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多重障礙者運動機能訓練腳踏車-氣流阻尼機構模擬

作者:余家杰(2001-06-05),推薦:徐業良(2001-06-08)
附註:本文為八十九學年度國科會研究計畫「智能障礙為主之多重障礙者運動機能訓練科技輔具之研發」部份研究成果。

1. 問題探討

1是本計畫設計之多重障礙者運動機能訓練腳踏車第一代原型。市面上之運動腳踏車負載多來自於摩擦阻力或是電磁引力直接加在傳動系統上,沒有經過運動方式的轉換,其輸出力為一連續曲線,而本計畫設計之多重障礙者運動機能訓練用腳踏車使用之訓練負載,是利用控制氣壓缸內氣體的流量來控制阻尼的大小。如圖1中標示部分為阻尼及傳動系統,其輸出阻力的方式為以一區柄滑塊機構將採踏的旋轉運動轉換為一往復於氣壓缸活塞運動方向的直線運動,而氣壓缸輸出的阻力為,其大小決定於活塞的移動速度(v)以及開口的流率(決定其阻尼常數c)。

1. 多重障礙者運動機能訓練腳踏車第一代原型

2. 氣流阻尼機構示意圖

建構完成多重障礙者運動機能訓練腳踏車第一代原型後,踩踏測試時發現此種阻尼輸出的方式出現了一種不平順的現象,就是當使用者連續施力踩踏,抵抗氣壓缸所提供之阻力時,於某一個位置會忽然踏空,過了那個位置才又感覺有阻力,也就是說在某一個奇異(singular)位置時幾乎感受不到氣壓缸有輸出阻力。此種現象讓使用者覺得不舒適,甚至可能造成運動的傷害,因此我們就此一不平順的跳躍現象進行探討。

2. 氣流阻尼機構模擬

我們利用Working Model機構模擬軟體來模擬多重障礙腳踏車的氣流阻尼機構,如圖3所示,灰色圓盤代表由腳踏所帶動之轉盤,而紅色滑塊代表活塞於氣壓缸內之滑動情形,綠色線條為活塞在鋼管內之滑行軌跡,各個模擬的物件皆以 Steel-ANSIC1020作為物件性質,模擬之尺寸皆為實際物體長度(轉盤半徑150mm相對於灰色圓盤、氣壓缸滑動軸相對於淡藍半透明桿件243mm、行程140mm),並在轉盤中央設一馬達(馬達以定角速度旋轉)來模擬使用者以腳踩踏板時,轉盤轉動情形。

3. Working Model曲柄滑塊模擬運動轉換情形

經由Working Modeling軟體的分析,我們可以得到紅色滑塊(視為活塞)於滑動時所對應之速度-時間關係圖,如圖4所示,活塞的速度呈現近似正弦波的變化。圖5為氣壓缸阻力輸出圖,由於其阻力F=cv2,圖4中接近速度等於零的地區平方後會更趨近於零,形成圖4中水平部分區域,這個區域便是先前所提到的不正常跳躍現象,此時氣壓缸發生停走的「滯滑效應(stick-slip effect)」。

MATLAB Handle Graphics

4. 活塞於往返運動之速度與時間關係圖

MATLAB Handle Graphics

5. 氣壓缸出力狀況

6中進一步探討一個循環0360度中,最大出力點和滯滑點的位置,虛線為參考的零度線。一開始轉盤-連桿接點、轉盤中心、連桿-活塞接點三點共線,此時活塞速度由0開始,活塞移動,氣缸出力漸大轉至90度時活塞有最快速度,接者氣壓缸輸出阻力最大再漸漸變小,至轉盤旋轉約165度活塞速度極小到0,活塞發生滯滑效應,轉離175度活塞速度漸增,氣壓缸隨著出力增加,至230度達到峰值後再漸減速,到355度時活塞速度減低到0,氣壓缸提供阻力為0,如此循環下去。

6. 一個循環中最大出力點和滯滑點的位置

在圖4與圖5中正負兩個最大速度、最大出力點大小不同且位置不對稱,乃是因為幾何位置上的差異,造成剛體運動速度向量和不一樣。圖790度時第一個速度(出力)極大值的速度分析,B點的速度便可視為A點的切線速度(黑色箭頭)平移移動再加上固定A點轉動AB桿件於B點的切線速度(藍色箭頭),所得的向量和(綠色箭頭)即為活塞的速度。同理,圖8為約230度時第二次速度(出力)極大值的速度分析,活塞運動只受到轉盤切向速度影響而沒有桿件旋轉造成的速度分量,這也是兩個峰值不相等且位置不對稱的原因。

7. 轉盤轉至90度的速度分析圖

8. 轉盤轉至230度時的速度分析圖