基于ANSYS Workbench 的外骨骼膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張萬青，葛文慶，王 瀅，趙彥峻

ZHANG Wan-qing, GE Wen-qing, WANG Ying, ZHAO Yan-jun

（山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，淄博 255000）

0 引言

穿戴式外骨骼是一種可以穿戴在人體身體外部的機(jī)械機(jī)構(gòu)，它可以給穿戴外骨骼的人提供支持，保護(hù)，增強(qiáng)其運(yùn)動(dòng)能力，還能夠在操作者的控制下完成一定的功能和任務(wù)。它能夠和人一起行走，并且承擔(dān)人背負(fù)的絕大部分的負(fù)重[1,2]。這種外骨骼依靠人的運(yùn)動(dòng)信息來控制機(jī)器人，通過機(jī)器人來完成僅靠人體自身能力無法淡定完成的運(yùn)行、負(fù)重等任務(wù)。該裝置可以讓使用者使用很少的力量便可以擔(dān)起相當(dāng)沉重的貨物，由于使用者不需要額外的消耗自身的能量便可以完成運(yùn)輸任務(wù)，大大提高了使用者的工作效率。穿戴式外骨骼的大腿，小腿和液壓缸組成一個(gè)三鉸點(diǎn)連桿機(jī)構(gòu)，是整個(gè)承載系統(tǒng)的核心，三鉸點(diǎn)連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，決定著液壓缸行程的長短和缸徑的大小，直接影響大腿和小腿的受力狀況[3]。

圖1 穿戴式外骨骼機(jī)器人

圖2 外骨骼膝關(guān)節(jié)有限元?jiǎng)澐帜Ｐ?/p>

1 建模

外骨骼機(jī)器人是一個(gè)比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，外骨骼康復(fù)機(jī)器人的動(dòng)力裝置主要是由大腿的液壓系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)力組成[4]，其中需要被優(yōu)化的模型如圖2所示，在SolidWorks中建立模型，并將模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中。

建立有限元模型時(shí)，所用的單元類型為SOLID187。其中大腿和小腿材料選用鋁合金（Aluminum Alloy）。其彈性模量E＝72GPa，泊松比U＝0.33，密度ρ=2270kg/m3。其他部分采用不銹鋼(Structral Steel)，彈性模量193Gpa，泊松比0.31，密度為7750 kg/m3。接觸面選用Bonded和No Separation，將實(shí)體轉(zhuǎn)化為有限元模型后，采用自由網(wǎng)格劃分，共含有48299個(gè)節(jié)點(diǎn)和26656個(gè)單元。

2 有限元分析

2.1 靜態(tài)分析

理想狀態(tài)下，人在穩(wěn)定豎直站立時(shí)，豎直方向的力由大腿通過小腿傳遞到地面，液壓缸不會(huì)承受豎直方向的力，但是本文設(shè)計(jì)的外骨骼機(jī)器人的三角鏈機(jī)構(gòu)大腿采用向外突出的機(jī)構(gòu)，這樣可以使液壓缸也能承受一定的力。

圖3 靜力狀態(tài)下應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D

圖4 前六階固有頻率下的振型圖

現(xiàn)將外骨骼機(jī)器人的下肢移動(dòng)到人體在靜止?fàn)顟B(tài)下的狀態(tài)并且大腿和液壓成平行時(shí)的典型工況進(jìn)行受力分析[5,6]，當(dāng)人背負(fù)200kg的重物時(shí)，在下肢的底部施加固定約束，在大腿的上部施加200kg的豎直向下的力，分析可以得知。在大腿和液壓缸的上部有最大的位移最大位移為0.283mm，在大腿上有最大的應(yīng)力，最大值為4.9Mpa，材料的屈服極限為195Mpa。遠(yuǎn)大于最大應(yīng)力值，由此可知，外骨骼機(jī)器人的三角鉸的最大位移和應(yīng)力完全滿足工作要求。

2.2 模態(tài)分析

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析，是產(chǎn)品研制中不可缺少的重要步驟[7,8]。通過對(duì)三角鉸鏈進(jìn)行了前六6階的模態(tài)分析，獲得了前六階固有頻率及振型，如圖4所示，從上往下，從左往右，依次為1階振動(dòng)、2階振動(dòng)、3階振動(dòng)、4階振動(dòng)、5階振動(dòng)、6階振動(dòng)。

三角鉸結(jié)構(gòu)的前6階固有頻率及振型，如圖表1所示。

表1 三角鉸結(jié)構(gòu)的前6階固有頻率及振型

通過結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析可知，外骨骼機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)滿足工作要求，靜力分配合理，但是通過模態(tài)分析可以看出，外骨骼的固有頻率比較低，在使用液壓驅(qū)動(dòng)的過程中很容易產(chǎn)生共振，需要對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，以提高外骨骼機(jī)器人的固有頻率。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析

由于外骨骼機(jī)器人的剛度主要有第一階固有頻率決定同時(shí)外骨骼機(jī)器人采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的脈動(dòng)頻率在50Hz左右，綜合考慮外骨骼機(jī)器人的設(shè)計(jì)及其可靠性可對(duì)外骨骼機(jī)器人的。固有頻率和振型是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有特征，而低階固有頻率，尤其是第一階固有頻率決定了結(jié)構(gòu)的剛度，第一階固有頻率越高，模態(tài)剛度越好，因此第一階固有頻率應(yīng)該盡可能高于工作頻率，避免發(fā)生共振現(xiàn)象，提高結(jié)構(gòu)的剛度。下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人是有液壓缸驅(qū)動(dòng)，液壓缸安裝在大腿內(nèi)側(cè)，當(dāng)液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)，由分析可知，外骨骼下肢的1階固有頻率為49.348Hz，低于固有頻率，所以會(huì)發(fā)生共振，這將會(huì)導(dǎo)致外骨骼機(jī)器人在走路時(shí)候與人體的運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)。這樣就嚴(yán)重影響了機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)性，因此有必要對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高其低階固有頻率，以免工作時(shí)發(fā)生共振。

選擇拓?fù)浞治鯯hape Optimization，將目標(biāo)參數(shù)設(shè)定為質(zhì)量減少40%，在承受固定載荷下，減輕材料的質(zhì)量為狀態(tài)變量，保證結(jié)構(gòu)剛度的最大的拓?fù)湫螤?，得到如圖5所示的優(yōu)化云。

圖5 外骨骼膝關(guān)節(jié)優(yōu)化云

由圖5可知，大腿部分存在較大的優(yōu)化空間，很大部分的質(zhì)量可以去除?？紤]到可以將大腿的實(shí)心結(jié)構(gòu)改為空心結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的大腿部分的剖視圖如圖6所示。

圖6 大腿結(jié)構(gòu)的截面視圖

優(yōu)化后的三角鉸結(jié)構(gòu)靜力學(xué)仿真如圖7所示， 變形量減小，最大應(yīng)力有微小的增加，三角鉸結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型圖如圖8所示，一階模態(tài)有了明顯的增加。

圖7 優(yōu)化后的變形圖和壓力最大值圖

圖8 優(yōu)化后的外骨骼膝關(guān)節(jié)的前六階模態(tài)

對(duì)比優(yōu)化后的三角鉸接進(jìn)行了靜力分析和模態(tài)分析，得到了其固有頻率，最大位移和最大應(yīng)力值，如表2所示。

表2 改進(jìn)后的方案與原方案特性比較

由優(yōu)化后的結(jié)果可知，一階模態(tài)提高到61.6Hz，最大位移和原方案相比減少了0.037mm，質(zhì)量減少了1.0346kg，同時(shí)最大應(yīng)力值較原方案相比增加了0.3MPa，增加量很小，仍滿足要求。優(yōu)化后的外骨骼的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能均得到了很大的改善，質(zhì)量也大大減輕。

4 結(jié)束語

通過對(duì)外骨骼膝關(guān)節(jié)的靜力學(xué)和模態(tài)分析，得到了外骨骼膝關(guān)節(jié)的機(jī)械特性。應(yīng)用ANSYS Workbench 的形狀優(yōu)化功能，對(duì)下肢外骨骼機(jī)器人的動(dòng)力裝置進(jìn)行優(yōu)化分析，通過對(duì)關(guān)鍵部分的優(yōu)化，改變其截面結(jié)構(gòu)，在滿足強(qiáng)度要求的前提下，減輕了質(zhì)量，并且提高了外骨骼機(jī)器人的低階固有頻率，提高了外骨骼機(jī)器人的動(dòng)態(tài)性能，有效的避免了外骨骼膝關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生共振，為以后外骨骼機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種高效可行的方法。

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