Оптимизация переноса груза при помощи колебательной системы

Автор: Саттаров Р.Р., Хазиева Р.Т., Иванов М.Д.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 3 (97) т.26, 2022 года.

Бесплатный доступ

Целью работы является определение требований, предъявляемых к системе подвеса рюкзака, которая значительно бы облегчила перенос груза человеком. На основе исследований других авторов выявлено, что задача минимизации энергии, затрачиваемой на перенос груза, может быть решена при помощи снижения амплитуды колебаний рюкзака при ходьбе человека. Следовательно, идеальной характеристикой системы подвеса груза является такая зависимость результирующей силы, действующей на рюкзак при его перемещении, при которой рюкзак «зависает» на одном уровне над землей. В работе показано, что при учете возможности генерации электрической энергии при относительном движении груза вдоль спины человека форма зависимости такой силы от вертикальных колебаний центра масс человека будет являться эллипсоидной. Близкую к данной идеальной характеристике можно воспроизвести при помощи колебательной системы, состоящей из четырех пружин, каждая из которых действует на контейнер рюкзака в заданный промежуток времени. Четырехпружинный подвес позволяет уменьшить амплитуду колебаний рюкзака над поверхностью земли до 0,02 мм, то есть свести энергетические затраты на перенос груза практически до нуля. Практическая реализация такой системы остается весьма сложной задачей: используемые пружины должны обладать ярко выраженной нелинейной характеристикой, то есть иметь жесткую характеристику, чтобы удерживать весьма массивный груз на весу, но при этом быть мягкими, чтобы груз мог колебаться в своём относительном движении вдоль спины человека, также необходимо разработать механизм, в нужный момент включающий ту или иную пружину. В дальнейших исследованиях поставлена задача определения условий работы системы подвеса при изменениях скорости движения и походки пользователя.

Еще

Оптимизация переноса груза, колебательная система, четырехпружинный подвес, нелинейная характеристика, генерация электрической энергии

Короткий адрес: https://sciup.org/146282604

IDR: 146282604   |   УДК: 62-52   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2022.3.08

Optimizing load carry by using an oscillation system

The purpose of this research is to determine the requirements for a backpack suspension system, which would greatly facilitate the carrying of a backpack by a person. Based on the studies of other authors, it was revealed that the problem of minimizing the energy spent on carrying the load can be solved by reducing the amplitude of the backpack oscillations when a person walks. Therefore, the ideal characteristic of the load suspension system is such a dependence of the resulting force acting on the backpack during its movement, in which the backpack "hangs" at the same level above the ground. The paper considers a backpack with a built-in microgenerator of electrical energy, which works due to the relative movement of the load along the back of a person. In this case, the dependence of the resulting elastic force on the vertical displacement of the human center of mass (CoM) will have the shape of an ellipse. Close to this ideal characteristic can be reproduced using an oscillatory system consisting of four springs, each of which acts on the backpack container for a given period of time. A four-spring suspension allows reducing the amplitude of the backpack oscillations above the ground to 0.02 mm, that is, to reduce the energy costs for carrying cargo to almost zero. The practical implementation of such a system remains a very difficult task. The springs used must have a pronounced non-linear characteristic. That is, they must have a rigid characteristic in order to hold a very massive load in weight, but at the same time be soft so that the load can oscillate in its relative movement along the person’s trunk. It is also necessary to develop a mechanism that, at the right time, switch one or another spring. In further studies, the task was set to determine the operating conditions of the suspension system with changes in the speed of movement and gait of the user.

Еще

Список литературы Оптимизация переноса груза при помощи колебательной системы

  • Валеев А.Р., Зотов А.Н., Зубкова О.Е., Ризванов Р.Г., Свиридов М. В. Системы с разрывной квазинулевой восстанавливающей силой // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. - 2017. - № 5. -С. 130-136.
  • Дубровский В.И. Биомеханика - М.: Изд-во ВЛАДОС-ПРЕСС, 2008. - 669 с.
  • Зотов А.Н., Иванов М.Д. Создание заданной перегрузки при помощи колебательных систем с постоянной восстанавливающей силой при наличии сил тяжести // XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики: сб. тр. в 4-х томах, 19-24 августа 2019 года. - Уфа, 2019. - С. 338-340.
  • Саттаров Р.Р., Алмаев М.А. К оценке эффективности электромеханических генераторов на основе виброударных колебательных систем // Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем: XVIII Международный Симпозиум, посвященный 100-летию со дня рождения д.т.н., проф. А.Е. Кобринского, 17-23 мая 2015 года. -Москва-Бекасово, 2015. - С. 272-279.
  • Саттаров Р.Р., Полихач Е.А., Крымов Б.С., Галиакберова Э.Ф. Оценка возможности использования энергии движения человека для электропитания маломощных электронных устройств // Современные проблемы науки и образования в техническом вузе: материалы II Международной научно-практической конференции, 25-27 июня 2015 года. - Стерлитамак, 2015. -С. 217-221.
  • Granstrom J., Feenstra J., Sodano H. A., Farinholt K. Energy harvesting from a backpack instrumented with piezoelectric shoulder straps // Smart Materials and Structures. - 2007. -Vol. 16, no 5. - P. 1810-1820. DOI: 10.1088/09641726/16/5/036
  • Green P.L., Papatheou E., Sims N.D. Energy harvesting from human motion: an evaluation of current nonlinear energy harvesting solutions // Journal of Physics: Conference Series. -2012. - Vol. 24, no 12. DOI: 10.1177/1045389X12473379
  • He L., Xiong C., Zhang Q., Chen W., Fu C., Lee K.-M. A backpack minimizing the vertical acceleration of the load improves the economy of human walking // IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. -2020. - Vol. 28, no 9. - P. 1994-2004. DOI: 10.1109/TNSRE.2020.3011974
  • Mitcheson P.D., Yeatman E.M., Rao G.K., Holmes A.S., Green T.C. Energy harvesting from human and machine motion for wireless electronic devices // Proceedings of the IEEE. - 2008. - Vol. 96, no 9. - P. 1457-1486. DOI: 10.1109/JPROC.2008.927494
  • Tech G., Paradiso J.A. Human generated power for mobile electronics // Low-Power Electronics Design. - 2004. DOI: 10.1201/9781420039559.ch45
  • Zotov A., Valeev A. Vibration isolating and impact protecting systems with quasi-zero stiffness providing wide operating area // Proceedings of the 5th International Conference on Industrial Engineering (ICIE 2019): Lecture Notes in Mechanical Engineering, 25-29 March 2019. - Sochi, 2019. -P. 299-307. - DOI 10.1007/978-3-030-22041-9 34
Еще