足部矫形与压电式能量俘获集成系统的设计与实验研究

作     者：李明阳 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王旭鹏

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：足压 足部矫形器 有限元法 装置设计 能量收集 

摘      要：足是人体重要组成部分,与人体的生命健康密切相关。通过矫形器定制可以很好的解决足部的一些问题,但流程复杂且高成本的功能性鞋垫定制流程让人望而却步。同时,已经有部分3D打印矫形器进入了临床试用或形成产品进入了市场,展现了良好的发展前景。相对于传统的矫形器制作方法,3D打印技术可以有效简化制作流程,提升整体性能,是未来矫形器制备的主流发展方向。随着信息化社会的进一步深入,矫形器也将会向智能化发展,比如加入传感器,据此评估用户的使用情况及健康状况,此类传感器可以使用人体产生的能量进行自供电。本文尝试利用仿真分析技术代替传统的定制流程,通过建立足-矫形器-地面耦合模型,选择三种3D打印矫形器常用的材料,通过数值模拟获取人体足底压力情况,并通过有限元仿真对矫形器的效果进行提前预估,并与后期的实验结果进行比对,验证前期设计的合理性,同时对足部能量俘获装置进行设计,该装置可放置于鞋跟处,将人体行走的机械能转化为电能,进而取代电池,实现对电子产品如智能可穿戴设备、智能监测设备等的自供电。本文的研究内容如下:(1)矫形器参数化设计。借助逆向工程手段,建立患者的完整足部模型,依据医学定义的足弓区域分类,利用Geomagic、Rhino、Matlab及Solid Works软件提取患者足弓区域点云模型,以优化足底受力为设计标准,使用NURBS曲线、曲面对模型进行进一步重构,根据足弓最适高度,对矫形器厚度进行适当补偿,使用建模软件将曲面修改为全脚掌矫形器实体模型,后续可以依据此模型进一步建立有限元模型;(2)足部能量俘获装置设计。对所使用的单张压电晶片所组成的压电悬臂建立了数学模型,分析该数学模型对单张压电晶片在本课题中合理的尺寸参数,确定激励方案;在机械机构的设计上,将行走时足部的位移转换为往复圆周运动,将整段大数值位移通过激励齿轮分解为小段位移,齿轮的齿拨动压电悬臂梁,进而对悬臂梁结构进行连续激励,达到将机械振动转化为电能的目的;(3)分析材料对矫形器功能的影响。建立了足-矫形器-地面复合有限元模型,并利用该模型分析人体双脚站立时的状态,佩戴不同材质的矫形器时矫形器的等效应力变化,以反映材质对矫形器舒适度的影响;同时通过基于足底压力分布的舒适度函数计算不同材质矫形器的足部舒适值,与仿真分析结果进行比较验证。(4)系统功能与实验验证。基于足压与步姿实验所得足底压力与步态相关数据,分析穿戴不同材质矫形器前后数据变化规律,参考受试者主观评价,验证矫形器设计的合理性和有效性;在压电俘能装置的实验方面,完成压电俘能装置的制作并测试装置的开路输出电压,验证能量俘获装置的功能性。