周好斌，唐 帥，劉澤強(qiáng)

（西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

隨著當(dāng)前社會(huì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，醫(yī)療及醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)變得尤為重要，因此人體醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的需求也不斷增加。分析與掌握人體離心機(jī)結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性是當(dāng)前醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)的首要任務(wù)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)人體離心實(shí)驗(yàn)設(shè)備做了大量研究。在新型短臂離心機(jī)的研制與應(yīng)用研究[1]、人力短臂離心機(jī)的研制與應(yīng)用研究[2]等之前研究中。上述研究雖然實(shí)現(xiàn)基本實(shí)驗(yàn)要求，但沒(méi)有涉及到多自由度、可調(diào)加速度、實(shí)驗(yàn)記錄分析。因而前人設(shè)計(jì)的設(shè)備存在一定的局限性。

本文設(shè)計(jì)的人體復(fù)合訓(xùn)練設(shè)備是一種基于離心機(jī)結(jié)構(gòu)及改進(jìn)，從而獲得醫(yī)學(xué)航空實(shí)驗(yàn)所需的離心力的人體醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備?；谀壳皣?guó)內(nèi)航空事業(yè)發(fā)展迅速，但隨著飛機(jī)性能的增加，飛行員在半空承受的G值不斷提高，高G值可引起飛行人員意識(shí)的喪失[1]，從而嚴(yán)重威脅飛行安全，并且長(zhǎng)期處于失重環(huán)境下，會(huì)對(duì)人體機(jī)理有一定影響，會(huì)導(dǎo)致流體靜壓消失，體液頭向分布，引發(fā)機(jī)體生理發(fā)生適應(yīng)性變化，對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、血液系統(tǒng)等造成不良影響，在返回地面后，飛行員會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)力下降，耐受力不足等一系列表現(xiàn)，因此失重實(shí)驗(yàn)對(duì)于航空飛行至關(guān)重要。本文采用Solidworks對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行建模和受力分析，分析目前實(shí)驗(yàn)當(dāng)中存在的自由度和加速度調(diào)節(jié)問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種多自由度、可調(diào)節(jié)加速度、帶影像記錄的人體復(fù)合訓(xùn)練設(shè)備。針對(duì)以前實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)震動(dòng)的問(wèn)題，采用Abaqus建立有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行。驗(yàn)證其準(zhǔn)確性和有效性。

1 總體設(shè)計(jì)原理

1.1 基本運(yùn)動(dòng)原理

人體復(fù)合訓(xùn)練設(shè)備是基于人工重力原理和轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而成。本裝置由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分、齒輪傳動(dòng)部分、工作轉(zhuǎn)臂部分、載人臺(tái)和控制柜部分組成。

如圖1所示，人體復(fù)合訓(xùn)練設(shè)備工作時(shí)，主要分3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，一是圍繞主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二是圍繞旋轉(zhuǎn)軸的左右搖擺運(yùn)動(dòng)；三是圍繞俯仰軸的前后移動(dòng)運(yùn)動(dòng)；設(shè)備工作時(shí)圍繞主軸以ω角速度旋轉(zhuǎn)獲得實(shí)驗(yàn)所需重力加速度，同時(shí)通過(guò)左右搖擺運(yùn)動(dòng)和前后移動(dòng)獲得方向不同加速度G值，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需要求。通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速大小和復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)驗(yàn)不同大小和方向的G值，這是該設(shè)備基本設(shè)計(jì)原理[3]。

圖1 人體復(fù)合訓(xùn)練設(shè)備原理

向心力計(jì)算公式如下：

式中：m為物體質(zhì)量；g為重力加速度；R為回轉(zhuǎn)半徑；FN為向心力。

在工程上，離心機(jī)的轉(zhuǎn)速n單位通常為r/min，則：

綜合上式和圓周運(yùn)動(dòng)基本定理可得相對(duì)離心力計(jì)算公式[2]：

1.2 復(fù)合運(yùn)動(dòng)離心力計(jì)算原理

本文的人體復(fù)合訓(xùn)練設(shè)備是一種基于基本圓周運(yùn)動(dòng)獲得離心力的訓(xùn)練設(shè)備，同時(shí)通過(guò)復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)中調(diào)節(jié)離心力大小的功能[4]。為此設(shè)計(jì)了前后移動(dòng)和左右搖擺運(yùn)動(dòng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)，通過(guò)前后移動(dòng)調(diào)節(jié)半徑R來(lái)調(diào)節(jié)離心力大小，通過(guò)左右搖擺運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)角速度ω實(shí)現(xiàn)離心力的再次調(diào)節(jié)。圖2為離心力計(jì)算簡(jiǎn)圖。

圖2 離心力計(jì)算簡(jiǎn)圖

記設(shè)備的半徑為R，運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)后的半徑為R1，設(shè)備在X軸運(yùn)動(dòng)距離為W，則有：

記設(shè)備原來(lái)的角速度為ω，設(shè)備沿X軸左右搖擺的角度為θ，調(diào)節(jié)后沿垂直X軸的角速度為ω，則：

因此再次計(jì)算離心力可得：

上式為向心力分量計(jì)算：

上式為相對(duì)離心力分量計(jì)算，上式的計(jì)算有利于后期設(shè)計(jì)設(shè)備結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)控制軟件時(shí)的參數(shù)設(shè)定。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.1 轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于整個(gè)人體復(fù)合訓(xùn)練設(shè)備結(jié)構(gòu)，主軸的設(shè)計(jì)是最為基礎(chǔ)且重要的一步，其中主軸起到整個(gè)設(shè)備的支撐作用和旋轉(zhuǎn)獲得g值[5]，以及傳遞力和力矩的作用。所以主軸的結(jié)構(gòu)、剛度等直接影響整體設(shè)備的性能。如圖3所示。首先為了保證整體平穩(wěn)運(yùn)行，采用強(qiáng)度較高，厚度大的旋轉(zhuǎn)主軸支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用雙軸承安裝旋轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部流通孔保證后續(xù)電機(jī)、控制器、驅(qū)動(dòng)器、pc端等線路通過(guò)。底座和主軸連接采用4 cm高強(qiáng)度鋼圓盤連接，保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)之后整體穩(wěn)定性，同時(shí)底座設(shè)計(jì)多個(gè)螺孔，使用剛強(qiáng)度螺絲與底部地面連接，進(jìn)一步加強(qiáng)穩(wěn)定性。

圖3 轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)

2.2 轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)臂是整個(gè)設(shè)備載人和旋轉(zhuǎn)的主要承力部件。但是同時(shí)為了保證整個(gè)設(shè)備旋轉(zhuǎn)的高速和平穩(wěn)，考慮風(fēng)阻的情況，轉(zhuǎn)臂不能過(guò)于龐大，以及保證質(zhì)量不能過(guò)大。因此轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu)合理性對(duì)于設(shè)備至關(guān)重要[6]。如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)臂搖擺齒輪

對(duì)于轉(zhuǎn)臂的設(shè)計(jì)，首先需要滿足設(shè)備的基本運(yùn)動(dòng)和自由度，基本運(yùn)動(dòng)分為轉(zhuǎn)臂的左右搖擺和自身轉(zhuǎn)動(dòng)，為此考慮結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便高效下設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)臂搖擺齒輪結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了保證設(shè)備的簡(jiǎn)潔性轉(zhuǎn)臂搖擺齒輪設(shè)計(jì)為扇形齒輪，與電機(jī)齒輪相嚙合，在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂搖擺齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整體轉(zhuǎn)臂左右搖擺運(yùn)動(dòng)[6]。轉(zhuǎn)臂的整體框架設(shè)計(jì)采用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼板同時(shí)只保留了框架受力結(jié)構(gòu)部分框架，其余均挖空最大程度減少設(shè)備質(zhì)量，提高整體設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)速度以及平穩(wěn)性。如圖5~6所示。

圖5 轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)

圖6 載人臺(tái)移動(dòng)齒

2.3 載人臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

載人臺(tái)是人體復(fù)合訓(xùn)練設(shè)備的最后重要一環(huán)，載人臺(tái)結(jié)構(gòu)關(guān)乎人體實(shí)驗(yàn)的舒適性，復(fù)合運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確定，設(shè)備的美觀性等。載人臺(tái)主要由載人臺(tái)底座，載人臺(tái)座椅，載人臺(tái)移動(dòng)齒和步進(jìn)電機(jī)組成。如圖7所示。

圖7 載人臺(tái)結(jié)構(gòu)

載人臺(tái)的運(yùn)動(dòng)主要分為座椅前后移動(dòng)和座椅俯仰調(diào)節(jié)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)連接齒輪嚙合載人臺(tái)移動(dòng)齒[7]。通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)達(dá)到載人臺(tái)前后移動(dòng)配合整體設(shè)備完成復(fù)合運(yùn)動(dòng)。同時(shí)載人臺(tái)前后帶有正負(fù)限位開關(guān)防止出現(xiàn)誤操作[8]。

整體結(jié)構(gòu)由底座框架連接轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)臂主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)整體轉(zhuǎn)動(dòng)，載人臺(tái)座椅通過(guò)兩個(gè)滑軌連接在底座上，座椅前方配備一個(gè)踏板，同時(shí)座椅可進(jìn)行上下幅度調(diào)整以滿足人體舒適性，座椅采用人體工學(xué)設(shè)計(jì)，同時(shí)前后的限位開關(guān)最大程度保護(hù)人體實(shí)驗(yàn)的安全性[9]。

3 總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)人體復(fù)合訓(xùn)練設(shè)備時(shí)，主要需要解決多自由度和可調(diào)節(jié)加速度的模擬，為了滿足實(shí)驗(yàn)需求，還需計(jì)算電機(jī)功率、設(shè)備轉(zhuǎn)速、風(fēng)阻等影響。因此需要最大程度簡(jiǎn)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，保證實(shí)驗(yàn)真實(shí)性。

人體復(fù)合訓(xùn)練設(shè)備結(jié)構(gòu)整體包括載人臺(tái)、轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)裝置由一個(gè)伺服電機(jī)和4個(gè)直流調(diào)速電機(jī)組成。如圖8所示，整體設(shè)備承軸向形狀，設(shè)備配備電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制器和上位機(jī)控制程序，精準(zhǔn)控制設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。設(shè)備整體安裝與底部支座，由電機(jī)向轉(zhuǎn)軸提供動(dòng)力保證設(shè)備基本運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)時(shí)啟動(dòng)上位機(jī)程序控制控制器[10]，向電機(jī)發(fā)送指令，主軸開始運(yùn)轉(zhuǎn)。并提前計(jì)算實(shí)驗(yàn)所需參數(shù)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)左右擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)多自由度離心加速度控制，并通過(guò)轉(zhuǎn)速和載人臺(tái)前后移動(dòng)控制離心加速度大小，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的真實(shí)性。

圖8 總體結(jié)構(gòu)

4 靜態(tài)支撐模擬分析

靜態(tài)支撐作為人體復(fù)合訓(xùn)練設(shè)備中重要的支撐部位結(jié)構(gòu)，在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)隨著轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)發(fā)生周期震動(dòng)。因此，為了防止轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)和外部激勵(lì)頻率發(fā)生共振，影響結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在Abaqus中建立有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析[11]。

為了減少計(jì)算機(jī)工作量，對(duì)模型進(jìn)行以下簡(jiǎn)化操作：（1）將倒角、圓角和螺紋孔等忽略，降低網(wǎng)格劃分難度，提高計(jì)算精度和速度；（2）保留主要力學(xué)特征，將不影響計(jì)算準(zhǔn)確性的零件簡(jiǎn)化處理，如：螺栓、螺母和軸承等。

將簡(jiǎn)化后的模型在Abaqus中建立靜止支撐的有限元模型，設(shè)置其材料屬性；靜止支撐的材料為Q235碳素鋼，輸入材料的密度、彈性模量和泊松比，如表1所示；然后建立裝配體，選擇線性攝動(dòng)中的頻率分析；然后設(shè)置邊界條件，主要設(shè)置靜止支撐底部完全固定；然后進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，單元類型設(shè)置為（C3D8R）八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元[12]，近似全局尺寸選擇合適參數(shù)，其他參數(shù)保持默認(rèn)值；最后提交作業(yè)，查看計(jì)算結(jié)果。

表1 材料參數(shù)

靜態(tài)支撐前4階振型圖如圖9所示，固有頻率如表2所示，根據(jù)復(fù)合訓(xùn)練設(shè)備計(jì)算工作工程最大轉(zhuǎn)速不超過(guò)25 r/min，因此計(jì)算工作中所產(chǎn)生的激勵(lì)頻率遠(yuǎn)低于1 246 Hz，所以工作中不會(huì)發(fā)生共振，結(jié)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定[13-14]。

表2 靜態(tài)支撐的固有頻率

圖9 靜態(tài)支撐前4階振型

5 測(cè)試驗(yàn)證與結(jié)果分析

依據(jù)工程圖紙對(duì)人體復(fù)合訓(xùn)練設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)加工，進(jìn)行實(shí)際裝配后，主要關(guān)注機(jī)械結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)裝配錯(cuò)誤，加工誤差等。運(yùn)行途中是否出現(xiàn)干、共振等問(wèn)題。加工設(shè)備如圖10所示[15]。

圖10 人體復(fù)合訓(xùn)練設(shè)備實(shí)物

在設(shè)備測(cè)試過(guò)程中，首先驗(yàn)證設(shè)備機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，其次測(cè)試設(shè)備初期設(shè)計(jì)的多自由度和可調(diào)節(jié)加速度，通過(guò)控制模式精準(zhǔn)控制設(shè)備轉(zhuǎn)臂搖擺和前后移動(dòng)，設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)中可成功實(shí)現(xiàn)多自由度調(diào)節(jié)和加速度精準(zhǔn)控制。且設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無(wú)共振和噪聲出現(xiàn)。通過(guò)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行調(diào)試，結(jié)果表明離心機(jī)總體結(jié)構(gòu)可靠，在最大轉(zhuǎn)速下，運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期效果，并且滿足最大加速度變化率，能夠達(dá)到動(dòng)加載實(shí)驗(yàn)需要。在主軸運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)軸向的加速度模擬，模擬出真實(shí)的飛行環(huán)境。最后經(jīng)過(guò)參數(shù)設(shè)置和調(diào)整，本方案的人體復(fù)合訓(xùn)練設(shè)備預(yù)防了共振的發(fā)生，綜合性能滿足實(shí)驗(yàn)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）對(duì)人體復(fù)合訓(xùn)練設(shè)備總體方案進(jìn)行合理設(shè)計(jì)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析研究、設(shè)備運(yùn)行震動(dòng)進(jìn)行測(cè)試研究。解決了人體復(fù)合訓(xùn)練設(shè)備實(shí)驗(yàn)中自由度單一的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)加速度精準(zhǔn)可調(diào)節(jié)控制，解決了以往設(shè)備運(yùn)行中途共振的問(wèn)題[16]。

（2）本文對(duì)人體復(fù)合訓(xùn)練設(shè)備總體基本離心力進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)總體結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)。使用Solidworks對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并裝配，模擬設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行合理改進(jìn)。最終確定人體復(fù)合訓(xùn)練設(shè)備的總體和各個(gè)零件尺寸，計(jì)算設(shè)備所需最大功率，合理選型電機(jī)裝配。

（3）在模擬運(yùn)行等完成后，加工各個(gè)結(jié)構(gòu)，選型電機(jī)，在工廠進(jìn)行加工裝配測(cè)試，連接電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制器、上位機(jī)等線路，最終裝配完成測(cè)試設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。工作運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，滿足實(shí)驗(yàn)要求參數(shù)。為研究人員對(duì)于人體在高空飛行狀態(tài)下的身體情況提供理論數(shù)據(jù)。