孫增暉,劉 寧,張洪國(guó)

(1.長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130022;2.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司,吉林 長(zhǎng)春 130022)

0 引 言

資料顯示,目前卒中已經(jīng)成為全球第2大致死原因,且超過(guò)80%的中風(fēng)幸存者患有某些類型的運(yùn)動(dòng)障礙[1]。卒中患者為改善生活質(zhì)量,需長(zhǎng)期進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。目前,患者康復(fù)療法多選擇接受治療師輔助治療,但康復(fù)治療師資源匱乏。一方面,康復(fù)治療師的工作需要花費(fèi)大量時(shí)間,但是治療效率低下;另一方面,康復(fù)治療師無(wú)法獲得定量的康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù),無(wú)法掌握康復(fù)訓(xùn)練的效果[2]。近年來(lái),康復(fù)技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展,但人機(jī)交互功能差,運(yùn)動(dòng)的精度差,容易對(duì)患者造成二次損害。

機(jī)器人技術(shù)與康復(fù)醫(yī)療的結(jié)合是過(guò)去20年的熱門研究課題。隨著機(jī)器人和康復(fù)技術(shù)的發(fā)展取得了巨大進(jìn)步,康復(fù)機(jī)器人可以輔助患者完成四肢康復(fù)訓(xùn)練,并且將訓(xùn)練信息反饋給醫(yī)生。不過(guò),即便康復(fù)機(jī)器人發(fā)展迅速,還有許多尚未解決的問題,其中一個(gè)關(guān)鍵問題就是康復(fù)機(jī)器人的機(jī)械關(guān)節(jié)與人體關(guān)節(jié)的同步運(yùn)動(dòng)問題[3]。人與人之間的骨骼差異和人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性都會(huì)對(duì)機(jī)械關(guān)節(jié)和人體關(guān)節(jié)的同步運(yùn)動(dòng)造成影響。在這種情況下,康復(fù)機(jī)器人可能會(huì)使人體感覺不適或?qū)θ梭w造成傷害。加拿大多倫多大學(xué)KAN P等[4]研制了一種2自由度上肢平面康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng),用于手臂康復(fù)訓(xùn)練。英國(guó)南安普頓大學(xué)的CAI Z等[5]研制了5自由度的SAIL上肢康復(fù)機(jī)器人,在肩、肘轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)裝有扭簧彈性輔助支撐上臂質(zhì)量,無(wú)驅(qū)動(dòng)。

針對(duì)康復(fù)訓(xùn)練的要求,為解決震動(dòng)和裝配產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,筆者設(shè)計(jì)一種新型的柔性康復(fù)機(jī)械手臂裝置,其裝置將柔性四節(jié)點(diǎn)扭力彈簧與齒輪相結(jié)合,用于吸收關(guān)節(jié)震動(dòng)、儲(chǔ)存釋放裝置的能量,使整個(gè)裝置運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn),更能提升患者對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)的使用體驗(yàn)[6,7]。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文中涉及的上肢康復(fù)機(jī)器人的手肘部位,包括大臂關(guān)節(jié)、小臂關(guān)節(jié)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速齒輪箱及柔性齒輪單元,如圖1所示。

圖1 康復(fù)機(jī)器人肘部關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)1—大臂支撐;2—小臂支撐;3—減速齒輪箱;4—直流電機(jī);5—小齒輪;6—柔性齒輪單元

根據(jù)肌體運(yùn)動(dòng)原理,康復(fù)機(jī)器人在做康復(fù)訓(xùn)練時(shí),肘關(guān)節(jié)由屈到伸動(dòng)作開始的瞬間,由支撐肘關(guān)節(jié)的柔性關(guān)節(jié)主動(dòng)實(shí)施柔性驅(qū)動(dòng);肘關(guān)節(jié)由屈到伸動(dòng)作結(jié)束的瞬間,柔性關(guān)節(jié)被動(dòng)吸收機(jī)械手臂的動(dòng)能。柔性關(guān)節(jié)不僅在患者使用康復(fù)機(jī)器人做康復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),對(duì)其手臂起到緩沖、減震作用,還可以發(fā)揮柔性單元的能量?jī)?chǔ)存、釋放作用,避免患者與康復(fù)機(jī)器人之間運(yùn)動(dòng)不同步的問題,提高使用安全性。

其中,扭矩齒輪單元的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 柔性單元齒輪單元1—環(huán)形齒輪;2—螺釘;3—四節(jié)點(diǎn)柔性單元

1.1 四節(jié)點(diǎn)柔性單元的設(shè)計(jì)

柔性單元的具體設(shè)計(jì)3D圖,如圖3所示。

圖3 柔性單元的三維圖

柔性單元的參數(shù)表格,如表1所示。

表1 柔性單元參數(shù)

2 柔性單元的動(dòng)量分析

根據(jù)圖4分析可知該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程:

當(dāng)該機(jī)構(gòu)在自由狀態(tài)下,前端手臂重心到扭轉(zhuǎn)彈簧中心長(zhǎng)度為L(zhǎng),水平方向的夾角為0°,如圖4(1)所示。當(dāng)前臂加載時(shí),其水平方向的夾角為θ1,手臂質(zhì)量為m1,前臂機(jī)械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為m2,如圖4(2)所示。當(dāng)電機(jī)施加扭矩M時(shí),前臂與水平的夾角為θ2,如圖4(3)所示。

圖4 柔性單元的各階段狀態(tài)

彈簧的剛度k,如下式所示:

(1)

式中:E—材料的彈性模量;K—系數(shù)。

外端固定時(shí),K=1;內(nèi)端固定時(shí),K=2。計(jì)算得出該柔性單元的k為24 027 840 N/m,該機(jī)構(gòu)的勢(shì)能可由式2表達(dá)為:

(2)

其中:θ3=θ1+θ2;m3=m1+m2。

該機(jī)構(gòu)動(dòng)能的表達(dá)式為:

(3)

拉格朗日方程定義為:

(4)

該裝置的動(dòng)力學(xué)方程可以表達(dá)為:

(5)

與式(4,5)聯(lián)立得到:

(6)

(7)

該機(jī)構(gòu)在平衡位置,輸入的扭矩可表達(dá)為:

M=m3gLcosθ3

(8)

所以機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)方程可表達(dá)為:

(9)

下文將應(yīng)用該動(dòng)力學(xué)模型來(lái)進(jìn)行分析和試驗(yàn)。

3 柔性單元的有限元分析

3.1 有限元分析前處理

模擬實(shí)驗(yàn)通過(guò)ANSYS 19.1R進(jìn)行,次柔性單元的邊界條件設(shè)為外端固定,以內(nèi)端施加扭矩[8]。本文中所用的材料為7075鋁,其材料特性如表2所示。

表2 材料特性表

3.2 有限元后處理

筆者通過(guò)Workbench來(lái)驗(yàn)證柔性單元的機(jī)械性能。該柔性單元的有限元分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 柔性單元有限元分析

筆者通過(guò)多次對(duì)模型進(jìn)行模擬,并收集和繪制扭矩與其他變量之間的關(guān)系。通過(guò)施加最大4 N·m的扭矩時(shí),產(chǎn)生最大的應(yīng)力為440 MPa,而該材料的屈服應(yīng)力為1 176 MPa,該柔性單元的安全系數(shù)為2.94,滿足設(shè)計(jì)要求。其最大的變形量為3.192 mm,并且可以在扭矩與應(yīng)力與變形之間呈線性關(guān)系,具體關(guān)系如圖6所示。

圖6 扭矩與應(yīng)力之間的關(guān)系

該柔性單元的應(yīng)變能量最大為0.254 MJ,應(yīng)變量與扭矩的關(guān)系不是線性關(guān)系,扭矩與應(yīng)變能量之間的關(guān)系如圖7所示。

圖7 扭矩與應(yīng)變能量之間的關(guān)系

對(duì)疲勞壽命進(jìn)行分析流程,該柔性單元的疲勞壽命云圖如圖8所示。

圖8 柔性單元疲勞壽命分布圖

使用材料7075鋁制作的柔性單元最小使用壽命為2.578×105次,康復(fù)機(jī)器人的康復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)周期為10 s/次。由此可以計(jì)算出次柔性單元的最小使用壽命為716.1 h。并且可以通過(guò)疲勞壽命云圖看出發(fā)生疲勞相對(duì)薄弱的地方,說(shuō)明該靜力學(xué)分析對(duì)疲勞壽命有一定的參考意義。

4 試驗(yàn)平臺(tái)搭建及驗(yàn)證

為了獲取柔性單元的材料力學(xué)參數(shù),通過(guò)搭建試驗(yàn)工裝對(duì)本柔性單元進(jìn)行試驗(yàn),如圖9所示。

圖9 柔性單元實(shí)驗(yàn)工裝

通過(guò)扭矩扳手對(duì)柔性單元進(jìn)行測(cè)試,并通過(guò)編碼器對(duì)扭轉(zhuǎn)角度進(jìn)行記錄,環(huán)境溫度25 ℃[9-11]。試驗(yàn)原材料和試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

繪制仿真數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與扭轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系,如圖11所示。

圖11 柔性單元扭矩與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系

該柔性單元在逆時(shí)針方向,實(shí)測(cè)柔性單元的的剛度為7.23 N·m/rad,模擬的剛度值為6.65 N·m/rad。在順時(shí)針方向,實(shí)測(cè)柔性單元的的剛度為6.29 N·m/rad。模擬的剛度值為5.78 N·m/rad,模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的差為:

Err=(Ke-Ks)/Ks×100%

(10)

逆時(shí)針方向的剛度誤差為8.7%,順時(shí)針方向的剛度誤差為8.8%。從所得數(shù)據(jù)可知:由于柔性單元順向和逆向材料屈服方式不同,剛度也存在一定的差異。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種新型四節(jié)點(diǎn)柔性單元結(jié)構(gòu),三維建模后通過(guò)拉格朗日方程推導(dǎo)出此結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程,利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)該柔性單元的應(yīng)力、形變和應(yīng)變能量進(jìn)行分析。

分析結(jié)果表明:在施加最大扭矩4 N·m的情況下,此柔性單元的最大應(yīng)力為440 MPa,最大變形量為3.19 mm。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,可以得出:此柔性單元的應(yīng)力和變形量與扭矩呈線性關(guān)系,最大的應(yīng)變能量為0.546 MJ,其中與扭矩呈非線性關(guān)系,且安全系數(shù)為2.94,最小使用壽命為716.1 h;該柔性單元重量輕、柔韌性高,可以較完美地解決人機(jī)交互中的部分安全問題。