李美成，陳岱民

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022;2.長(zhǎng)春大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

基于ANSYS Workbench的穿戴式外骨骼髖關(guān)節(jié)橫梁優(yōu)化設(shè)計(jì)

李美成1，陳岱民2

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022;2.長(zhǎng)春大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

應(yīng)用擬人設(shè)計(jì)方法構(gòu)建穿戴式外骨骼模型，對(duì)其關(guān)鍵部件髖關(guān)節(jié)橫梁進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化和目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化，減輕了髖關(guān)節(jié)橫梁的重量，使其結(jié)構(gòu)合理、穿戴舒適，為進(jìn)一步研究穿戴式下肢外骨骼奠定基礎(chǔ)。

ANSYS Workbench;靜力結(jié)構(gòu)分析;優(yōu)化設(shè)計(jì);外骨骼

0 引言

外骨骼是一種可穿戴在下肢外部的行走助力機(jī)械裝置(亦稱穿戴式外骨骼)，涉及到機(jī)械、仿生、傳感、控制和信息處理等多項(xiàng)技術(shù)。外骨骼主要是通過(guò)模擬人體下肢骨骼系統(tǒng)，仿照下肢行走步態(tài)來(lái)設(shè)計(jì)，裝備人體下肢的外骨骼助力系統(tǒng)，對(duì)下肢障礙者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練［1］。可穿戴式外骨骼的研究最早出現(xiàn)于美國(guó)，其次是日本。國(guó)外穿戴式外骨骼代表是美國(guó)的BLEEX(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton)、日本的HAL(Hybrid Assistive Leg)和新西蘭一家生物技術(shù)公司研發(fā)的雷克斯(Rex)(Robotic Exoskeleton)外骨骼機(jī)器人。國(guó)內(nèi)的浙江大學(xué)、中科院合肥智能所都研制出了可穿戴式步行助力機(jī)器人原型樣機(jī)［2］。在國(guó)內(nèi)外穿戴式外骨骼的研究中都存在以下不足:

(1)尺寸不可調(diào)，不能廣泛適用于各類型患者;

(2)主動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)為氣缸驅(qū)動(dòng)，由于氣缸的行程長(zhǎng)度影響外骨骼關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍，下肢得不到高效、充分的康復(fù)訓(xùn)練;

(3)下肢外骨骼自由度都有所精簡(jiǎn)，外骨骼運(yùn)動(dòng)只能在二維平面能運(yùn)動(dòng)。

本文采用擬人設(shè)計(jì)法研究設(shè)計(jì)了新型外骨骼，該外骨骼尺寸可調(diào)、電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)、下肢自由度數(shù)與人體相同，此外骨骼能對(duì)下肢能進(jìn)行全方位、高效、充分、立體的康復(fù)訓(xùn)練。外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否決定了整個(gè)外骨骼性能的優(yōu)劣，在穿戴式外骨骼結(jié)構(gòu)中，髖關(guān)節(jié)起著連接左右下肢和支撐腰部的作用，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)具有極大的實(shí)用意義。

1 建立穿戴式外骨骼三維模型

外骨骼采取擬人型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，擬人型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是以人體下肢骨骼系統(tǒng)、下肢運(yùn)動(dòng)軌跡為依據(jù)，進(jìn)行機(jī)構(gòu)的形位設(shè)計(jì)，保證了外骨骼的空間運(yùn)動(dòng)軌跡與人體下肢運(yùn)動(dòng)軌跡的一致。這類機(jī)構(gòu)的運(yùn)行是以自然狀態(tài)下人體的運(yùn)動(dòng)為參考，因而要滿足其穿戴舒適性和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性等要求［3］。

根據(jù)中國(guó)青年人人體基本物理參數(shù)平均數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)外骨骼各構(gòu)件的尺寸，設(shè)計(jì)的外骨骼結(jié)構(gòu)如圖1所示。該外骨骼的機(jī)械結(jié)構(gòu)分為髖關(guān)節(jié)及背架、膝關(guān)節(jié)及下肢、踝關(guān)節(jié)及腳部承載三個(gè)部分。設(shè)計(jì)時(shí)把髖關(guān)節(jié)的內(nèi)收/外展放在人體腰后背部，旋內(nèi)/旋外、前屈/后伸串聯(lián)在人體髖關(guān)節(jié)外側(cè)處;前屈/后伸為主動(dòng)關(guān)節(jié)，其余為被動(dòng)關(guān)節(jié)。主動(dòng)關(guān)節(jié)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，執(zhí)行關(guān)節(jié)屈伸功能。

外骨骼除要承受身體自身重力外，還要承受外骨骼動(dòng)力系統(tǒng)的重力。通過(guò)分析可知，圖1中髖關(guān)節(jié)橫梁是承受力與傳送力的關(guān)鍵部件。其三維模型如圖2所示。

圖1 穿戴式外骨骼三維模型

圖2 髖關(guān)節(jié)橫梁三維模型

2 建立髖關(guān)節(jié)橫梁結(jié)構(gòu)有限元模型和進(jìn)行靜力分析

2.1 建立有限元模型

(1)材料的選擇

橫梁材料選為鋁合金，鋁合金的彈性模量為7.2×1010Pa，泊松比0.33，密度為2.7×103kg/m3。

(2)劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分是有限元數(shù)值模擬分析非常重要的一步［4］，本文網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格劃分法。自由網(wǎng)格劃分，對(duì)實(shí)體模型的形狀沒(méi)有特殊的要求，任何幾何模型，甚至是不規(guī)則的幾何體，也可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)剖分。相對(duì)于較復(fù)雜幾何模型而言，這種方法省時(shí)省力。網(wǎng)格單元設(shè)為4mm。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 髖關(guān)節(jié)橫梁網(wǎng)格劃分圖

2.2 施加載荷邊界條件并求解

圖4 橫梁的載荷與約束

根據(jù)使用條件對(duì)髖關(guān)節(jié)橫梁施加固定約束和載荷(見(jiàn)圖4)，構(gòu)件所受載荷是圓環(huán)下表面收到拉力，大小為1.22MP。然后對(duì)應(yīng)力和總變形進(jìn)行后處理求解，得到應(yīng)力云圖(圖5)、總變形圖(圖6)。從圖5和圖6中可以看出髖關(guān)節(jié)橫梁的最大應(yīng)力為267.39MP，最大總變形為6.1299mm。

圖5 橫梁的靜態(tài)應(yīng)力圖

圖6 橫梁的總變形圖

3 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)不需要優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，它將整個(gè)結(jié)構(gòu)上的質(zhì)量分布函數(shù)作為優(yōu)化參數(shù)，優(yōu)化目標(biāo)是在滿足所給定的約束條件下，使所選擇的優(yōu)化指標(biāo)最小化或最大化［5］。為減輕髖關(guān)節(jié)橫梁的質(zhì)量，對(duì)其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，同時(shí)在強(qiáng)度、剛度上滿足使用要求。

拓?fù)鋬?yōu)化條件的目標(biāo)是質(zhì)量減少20%。對(duì)橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行形狀拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如圖7所示。圖中紅色區(qū)域?yàn)榭汕谐齾^(qū)域，棕色部分表示的是可以切除也可以根據(jù)實(shí)際情況予以保留的部分，灰色部分為保留部分。對(duì)構(gòu)件形狀進(jìn)行修改，要根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，不必完全與優(yōu)化結(jié)果一致［6］，拓?fù)鋬?yōu)化后的橫梁結(jié)構(gòu)如圖8所示。對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化后的橫梁進(jìn)行線形靜力分析，施加的約束與載荷與拓?fù)鋬?yōu)化前完全相同。分析結(jié)果如圖9所示，從圖9中可以看出橫梁的最大應(yīng)力為266.77MP、總變形為6.1655mm。

圖7 髖關(guān)節(jié)橫梁拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

圖8 改進(jìn)后的模型

圖9 改進(jìn)模型的靜力分析

4 目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化

目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化實(shí)際上它是一種多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)，是從給出的一組樣本(即一定量的設(shè)計(jì)點(diǎn))中得出“最佳”的設(shè)計(jì)點(diǎn)。

(1)定義髖關(guān)節(jié)橫梁的長(zhǎng)度(L)、承受拉力(F)為輸入變量;定義髖關(guān)節(jié)橫梁的質(zhì)量、最大應(yīng)力、總變形為輸出變量。依據(jù)具體條件，輸入變量的變化條件:80mm≤L≤130mm，1.02MP≤F≤1.32MP。要求最大應(yīng)力Pf≤260MP，優(yōu)化目標(biāo)是最大應(yīng)力、總變形、質(zhì)量減小。

(2)優(yōu)化求解，找出“最佳”設(shè)計(jì)點(diǎn)?！白罴选痹O(shè)計(jì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)為橫梁長(zhǎng)度L=105.48;承受拉力F=1.02MP;橫梁質(zhì)量m=0.207kg;橫梁總變形量TD=4.9011mm。達(dá)到總變形減小、最大應(yīng)力Pf＜260MP的目標(biāo)。把這組數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型中，然后對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行線形靜力結(jié)構(gòu)分析。

5 優(yōu)化結(jié)果

ANSYS Workbench對(duì)髖關(guān)節(jié)橫梁構(gòu)件優(yōu)化分析結(jié)果如表1所示。

表1 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比

由表1可看出，優(yōu)化后構(gòu)件質(zhì)量減少了0.02389kg，占原總質(zhì)量的10.4%;構(gòu)件的最大應(yīng)力、總變形減小。

6 結(jié)語(yǔ)

采用ANSYS Workbench對(duì)模型進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明:(1)建立的有限元模型是符合實(shí)際的;(2)優(yōu)化策略是合理可行的;(3)通過(guò)優(yōu)化，在滿足使用要求的前提下，構(gòu)件的最大應(yīng)力、總變形減小，減輕了外骨骼的重量，也使外骨骼的結(jié)構(gòu)更加緊湊合理，與人體下肢擬合的更好，穿戴更加舒適。也為外骨骼整體的靜力分析和瞬時(shí)動(dòng)力學(xué)分析打下基礎(chǔ)。

［1］尹軍茂.穿戴式下肢外骨骼機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)［D］.北京:北京工業(yè)大學(xué)，2010.

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Optimization Design for Wearable Exoskeleton Hip Joint Beam Based on ANSYS Workbench

LI Mei-cheng1，CHEN Dai-min2
(1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China;2.College of Machinery and Vehicle，Changchun University，Changchun 130022，China)

This paper establishes a wearable exoskeleton model by using personification design method and carries out topology optimization and goal-driven optimization on its key component hip joint beam，which reduces the weight of hip beam，making its structure reasonable and comfortable.This design lays a foundation for the further study on wearable lower extremity exoskeleton.

ANSYS Workbench;static structural analysis;optimization design;exoskeleton

TP242.3

A

1009-3907(2013)10-1234-04

2013-09-18

李美成(1986-)，男，安徽阜陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法研究;

陳岱民(1962-)，男，吉林長(zhǎng)春人，教授，博士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論研究。

責(zé)任編輯:

吳旭云