174 6
    21 24.233 6 39.159 3 46.051 2
    22 16.299 4 42.856 1 45.851 0
    23 15.864 4 44.329 0 47.082 3
    24 17.110 7 45.758 2 48.852 7
    25 18.912 3 46.766 1 50.445 5
    26 22.873 3 48.358 8 53.495 4
    27 20.719 0 47.560 2 51.877 2
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    表  6  极差分析表

    指标 水平 l2/l1 k1 c1 k2 c2
    Fx 26.1306 20.9955 21.0112 21.0387 21.0114
    16.1264 21.0646 20.9797 21.1200 20.9795
    20.9355 21.1323 21.2015 21.0337 21.2016
    R 10.0042 0.1368 0.2218 0.0863 0.2221
    FY 38.5650 43.4787 42.7747 43.4786 42.7747
    44.3161 43.4807 43.4840 43.4805 43.4840
    47.5631 43.4849 44.1855 43.4851 44.1856
    R 8.9981 0.0062 1.4108 0.0065 1.4109
    F 46.6342 48.5838 48.0463 48.5808 48.0463
    47.1601 48.5972 48.5532 48.6024 48.5532
    51.9940 48.6072 49.1887 48.6051 49.1887
    R 5.3598 0.0234 1.1424 0.0243 1.1424
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    表  7  方差分析表

    来源 fi 离差
    平方和
    均方 F P
    l2/l1 2 157.111 78.555 3 162 565.54 2.00E-10
    k1 2 0.002 0.001 2 2.57 1.91E-01
    c1 2 5.897 2.948 6 6 101.98 1.07E-07
    k2 2 0.003 0.001 6 3.31 1.42E-01
    c2 2 5.898 2.948 9 6 102.51 1.07E-07
    l2/l1×c1 4 13.064 3.266 1 6 758.94 6.56E-08
    l2/l1×c2 4 13.063 3.265 8 6 758.46 6.57E-08
    c1×c2 4 0.205 0.051 3 106.25 2.59E-04
    误差 4 0.002 0.000 5
    合计 26 195.246
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  • 收稿日期:  2020-06-03
  • 刊出日期:  2021-12-05

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