扭曲的主动冷却盘驱动器通过织物空气通道

1。介绍

每年,大约有62000加拿大人患中风(1)。建议的康复治疗中风患者接受至少45分钟每周5天,创造了高要求物理治疗师(2)。大量的康复是非常重要的,因为它已被证明,增加的时间完成理疗训练改善病人的能力独立完成日常生活活动(3)。增加获得康复的一种方法是创建便宜,便携式,可穿戴机器人系统,个人可以使用在家里和外面的诊所完成物理疗法练习。审查论文发现机器人治疗可以提供传统理疗的功效是一样的,和上肢功能改进机器人治疗完工时除了常规治疗,尤其是慢性中风患者(4,5)。机器人治疗有许多优点,如进度跟踪,实时反馈,减少医生工作量。

这些机器设备是不常见的由于其高昂的成本和有限的可移植性,这在一定程度上源于使用电动机作为主要的致动器(6- - - - - -8)。一个方法来减少成本和增加可穿戴机器人设备的可移植性是使用替代驱动器,如人造肌肉。人造肌肉有额外的优势的仿生和兼容,这样可以减少受伤的机会给用户。有几种类型的人造肌肉,如形状记忆合金(sma),气动人工肌肉(PAMs)和扭曲的螺旋传动装置(TCAs)。

sma热致动器,两个国家之间交替加热和冷却。它们可以形成人造肌肉与低电压需求和高power-to-mass比率。不幸的是,他们有大量的滞后,使得他们很难控制,和他们的循环寿命减少他们紧张的数量增加(9)。

PAMs被覆盖捏造一个内部气泡等编织网,当气泡膨胀,系统合同(10)。PAMs是有利的,因为他们是自然的,他们有一个高功率重量比,当空气压缩机将被忽略。他们的主要缺点是,它们需要驱动的空气压缩机,大声,重,经常i用户需要一个地方。最近,这些肌肉已经嵌入织物创建一个手套来帮助手指弯曲(11,12)。

最后,见面是一个有前途的致动器为可穿戴机器人设备由于其固有的合规,低调,简单和廉价的制造方法和线性驱动(13)。这些人造肌肉是由super-coiling镀银尼龙线,他们可以负重80 MPa。他们将收缩21%当电热和扩展在冷却。不幸的是,与被动冷却(0.03赫兹)的低带宽限制它们的有效性在设备设计用于康复(14)。增加潜在的见面会上,用于可穿戴机器人设备,他们需要减少冷却时间。

以前的工作表明,冷却时间显著受周围环境影响柠檬酸。常见的解决方案是外套柠檬酸在水凝胶中,围绕着水,或采用强制空气对流(15,16)。这些解决方案的水凝胶涂层增加了冷却速率最大,虽然涂层只持续了30驱动周期。相似的冷却率取得了强制对流的空气还有水,然而,当柠檬酸被水包围它需要大约两倍的输入功率达到10%的中风。

强制空气对流实现了运行电脑风扇附近见面或通过将在严格的塑料管和柠檬酸应用压缩空气。然而,这些解决方案是专门为实现软可穿戴机器人设备(16,17)。便携、可穿戴机器人系统有几个设计约束他们的应用程序所特有的。系统必须是轻量级的,最小的组件,用户必须能够把自己身体上的装置。此外,系统应该是灵活的,顺从的,最小化任何突起,以确保用户舒适和降低受伤的风险。

因此,本研究提出了一种新颖的冷却装置的见面会上,专门为软设计可穿戴机器人设备。它由一个织物通道的柠檬酸和微型气泵提供强制对流。然而,以前的工作对这个设计进行了模拟仿真和实验结果之间的差异表明,额外的实验工作是有价值的(18)。在这篇文章中,第二节概述了设计过程和最终设计新颖的冷却装置。第三节描述了实验装置、方法和结果的一个实验调查的影响改变通道的尺寸对柠檬酸的性能(第一阶段)。第四节文档的后续实验,完成比较的性能没有小说的柠檬酸和冷却装置(第二阶段)。最后,第五节讨论了研究的局限性,误差来源,和未来的工作。

2。通道设计

冷却装置的主要目的是增加柠檬酸的冷却速率,然而,它也应该促进TCAs到软可穿戴机器人设备的集成。达到这些目标,一些设计要求被认为是在开发的通道。首先,冷却装置必须是便携式和帮助保护用户的见面会上达成的温度(最高可达120${}^{\circ }$C)。接下来,冷却装置的质量和大小需要最小化,确保可穿戴设备尽可能不引人注目的。理想情况下,装置也将耐用,灵活,有弹性,透气,允许用户轻松穿它长时间。最后,任何负面影响的冷却装置对柠檬酸的行为(例如,减少中风),应尽可能最小化维持柠檬酸的功能。

2.1。冷却机制

同时考虑到上述目标,第一个决定是如何降低柠檬酸的冷却时间。这可能是通过添加柠檬酸的涂层表面增加其导热系数或通过改变环境柠檬酸所在。修改的柠檬酸添加一层是忽视作为初始解,因为涂料增加生产柠檬酸的复杂性和成本,他们不提供一个意味着将柠檬酸集成到一个可穿戴系统,也不会帮助保护用户免受高温见面。因此,柠檬酸的环境改变了封闭通道的柠檬酸和采用强制对流。

强制对流可以通过液体(例如水)或气体(如空气)。水和其他液体有更高的热导率与空气相比,这将大大减少冷却时间的柠檬酸。然而,液体冷却剂有很多缺点在考虑可穿戴设备。密度比空气和需要额外的硬件,如水库和阀门,导致显著的规模更大、更复杂的系统。此外,存在泄漏的风险,这可能降低用户舒适,和尼龙见面会上,将随时间吸收水分,降低他们的表现(14,19)。最后,高导热系数的液体会导致更高的权力要求的加热阶段柠檬酸(15)。这些缺点可以缓解周围积水的柠檬酸,然而这是无视作为一个潜在的解决方案,水的温度会逐渐增加与柠檬酸的长期使用,和类似的冷却时间可以获得与强制空气对流15)。强制空气对流的主要缺点是空气压缩机噪声,然而,低质量的优势,硬件,没有退化柠檬酸性能使它满足需求比液体系统。

空气流通主要有三个选择:粉丝,气泵,空气压缩机。空气压缩机是迅速丢弃的可能的解决方案,他们的大尺寸和质量限制的可移植性。表1显示一些商用微型气泵和粉丝。气泵比球迷能产生较高的空气压力,然而,粉丝们的优势是更轻、更小,比泵和生产更多的空气流。从选项中列出表1生产低噪音,粉丝们的额外好处15-36之间(dB)的泵相比(约55分贝)。背景干扰,正常的交谈的体积发生在大约60 dB (20.)。

虽然球迷将最优解由于他们的优势,与初步测试原型使用Sunon球迷mf20100v1 - 1000 u - a99证明他们的低压能力无法迫使空气通过设计解决方案。因此,泵被最大化的气流和压力选择功能同时最小化的高度和质量。从这个权衡,泽精密SP 16 RO-DV泵被选中,并在所有的实验中使用的泵在本文描述。

2.2。信道特性

下一步就是设计一个封闭的柠檬酸法灵活,容易融入可穿戴设备,并可以保护用户。这是决定创建一个织物通道,织物是灵活的,可以缝制到其他材料,包括绝缘和底层的衣服。通道的结构必须满足一些条件,以确保成功的设计。应该是灵活、耐用,并能承受温度高于120${}^{\circ }$c,理想情况下,材料能够稍微伸展和透气,确保用户的舒适,并能保持形状没有额外的支持,以减少制造的复杂性和成本。

两个常见的耐用的面料是紧密编织尼龙和聚酯,通常用于降落伞和风衣。虽然他们都有一个熔化温度高于220${}^{\circ }$C、尼龙被选中,因为尼龙线程动态摩擦系数较低,类似的静摩擦系数相比,聚酯(21)。尼龙6的动态摩擦系数低于涤纶7.6 -22.2%,和3.6%之间的静摩擦系数范围小,大,7.9%取决于环境。紧密编织尼龙6包布的厚度0.3毫米是来自三叉戟纺织品公司0.05毫米的材料是100%尼龙涂层ether-based热塑性聚氨酯(TPU)醚的一侧。创建渠道与醚涂层,外表面,因为它似乎有较高的摩擦,还有担心融化醚TPU。酯TPU被选中作为替代材料的熔化温度约145${}^{\circ }$C,可以略微伸展,在另一项研究中用来创建PAMs嵌入在可穿戴设备(12,22)。样品0.3毫米酯TPU塑料薄膜获得公司。初步原型证明材料都容易缝和能够维持他们的横截面的形状。确保他们能够承受的温度达到见面会上,举行了柠檬酸在材料约115${}^{\circ }$C 10分钟。没有可见的尼龙织物变形,然而,部分酯TPU融化了。因此,渠道选择的材料是尼龙包布。

材料被选中后,初步确定创建原型的横截面形状的通道。尼龙布料缝在四决定圆,一个半圆/椭圆,一个三角形和一个正方形(图1)。通道必须能够保持其形状,以确保有足够的空间,周围的空气流动造成的柠檬酸,没有额外的摩擦接触柠檬酸和通道之间的墙壁。它还应该回到形状如果变形确保通道的性能不会降低如果用户疙瘩肢体或折叠面料。圆是最简单的通道制造;然而,很容易压平,不返回它的形状,导致柠檬酸被掐的织物两面。三角形无法提供柠檬酸的气道保持开放的心态。而广场和半圆都有可接受的航空公司,可能很快回到他们的形状被夷为平地的时候,半圆是大大简化了生产。本文的其余部分,渠道设计和测试将半椭圆形的形状。主要设计参数将通道的宽度(椭圆)的水平直径和通道的高度(垂直半径椭圆)。

需要保持通道的尺寸尽可能小,以减少肢体的突出和设备上的空间,不透气,所选的材料是空气不透水。另外,如果高度或宽度比比另一个更大的,通道保持其形状的能力降低。最小的高度和宽度是由考虑柠檬酸的大小决定的。4-ply TCA的直径是1.6毫米,但是使用的褶的见面会上,有一个直径约3毫米。一些额外的空间所需的温度传感器和进气口。因此,最小的通道高度和宽度是4和6毫米,分别。

因为理想的高度和宽度的频道是未知的,一个实验(阶段1)调查的影响改变这些因素对柠檬酸的性能。三个高度和宽度的3倍的组合进行测试,以确定是否有影响的高度,宽度,或整个横截面积(CSA)的通道。试验和错误在不同大小的频道显示,有某种程度的方差的大小通道,即使同样的制造过程。因此,步骤是设置为2毫米大小,确保尺寸是不同的。渠道将被描述为width-by-height,即。,一个$6\times 4$通道宽度为6毫米和4毫米的高度。最后的通道大小,测试如下:$6\times 4$,$6\times 6$,$6\times 8$,$8\times 4$,$8\times 6$,$8\times 8$,$10\times 4$,$10\times 6$,$10\times 8$。通道尺寸保持尽可能小,以减少多少频道将突出,同时确保通道的大小之间存在明显的差异。

在实验开始之前,一个入口被设计用来连接通道,气泵,柠檬酸(图2)。它由两部分组成:一个小,核心内容把所有的组件和一块覆盖中央,简化了改变的大小进气通道的大小相匹配。在这个阶段,进口没有永久固定在通道便于检测通道与多个见面。相反,进口是故意创造了2毫米宽,0.5毫米比预期的高维度的通道,它是嵌入通道入口。创建的通道入口也比通道的身体容纳入口。

英吉利海峡制造过程中概述图3。不断创建频道,模板设计和印刷。初步实验表明,通道都更宽、短于所需的尺寸,因此故意创建的模板1毫米窄和0.5毫米高。的渠道是150毫米的长度,以适应见面会上,140毫米的长度。设置通道的长度是大约10毫米长于柠檬酸的加载长度,确保整个柠檬酸仍然覆盖,随着柠檬酸会略有蠕变期间使用。

最后,渠道本身没有足够的绝缘保护用户免受温度达到柠檬酸(最高可达120${}^{\circ }$C)。高温的痛阈之间已被证明是42${}^{\circ }$C到44.6${}^{\circ }$C (23,24),因此需要额外的绝缘让用户舒适。的主要参数选择绝缘导热系数时,因为这将决定多厚绝缘必须保护用户。为目的的其他属性被认为是一个可穿戴设备,诸如水吸收(以防用户汗)和密度。最初使用假肢的αSmartTemp衬管,材料是专门设计为用户在舒适与皮肤长时间接触。这个解决方案测试了柠檬酸在材料约110${}^{\circ }$C为5分钟。发现两个8毫米层被要求保持温度低于40${}^{\circ }$c .因此,替代选项了。

几种类型的绝缘被认为,选择矿棉由于其低导热系数和密度。样品的3毫米矿棉箔支持时从Insultech Inc .的箔一边绝缘被面对柠檬酸,3毫米绝缘足以保护用户从柠檬酸的温度。,集成在一个可穿戴设备,下面会有一个额外的层绝缘,绝缘将除了本身如果离开了。

总之,织物的总体设计频道中显示图4。通道可以固定在一个可穿戴设备通过缝纫一个潜在的服装,和通道内的柠檬酸可以自由移动。因此,通道可以提供一个意味着冷却柠檬酸和组装成系统的一种手段。柠檬酸的一端被固定在通道入口使用上面描述的入口段,和自由端耦合负载使用一个线程作为人工肌腱。灵活的电线也固定在自由端柠檬酸,柠檬酸的驱动使用电阻加热。

3所示。第一阶段:通道高度和宽度对柠檬酸的影响性能

3.1。第一阶段:方法

通道设计定稿后,通道高度和宽度的影响对柠檬酸的性能研究。这是通过驱动TCAs上述九频道大小:$6\times 4$,$6\times 6$,$6\times 8$,$8\times 4$,$8\times 6$,$8\times 8$,$10\times 4$,$10\times 6$,$10\times 8$。柠檬酸性能评估进行比较的冷却时间,加热时间,每个通道的柠檬酸和中风,这些指标往往用在评估性能的热致动器(15,16,25,26)。对于这个实验,冷却时间被定义为柠檬酸冷却的时间从100年${}^{\circ }$C到35${}^{\circ }$C;加热时间被定义为时间的热量的柠檬酸23${}^{\circ }$C - 100${}^{\circ }$C;和中风被定义为柠檬酸的最大位移之间的差异和立场后回到室温heating-cooling周期。冷却时间是停止了35岁${}^{\circ }$C因为初步实验发现温度的空气增加泵的输出,可以达到30.2${}^{\circ }$C。

使用的实验仪器数据采集显示图5。柠檬酸的绝缘是放置在平台和通道模拟可穿戴设备的建设。柠檬酸是附加到一个以前开发的模块,结合脉冲宽度调制电路,电流传感器(acs70331eesatr - 005 u3),和一个温度传感器为一个电路板(14)。电阻温度传感器探测器的组成一个40 AWG屏蔽铜线缠绕在柠檬酸,由于通道内的温度传感器必须能够适应不容易脱落,或妥协的能力内的柠檬酸移动通道(14)。温度传感器的固定端位于柠檬酸减少可能驱逐的运动传感器。柠檬酸的位移测量使用编码器(aeat - 6012 a06)的自由端固定一个字符串的柠檬酸和包装在一个滑轮连接到编码器。集螺丝是用来防止字符串之间的滑动,滑轮,轴。100 g质量是挂在绳子的另一端保持张力的柠檬酸。

见面都是使用以前开发的方法(14)。从VTechnicalTextiles Four-ply镀银尼龙线了(部件编号:260151023534)和165 g是超螺旋载荷。盘绕的线程被折叠在一半厚度,以防止松开和柠檬酸的两端卷曲防止柠檬酸磨损使用标准的终端褶从McMaster-Carr(部分ID: 69525 k47)。未经训练的柠檬酸的长度是85毫米,这是由拉伸人工肌肉训练4 - 5毫米,拿着它在位置和加热柠檬酸约3 W,直到它达到140${}^{\circ }$c,这个过程反复进行,直到柠檬酸是110毫米长(约30%),导致最后一个,卸载柠檬酸的长度138毫米,褶增加14 mm柠檬酸的两侧。

收集数据,柠檬酸是集中在一个通道,然后从23加热${}^{\circ }$C - 100${}^{\circ }$C平均2 W的力量。电力监管,确保加热时间可以对比样本,这是通过控制输入电压的工作周期(12 V)占柠檬酸的阻力的变化。柠檬酸的阻力计算使用$R=V/我$,在那里$R$柠檬酸的电阻,$V$是平均电压应用于柠檬酸,$我$平均电流通过柠檬酸。柠檬酸的温度达到100${}^{\circ }$C,柠檬酸的输入功率是停止,微型气泵是打开12 V。泵是留在直到柠檬酸达到35${}^{\circ }$C,此时柠檬酸是被动冷却至室温,和柠檬酸在室温下的位移记录下试验开始前。这个过程重复三次改变通道。总的来说,81年收集的数据点在每个通道的大小。占可变性在制造过程中,这些重复相同大小的均匀分在三个通道和三个见面。数据收集过程被柠檬酸,即。,一个llofthe data were collected with TCA 1 before using TCA 2 or TCA 3.

另外,热身过程完成后如果没有用于柠檬酸超过10分钟,就像发现加热循环加热temperature-displacement曲线是明显不同的,如果没有使用柠檬酸一夜之间,见图6。加热和冷却的热身过程包括柠檬酸23之间${}^{\circ }$C和100${}^{\circ }$C,直到23日的开始和结束位置之间的区别${}^{\circ }$C小于0.25毫米。这花了2 - 4周期,根据被柠檬酸以来持续多久。

3.2。第一阶段:结果

后收集的数据,进行统计分析的三个参数(冷却时间、加热时间和中风)来确定通道的大小有差异。首先,进行评估,以确定如果有异常值的数据计算studentized残差和确定任何残差大于$\pm$3所示。尽管冷却时间数据有5个异常值,它是不可能把他们从分析,没有明显变化的原因。加热时间的数据有一个例外,这是移除,因为在不久的审判之后,电源线坏了,因此很可能电源线已经部分坏掉了。中风数据没有异常值。然后,正常的数据评估使用的标准化残差Kolmogorov-Smirnov测试,随着样本容量大于50。弗里德曼没有数据是正态分布的,因此测试来确定执行渠道之间的差异。弗里德曼表示,测试通道尺寸的结果在所有三个参数有很大的影响,$p<0.001$。事后测试使用Wilcoxon测试执行和36的Bonferroni校正因子应用于pvalues占积累误差从多个比较,为36对每个参数进行了比较。应用乘以校正因子$p$价值36岁,仍允许意义阈值为0.05。的$p$值是那些报道后校正因子应用和获得$p$值的比较报告表S1。

首先,数据进行了分析,以确定哪些渠道导致柠檬酸性能最好的。理想情况下,一个频道会最低的冷却和加热时间和最高的中风,但是,最好的通道被定义为一个平衡这三个参数。最好的通道不能简单地是一个最低的冷却时间也大大增加加热时间或减少中风,因为这将对可穿戴设备带来负面影响。显著增加加热时间表明,通道使柠檬酸效率较低,这将产生负面影响可穿戴设备的电池寿命。同样,柠檬酸的降低中风对设备的性能造成负面影响,要么会有较低的可实现的范围的运动,或更长的柠檬酸必须获得最初的中风。

总结了每个参数的描述性统计表2。为了说明,图7 a, C, E图数据对增加横截面积(CSA),统计上的显著差异$10\times 8$通道标志。可以看出,冷却时间,$10\times 8$统计不同于所有的渠道除了吗$8\times 8$($11.42\pm 1.33$vs。$12.02\pm 1.91$年代,$p=0.051$),加热时间,$10\times 8$是明显不同于所有的渠道除了吗$10\times 6$($4.88\pm 0.3$vs。$4.98\pm 0.45$年代,$p=1$)。此外,之间没有统计上的显著差异的中风$10\times 8$和任何通道高度大于4毫米。因此,可以得出结论,4-ply TCA,大小的最佳通道出现在这个实验$10\times 8$,因为这通道之间有一个良好的平衡冷却时间和加热时间,和其他类似中风的大小。而冷却时间$10\times 8$没有统计上的不同$8\times 8$,$8\times 8$有一个统计上更高的加热时间。同样,加热时间$10\times 8$不是不同的$10\times 6$然而,冷却时间$10\times 6$较高。

接下来,宽度和高度的影响对柠檬酸性能检查。帮助可视化数据中是否有趋势高度或宽度的基础上,对这些参数的数据绘制图7 b, D, F。

3.2.1之上。冷却时间

图7 b说明的影响改变通道的宽度和高度在每个级别的高度和宽度是不同的。弗里德曼这些简单的主要影响进行了测试使用额外的测试,这表示,在每个宽度(高度有很大的影响$p<0.001$三)的高度和宽度有显著影响4和8毫米($p<0.001$)。6毫米的宽度,高度的影响不显著($p=0.391$)。

宽度,高度的渠道4毫米(蓝色的点)最高冷却时间。当高度增加到6毫米(红点),有一个显著的减少冷却时间($p<0.001$对于所有宽度)。额外的高度增加到8毫米(黄点)导致平均冷却时间进一步减少(10毫米宽度,$p<0.001$),剩下的差不多的(8毫米宽度,$p=1$),或增加(6毫米宽度,$p<0.001$)。之间没有显著差异$6\times 4$和$6\times 8$($p=0.648$)。

在分析宽度对冷却时间的影响,有一个平均冷却时间随着宽度的增加下降4和8毫米高度。在4毫米(蓝线),减少冷却时间很重要当宽度增加从8到10毫米($p=0.004$),然而它不是重要的6 - 8毫米的宽度($p=0.468$)。相反的效果是观察到8毫米高度(黄线)- - -增加宽度是重要的6 - 8毫米($p<0.001$),但这不是重要的8 - 10毫米($p=0.051$)。

如果数据被视为平均冷却时间的函数CSA,有轻微下降的趋势随着CSA的增加,的皮尔森相关系数$-$0.739和斜率$-$0.071 s /毫米${}^2$。有趣的是,$6\times 8$和$8\times 6$渠道有相同的CSA,因此他们之间的巨大差异意味着冷却时间($14.45\pm 3.08$vs。$11.98\pm 1.93$年代,$p<0.001$)强调,通道的尺寸很重要,不仅整体CSA。

3.2.2。加热时间

同样,柠檬酸的加热时间略有下降的斜率随着通道CSA的增加$-$0.012 s /毫米${}^2$。对于这个参数,皮尔森相关系数$-$0.884。加热时间之间的差异$6\times 8$和$8\times 6$($5.27\pm 0.49$vs。$5.10\pm 0.31$年代,$p=0.008$)表明,高度和宽度对加热时间的影响,并说明这些趋势图7 d。

简单主效应分析的加热时间,增加频道没有影响的高度宽度6毫米时($p=0.177$),但有一个效应在8 - 10毫米的宽度($p<0.001$两个)。事后测试表明,这种效应只有当高度从4毫米(蓝色的点)增加到6毫米(红点)$p<0.001$。没有显著差异的高度进一步加热时间增加到8毫米(黄点)。

同样,宽度的影响不显著的高度(4毫米$p=0.916$),然而,增加生产的宽度明显降低平均加热时间在6毫米的高度($p=0.006$)和8毫米($p<0.001$)。6毫米的高度(红线),增加宽度的影响仅仅是重要的6 - 10毫米($p=0.003$)。然而,在8毫米的高度(黄线),宽度的影响是重要的两步增加,$p=0.006$6到8毫米,$p=0.002$为8到10毫米。

3.2.3。中风

最后一个参数,分析了柠檬酸的中风。再次,简单的主要影响是使用弗里德曼测试和评估趋势所示图7 f。在所有三个宽度的影响高度显著($p<0.001$在所有三个),宽度的影响是显著的高度(4毫米$p<0.001$)。事后分析显示,高度的影响只是显著增加从4毫米(蓝色点)到6毫米(红点)$p<0.001$在所有三个宽度。没有显著影响中风高度时进一步增加到8毫米。同样,宽度4毫米的高度的影响(蓝线)时才显著增加宽度从6到8毫米($p<0.001$)。因此,看来频道维度没有显著影响中风的柠檬酸,提供通道高度大于4毫米。

3.3。第一阶段:讨论

这个实验表明,柠檬酸性能不同高度和宽度的通道发生了变化。见图7,有一个轻微的下降意味着冷却时间的CSA渠道增加,然而这种减少是受到通道的尺寸的影响。减少冷却时间的柠檬酸,柠檬酸的表面之间的热阻和环境需要降低。热阻的方程对流冷却,$R_{conv}$是显示在方程1,在那里$h$对流换热系数和吗${\mathrm{一个}}_{TC\mathrm{一个}}$柠檬酸的表面积是暴露在强制对流(27)。对于给定的柠檬酸,表面积是固定的,从而降低热阻,$h$必须增加。

对流传热系数在很大程度上依赖于硬件的几何形状。同心圆筒,有复杂的关系$h$和气缸的直径(27)。这是假设之间的关系$h$和通道的尺寸将会更加复杂,由于half-elliptical形状和柠檬酸的偏心位置。然而,对于同心圆柱体,$h$正比于液体的输入速度。它假定一个类似的关系发生通道冷却时间将减少作为输入气流速度增加。

流体也严重依赖几何,和圆管层流的流动阻力,$R_{flow}$可以使用Pousuille定律预测,所示方程2。在这里$\eta$液体的粘度,$l$管的长度,$r$管的半径(28)。而这个方程不能直接应用于渠道,流阻降低的理解随着管半径的增加被认为是适用的。

流阻将直接影响管道的流体流动,对于一个完全发达水平管内层流流动,$问$流动阻力成反比,和直接管的压力梯度成正比,$\mathrm{\Delta }P$,如方程3(28)。也知道,泵,之间存在反比关系所需的压力和流量,泵的输出。因此,鉴于微型泵的压力的能力有限,它假定随着通道尺寸的增加,冷却时间减少,因为低流阻允许泵提供一个更高的流量。这种关系不是线性的,流阻,空气速度,热阻取决于特定几何形状的通道。未来的工作应进一步调查和量化这种关系来帮助优化通道尺寸为各种应用程序。

的具体高度和宽度的作用渠道对柠檬酸的冷却时间的对比突出显示$6\times 8$和$8\times 6$频道。尽管CSA是差不多的,冷却时间$6\times 8$高和是一样的吗$6\times 4$。这可能部分解释了通过观察通道本身。的$6\times 8$通道是唯一的大小高度大于宽度,并注意到通道的两侧有租赁略有洞穴,如图所示图8。这将减少有效的CSA的渠道,增加空气阻力,提高柠檬酸的机会来接触通道墙壁。因此,建议通道高度应该相同或低于通道宽度。

通道的几何形状也影响了柠檬酸的加热时间。与冷却阶段,加热阶段热阻越大越好,因为这将减少热损失对环境,减少加热时间。所示图7 c、加热时间减少为CSA增加,可能的解释是,额外的停滞的空气大渠道作为更好的绝缘和环境允许更少的热量损失。这是符合结果发现当见面在硬质塑料加热管;随着管直径的增加,加热时间常数减少(17)。

明显例外这一趋势通道有4毫米高没有加热时间之间的差异$6\times 4$,$8\times 4$,$10\times 4$频道。一个可能的解释是,由于低高度,柠檬酸是接触的渠道,因此有热损失通过通道周围的环境。这些渠道也有最低的中风,支持柠檬酸的预测是在接触通道在4毫米的高度为中风可以减少由于增加额外的摩擦接触通道墙壁。的$6\times 4$通道有一个降低中风$8\times 4$和$10\times 4$,这可能是由于额外的联系通道。

见图7 f(红色和黄色线)之间的中风是相同的频道6和8毫米的高度。这可以解释为柠檬酸一旦不再接触的渠道,就没有额外的摩擦力。唯一显著差异之间发生$6\times 6$和$8\times 8$($8.14\pm 0.64$毫米vs。$8.42\pm 0.80$毫米,$p<0.001$)。目前尚不清楚为什么会发生这种情况,因为没有区别的加热时间和冷却时间这两个频道。

4所示。第二阶段:织物通道对柠檬酸的影响性能

4.1。第二阶段:方法

在第一阶段结束,通道高度和宽度影响柠檬酸的性能,以及4-ply柠檬酸,大小的测试是最好的$10\times 8$通道。额外的评估完成后比较柠檬酸的性能与织物的通道来确定功效冷却通道的柠檬酸及其对柠檬酸的影响性能。为此,柠檬酸相比性能将在以下四种情况下:(1)主动冷却通道,(2)主动冷却通道(当前的),(3)被动冷却通道,和(4)被动冷却通道(基本操作)。

这个实验已经完成第一阶段使用相同的设备,所描述的3.1节。实验过程也非常相似,第一阶段,然而两个变化是更符合见面和渠道如何在实践中使用。第一个变化是减少从100年最高温度${}^{\circ }$C - 85${}^{\circ }$C, temperature-displacement曲线始终被夷为平地在85左右${}^{\circ }$c。这可能是由于线圈的柠檬酸彼此接触,防止进一步收缩。第二个变化是立即开始下一个heating-cooling周期一旦柠檬酸达到35${}^{\circ }$c .因此,实验过程由以下步骤:(1)柠檬酸被加热到85${}^{\circ }$C,没有任何主动冷却;(2)柠檬酸是冷却到35${}^{\circ }$C,有或没有主动冷却(根据情况);(3)步骤(1)和(2)重复连续5次;和(4)数据从第一个重复被丢弃的柠檬酸从室温加热,而不是35${}^{\circ }$c .对于每个案例,收集96重复,是平分秋色中四见面会上,适用的地方,在三个$10\times 8$渠道(此句的使用在第一阶段),考虑到制造过程的可变性。每个柠檬酸病例的顺序是随机的,和数据被封锁,这样所有的数据收集在一个柠檬酸之前移动到下一个。

评估柠檬酸性能、冷却时间、加热时间、中风和最大滞后之间的记录和比较情况。对于这个实验,冷却时间被定义为所花费的时间从85年柠檬酸降温${}^{\circ }$C到35${}^{\circ }$C;加热时间被定义为时间的热量从35的柠檬酸${}^{\circ }$C - 85${}^{\circ }$C;中风被定义为最大位移之间的差异和柠檬酸35岁的位置${}^{\circ }$C末端的冷却阶段;和最大滞后被定义为最大的区别柠檬酸加热和冷却曲线之间的位置。磁滞量的计算通过计算之间的绝对差异柠檬酸在每个点的位置的加热曲线和等价点(最接近的温度)的冷却曲线。最大的区别是记录和除以中风试验,来表达的最大滞后百分之一中风。比较滞后百分之一的中风减少的可能性显著差异之间的滞后量情况下存在完全是因为不同柠檬酸中风。

4.2。第二阶段:结果

四个参数显示在的描述性统计表3。数据收集后,他们检查离群值使用studentized剩余工资。没有异常值的冷却时间,加热时间,或中风数据。有两个异常值出现在滞后的数据,但是他们的分析没有明显变化的原因。然后,数据的正常评估使用Kolmogorov-Smirnov测试标准化残差。再次,数据不是正态分布,因此弗里德曼测试来决定是否进行一个统计上的显著差异存在于数据。弗里德曼的测试显示,为每个参数有显著差异存在,$p<0.001$冷却时间、加热时间和中风$p=0.041$磁滞。事后测试完成后使用Wilcoxon测试和Bonferroni校正因子应用到6$p$值以同样的方式作为第一阶段占多重比较。的调整$p$值都比较介绍表S2。

图9情节在这个实验中获得的数据与案例1显著的统计上的显著差异。有趣的是,案例1是明显不同于所有其他情况下冷却时间,加热时间,和中风$p<0.001$所有的比较。相反,之间没有显著差异的滞后量出现在案例1和其他情况下($p=1$,$p=0.120$,$p=0.180$相比,2例、3和4,然而案例1)大约两倍的标准偏差。

这些数据说明柠檬酸的通道成功地减少了冷却时间,然而这发生在一个中风的增加加热时间和减少成本。当冷却时间相比,基本操作(例4,没有与被动冷却通道),冷却装置(冷却时间平均减少了42%$21.71\pm 1.24$年代$12.54\pm 2.31$年代,$p<0.001$)。冷却时间也比性能在一个没有活跃的通道冷却(例3)模拟冷却时间在可穿戴设备如果主动冷却不工作。在这种情况下,主动冷却的冷却时间减少了约64% ($34.92\pm 1.48$年代$12.54\pm 2.31$年代,$p<0.001$)。最后,完成研究,冷却时间的柠檬酸与主动冷却通道(案例1)相比的当前状态的艺术:主动冷却通道(例2)。不幸的是,例1的冷却时间是比情况下的冷却时间2 ($12.54\pm 2.31$vs。$8.57\pm 0.71$年代,$p<0.001$然而情况2),并不是可行的可穿戴设备暴露的柠檬酸燃烧用户或可能成为环境中的对象。案例2的冷却时间接近,可能获得进一步改善通道设计。

在理想的情况下,改善通道也将允许柠檬酸加热时间和中风更接近的值没有渠道获得的。令人惊讶的是,柠檬酸的加热时间增加的渠道,然而这种差异比较例1和2之间small-approximately 4%,或9%情况下1和4之间。更大的缺点是降低中风,增加引起的通道之间减少了大约19%的中风例2和例1 ($4.66\pm 0.37$毫米vs。$3.76\pm 0.7$7毫米,$p<0.001$)。有趣的是,被动冷却的情况下获得更高的中风,即使该频道。与被动冷却通道减少中风的3.5% ($5.40\pm 0.44$毫米vs。$5.21\pm 0.35$毫米,$p=0.004$)。

4.3。第二阶段:讨论

意料之中的是,两种情况下被动冷却冷却时间较长,和案例3(频道)最大的冷却时间。3,会有最小的空气循环,和空气本身也必须很酷,因为它将温暖加热阶段的结束。相反,在其他情况下有一些空气循环方式,无论是从泵主动冷却时纳入病例1和2,或自然循环热柠檬酸接触的环境情况下2和4。这是假设案例2的冷却时间是低于案例1由于缺少通道允许常数自然对流(特别是在加热阶段)从泵除了强制对流。自然对流会提供一个优势,被加热的空气在加热阶段柠檬酸可以立即离开,而不是被困的通道,减少周围的温度。此外,第二种情况可能有更高的空气流量比情况下,因为没有添加流阻的通道。

也有可能有额外的空气流通,以防由于夹杂空气2。夹杂空气环境中的空气被拉的现象(携入的)沿着气流由于压力梯度,从而增加总气流。夹杂空气通道时使用,可以预防等进口是大小的通道是密封的。因此,未来的工作可以调查改善通道设计不密封的入口通道,允许夹杂空气,或通过添加小洞的通道,允许自然对流。

这些修改可能足以减少加热时间与一个通道是没有通道,是小于10%的差异。增加加热时间的通道是意想不到的,因为它是预测,通道内的空气停滞将作为绝缘材料在加热阶段和允许加热时间减少,自然对流不会发生同样的程度。然而,加热时间的差异可能发生从冷却的活跃,没有通道。平均加热时间的差异和不活跃的冷却与频道0.24秒和0.15秒没有通道。相比之下,平均加热时间的差异和没有频道0.15年代活跃被动冷却的冷却和0.06秒。

当加热时间的差异与频道现在很小,英吉利海峡和柠檬酸的主动冷却大大降低中风。这可能源于结合附加摩擦(例2)相比,和更短的冷却时间(例3)相比,较短的冷却时间会影响中风,初步实验发现,柠檬酸,加载时,倾向于慢慢蠕变。因此,被动冷却的情况下达到较高的中风柠檬酸有更多的时间延长,而且它是预测,这是中风的原因3是类似的案件,尽管的通道。另一方面,案例2的中风是小于3和4,随着柠檬酸没有时间蠕变。

尽管减少中风,没有显著差异的滞后情况下1和2之间。也没有显著差异之间的滞后情况下3和4 ($p=0.648$),表明添加频道不增加滞后系统中存在。然而,例1的标准差约两倍标准差比其他情况下,这表明柠檬酸的行为可能是更难预测和模型,如有更多的变化。有趣的是,大多数样本的最大35 - 40间发生的滞后${}^{\circ }$C,见图10。一个可能的解释是,当打开电源时,温度的突然增加导致快速收缩,然而当冷却,逐渐进展发生在同一位置更多。这可能是相关的传热率,最后冷却周期,降低传热温差导致减少。

最后,简要对比的结果$10\times 8$从一期和二期冷却通道与活跃。正如所料,平均第一阶段的加热时间和中风是高于第二阶段($4.88\pm 0.30$vs。$3.76\pm 0.71$年代,$8.32\pm 0.80$毫米vs。$3.89\pm 0.77$分别为毫米),23 - 100温度范围${}^{\circ }$C,而35 - 85${}^{\circ }$c .更大的温度范围要求额外的时间热柠檬酸和柠檬酸的进一步萎缩。令人惊讶的是,第一阶段的平均冷却时间小于平均二期冷却时间($11.42\pm 1.33$vs。$12.54\pm 2.31$,尽管大温度范围(100 - 35${}^{\circ }$我和85 - 35 C阶段${}^{\circ }$二期C)。这种差异可以通过考虑不同的见面会上,用于两个不同的实验,并且每个柠檬酸有自己的范围的冷却时间。具体来说,平均冷却时间阶段中使用的三个见面会上,我是12.79,10.07,和11.4 s,而四见面的平均冷却时间用于二期分别为12.00,9.91,12.4和15.86。自从上次柠檬酸用于二期较长的冷却时间比其他的见面会上,整体平均冷却时间二期长于阶段即柠檬酸变化性能发生由于其制造参数,如线圈的数量增加了制造在曲折的阶段(13,29日),这些变化导致的差异当比较实验结果,不同的见面。此外,在早春第一阶段已经完成,第二阶段是在夏季中期完成,因此平均环境温度和房间湿度高。

5。误差的来源、研究的局限性和未来的工作

介绍了织物的设计频道协助见面会上,融入软可穿戴机器人设备。虽然有几个优势通道设计和冷却装置,如它的灵活性和可移植性,有一些局限性的设计应该提到。

这种设计的主要缺点是,气泵不是沉默的致动器,并在使用过程中产生噪音。谈话的体积的方法,一些用户可能会发现难以忽视。这一点尤其关心应用程序在中风康复,许多病人都是上了年纪的老人,对环境噪声可能更敏感。这个问题可以克服继续调查其他循环空气。可能是一个更大的风扇可以克服信道的流动阻力,达到相同的空气流量,低噪音。另外,泵可能包围隔音岩棉或玻璃纤维等。

另一个循环空气的手段也会有利,如果气压或空气流可能会增加,在不牺牲系统的可移植性。增加空气流动使柠檬酸的冷却时间会进一步降低,并增加空气压力将确保这个设计可以对长时间见面会上,要求工作渠道。也不确定所选的微型气泵能适应长渠道,因为它可能不足以克服气流阻力增加。未来的工作应该调查渠道之间的关系维度和气流与泵选择援助。

第一阶段确定通道的最佳尺寸,这些测试,4-ply TCA是10毫米的宽度和高度8毫米($10\times 8$),这是最大的通道。有可能增加通道的大小可能会进一步提高柠檬酸的性能(即。,减少冷却时间);然而,增加高度超出8毫米会导致系统伸出太多从用户的肢体,并增加宽度超过10毫米会减少渠道的最大数量,可以放置在接触肢体使用多个见面时。也可能是理想的通道大小会改变取决于柠檬酸;例如,2-ply TCAs 4-ply TCAs相比小得多,最优通道尺寸对他们来说可能是一个小通道的大小。

有一些错误的来源出现在一期和二期实验。例如,它是更加困难的地方见面会上的一些渠道(特别是4毫米的高度),导致试验之间的额外的停机时间。因为它是未知的柠檬酸行为变化的速度不使用时,方差量第一重复每个通道的变化。这不是关心二期,因为最大的通道,因此很容易将柠檬酸的通道。

其他来源的变异结果来自不同的见面会上,和渠道由于加工工艺性和放置柠檬酸的通道。柠檬酸观察到,一次是在一个通道,参数是相当一致的。然而,如果柠檬酸取出来放在同一个通道参数的值明显不同。这表明,柠檬酸的位置在渠道是至关重要的,并且是一个源的变化结果。当前通道设计的一个限制是没有办法保证一致的位置,然而,如果这个设计是实现一个可穿戴设备,柠檬酸不会反复移除和替换的通道。未来的工作可以设计一种方法确保柠檬酸为中心的渠道,比如添加一个指南。

另一个小的误差来源源于室温变化的数据收集。房间温度变化在21.2 - -23.5之间${}^{\circ }$C(平均为21.8${}^{\circ }$在第一阶段和22.2 - -23.1 C)${}^{\circ }$C(平均为22.6${}^{\circ }$在二期C)。这影响结果环境室温影响空气的温度被通过英吉利海峡和柠檬酸和环境之间的传热速率。

最后,当收集数据,这是注意到柠檬酸的温度继续增加3 - 7${}^{\circ }$C /柠檬酸后0.3 - -0.6年代的权力。因为这种效应时没有被观察到柠檬酸的温度测量使用热感摄像机,一个可能的解释是不完整的温度传感器和柠檬酸之间的联系,导致它们之间的传热慢,因此推迟温度传感器读数。这可能是纠正,确保完成接触柠檬酸和温度传感器通过使用热糊,然而,未来的工作应该执行更验证温度传感器。

6。结论

本文介绍了织物的设计和制造过程通道的住房和冷却可穿戴机器人设备上见面。面料、尼龙包与TPU涂层布,是轻量级的,容易缝合。柠檬酸可以放置在通道和空气可以使用微型气泵吹在柠檬酸。

渠道设计的主要因素会影响柠檬酸是通道的冷却时间维度。因此,完成了一个实验来确定影响改变通道的高度和宽度对柠檬酸的性能。9通道尺寸进行了高度的4,6,8毫米,宽度6、8、10毫米。总的来说,柠檬酸的平均冷却时间和加热时间随着通道尺寸的增加而减少。柠檬酸的中风没有明显改变了通道大小,提供通道的高度大于4毫米。通道4毫米的高度一般表现最糟糕的,这是推测,这是由于接触柠檬酸和通道墙壁由于规模较小。是最好的渠道$10\times 8$频道,因为它有一个低冷却和加热时间,和一个类似中风的其他渠道。

的$10\times 8$通道是在第二个实验中,利用柠檬酸在通道的性能相比,柠檬酸外的通道的性能。最好的柠檬酸与活跃的冷却性能发生没有通道,然而这不是一个实际的设置为可穿戴设备暴露的柠檬酸可以把用户,被逮到一个对象,或成为损坏。有明显降低(42%)在被动冷却冷却时间没有一个通道和活跃的冷却通道($21.71\pm 1.24$年代和$12.54\pm 2.31$年代)。

未来的工作应该调查的手段改善通道设计,如修改入口,测试其他材料,增加孔,或进一步增加维度。此外,其他截面形状可以调查的刚性支持,确保渠道仍然是开放的。未来的工作还应核实易于集成通道的可穿戴设备。

数据可用性声明

原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。

作者的贡献

ALT的初始想法织物通道的冷却见面会上,监督项目,并编辑了手稿。基地设计和制造的渠道,搜集和分析实验数据,写了初稿的手稿。所有作者的文章和批准提交的版本。

资金

这部分工作是支持自然科学和工程研究理事会(NSERC)加拿大格兰特rgpin - 2020 - 05648;加拿大创新基金会(CFI)和安大略研究基金(ORF),由加拿大研究合作项目和奖学金授予a Lizotte NSERC,安大略研究生奖学金,跨学科的培训从骨骼和关节研究所西方奖。

确认

作者要感谢布兰登·埃德蒙兹硬件发展做出的贡献。他设计的电路板和温度传感器用于控制从见面并收集数据。作者还想承认其他成员的成员WearME实验室的支持。

的利益冲突

临时专利申请织物通道技术是2022年提出的。没有其他的商业或财务关系,可以构造成一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

补充材料

本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/fresc.2022.1016355/full补充材料。

引用