孫 雅, 張 軍, 許靖宜, 周德威

(1.安徽理工大學(xué) 人工智能學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)

隨著人口老齡化程度的加深,有輕中度行走障礙的老年人不斷增加,他們有一定的行動能力,能夠獨(dú)立完成或借助醫(yī)療器械完成基本的步行運(yùn)動。減重助行機(jī)器人不但能幫助老年人減少行走過程中自身所受的重力,更好地發(fā)揮肌肉力量完成行走訓(xùn)練,還能幫助老年人進(jìn)行必要的腿部康復(fù)訓(xùn)練,防止肌肉勞損或者壞死,最大限度延緩身體衰老,對改善或恢復(fù)老年人正常行走能力具有重大意義[1]。減重助行機(jī)器人屬于醫(yī)療機(jī)器人,可以分為兩種主要類型:康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人和輔助型訓(xùn)練機(jī)器人?？祻?fù)訓(xùn)練機(jī)器人的功能是幫助使用者完成各種主、被動康復(fù)訓(xùn)練;輔助型訓(xùn)練機(jī)器人的功能是幫助使用者補(bǔ)全退化的機(jī)體功能,讓使用者可以完成正常生活所需要的各種行走動作[2-3]。本研究針對有輕中度行走障礙的老年人設(shè)計(jì)了一款室內(nèi)輔助型減重助行機(jī)器人,以懸掛式工字鋼作為減重助行機(jī)器人的運(yùn)行軌道,以力矩電機(jī)作為減重機(jī)構(gòu),以移動小車作為輔助驅(qū)動力,輔助有行走障礙的老年人完成行走鍛煉,延緩老年人腿部肌肉的衰老,使其恢復(fù)基本行走能力[4]。減重助行機(jī)器人在正常工作時(shí),將承載使用者的全部質(zhì)量,為驗(yàn)證機(jī)器人是否符合正常使用要求及在極限載荷下的應(yīng)力、應(yīng)變,需要對減重助行機(jī)器人進(jìn)行ANSYS有限元分析,以保證機(jī)器人結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對機(jī)器人的應(yīng)用場景、適用對象及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,確定本次設(shè)計(jì)的減重助行機(jī)器人為室內(nèi)輔助型機(jī)器人,再根據(jù)減重助行機(jī)器人所要實(shí)現(xiàn)的功能設(shè)計(jì)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)。

1.1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

減重助行機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。首先確定需要設(shè)計(jì)的減重助行機(jī)器人為室內(nèi)機(jī)器人且為輔助型訓(xùn)練機(jī)器人,其次考慮老年人訓(xùn)練過程中的體驗(yàn)感,決定將機(jī)器人設(shè)計(jì)為工字鋼環(huán)形軌道,而不是目前使用較多的原地踏步或安裝跑步機(jī)的形式,可根據(jù)老年人實(shí)際情況確定機(jī)器人整體尺寸,最后對減重助行機(jī)器人進(jìn)行有限元分析,校核其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖1 設(shè)計(jì)思路Fig.1 Design idea

1.2 機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

減重助行機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)分為運(yùn)行軌道、移動小車、減重機(jī)構(gòu)及扶手四大構(gòu)件。運(yùn)行軌道主要由支撐架和軌道組成,其中支撐架通過螺栓與地面連接,是整個(gè)機(jī)器人的主要受力結(jié)構(gòu),軌道由工字鋼構(gòu)成并與支撐架連接,共同給移動小車提供支撐力;移動小車作為減重助行機(jī)器人的主要運(yùn)動機(jī)構(gòu),由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動行走輪,給老年人提供步行訓(xùn)練的驅(qū)動力,結(jié)合導(dǎo)向輪在工字鋼軌道上運(yùn)動,導(dǎo)向輪分布在導(dǎo)軌左右兩側(cè),結(jié)構(gòu)對稱;減重機(jī)構(gòu)主要由滑輪組和電機(jī)組成,電機(jī)提供大小可控的力,滑輪組可以減少電機(jī)的輸出力;扶手在老年人行走訓(xùn)練過程中起到安全防護(hù)的作用[5-6]。

由于移動小車、減重機(jī)構(gòu)、扶手等都安裝在軌道上,而且需要往復(fù)運(yùn)動,所以須保證工字鋼軌道有足夠的強(qiáng)度和剛度?？紤]到工字鋼軌道的極限受力情況,工作過程中最大減重力不超過自身所受重力的40%,再加上小車和其他機(jī)構(gòu)所受的重力,假設(shè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)整體所受重力為300 N,老年人最大體重為1 000 N,體重的40%即400 N[7],也就是說在正常工作狀態(tài)下,工字鋼軌道受到的極限壓力為700 N?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中可能有人會將全部體重作用在扶手和鋼絲繩上,因此為確保絕對安全,工字鋼軌道所受極限壓力設(shè)置為1 300 N,雖然這種情況非工作狀態(tài),但能維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

1.2.2移動小車

由于移動小車在工字鋼軌道上運(yùn)動,下方還需要連接減重機(jī)構(gòu),因此設(shè)計(jì)的移動小車結(jié)構(gòu)要簡單緊湊,運(yùn)動時(shí)受力性好、平穩(wěn)無抖動。如果單個(gè)行走輪因受力不均產(chǎn)生輕微位移,會導(dǎo)致小車前后搖擺,造成機(jī)器人穩(wěn)定性下降,因此要設(shè)計(jì)兩個(gè)行走輪以避免移動小車受力不平衡。由于移動小車也可能在左右方向受力不均,故還要設(shè)計(jì)兩個(gè)導(dǎo)向輪,以確保移動小車沿軌道行走。導(dǎo)向輪和行走輪對稱,使得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、美觀。移動小車的驅(qū)動力來自安裝在行走輪上的步進(jìn)電機(jī),步進(jìn)電機(jī)能提供極限速度為0.3 m/s的可控移動速度,使運(yùn)行穩(wěn)定平緩。

1.2.3減重機(jī)構(gòu)

減重機(jī)構(gòu)主要由力矩電機(jī)、滾筒、滑輪組和鋼絲繩組成,可通過力矩電機(jī)為裝置提供可靠、穩(wěn)定的減重力。減重力是否可控、控制難易程度及力的大小等因素直接決定了減重助行機(jī)器人的優(yōu)劣[8]。滾筒的作用是將力矩電機(jī)輸出的扭矩轉(zhuǎn)化成減重系統(tǒng)的減重力。滑輪組有2個(gè)作用:一是通過一個(gè)動滑輪將力矩電機(jī)輸出的力放大一倍,以減少力矩電機(jī)的負(fù)載,延長其使用壽命;二是通過動滑輪下的鋼絲繩與人連接,使得在行走訓(xùn)練過程中老年人和移動小車不同步產(chǎn)生細(xì)微傾角時(shí)仍然可以保證減重力穩(wěn)定且豎直向上。

1.2.4扶手

扶手要求高度可調(diào),能在行走訓(xùn)練過程中給老年人提供一個(gè)穩(wěn)定的支持力,起到安全保護(hù)的作用。在訓(xùn)練過程中,扶手受力可能導(dǎo)致移動小車前端產(chǎn)生微小傾斜,使得移動小車平穩(wěn)性下降,因此加上一個(gè)防傾斜支架可保證整體結(jié)構(gòu)安全、可靠。

其次，文獻(xiàn)閱讀也是考核模式革新的重要手段。傳統(tǒng)的考核在考核內(nèi)容上是以教材理論知識的記憶、理解為主，在考核方式上是單一的期末閉卷理論考試。這種注重結(jié)果的單一化考核模式的弊病是明顯的。文獻(xiàn)閱讀在考核內(nèi)容上可以考察學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、表達(dá)能力和創(chuàng)新能力，在考核方式上擺脫了單一的理論考試，探索出一種多元化的課程考核體系。

對減重助行機(jī)器人進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),模型如圖2所示,關(guān)鍵部位放大示意圖如圖3所示。模型包括運(yùn)行軌道、移動小車、減重裝置、支架、扶手、減重馬甲、電機(jī)、滑輪、防傾斜支架等,結(jié)構(gòu)緊湊,穩(wěn)定可靠。老年人使用減重助行機(jī)器人能完成保證正常生活的各種行走動作,有利于老年人進(jìn)行步態(tài)訓(xùn)練,恢復(fù)基本行走能力。

圖2 減重助行機(jī)器人模型Fig.2 The model of weight-assisted walking robot

圖3 減重助行機(jī)器人關(guān)鍵部位Fig.3 Key parts of the weight-assisted walking robot

2 有限元分析

ANSYS有限元分析的思想是首先將一個(gè)原本連續(xù)的物體劃分為有限個(gè)單元,然后通過節(jié)點(diǎn)連接這些單元以承受等效的節(jié)點(diǎn)載荷,根據(jù)平衡條件進(jìn)行仿真分析,最后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件對這些單元進(jìn)行重組,使之成為新的組合[9]。減重助行機(jī)器人在正常工作時(shí),需要承載使用者的全部體重,為驗(yàn)證機(jī)器人是否符合正常使用要求以及機(jī)器人在極限載荷情況下的應(yīng)力、應(yīng)變,需要對減重助行機(jī)器人進(jìn)行ANSYS有限元分析。

利用ANSYS軟件對機(jī)器人在不同工況下的受力進(jìn)行有限元分析,將分析得到的應(yīng)力、應(yīng)變與材料屈服極限進(jìn)行比對,并對最容易損壞的工況進(jìn)行加載仿真,得到機(jī)器人喪失正常運(yùn)行能力時(shí)的受載極限值,并與實(shí)際工作受載情況進(jìn)行比較,以確保機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性[10]。

2.1 機(jī)器人受力分析

首先考慮工字鋼軌道的極限受力情況,訓(xùn)練過程中減重力不超過自身體重的40%。假設(shè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)整體所受重力為300 N,老年人體重為1 000 N,體重的40%即400 N。在正常工作狀態(tài)下,工字鋼軌道受到的極限壓力為700 N,但在實(shí)際生活中老年人可能將體重全部作用在軌道上,因此為確保安全,工字鋼軌道受最大拉力應(yīng)該設(shè)置為1 300 N,這種情況非工作狀態(tài),只要保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定即可[1]。

工字鋼型號用腰高(h)×腿寬(b)×腰厚(d)表示,單位為mm,如“工150×66×5”表示腰高150 mm、腿寬66 mm、腰厚5 mm的工字鋼。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,工字鋼預(yù)選為“工120×100×12.5”,具體參數(shù)如表1所示。

表1 工字鋼參數(shù)Tab.1 Steel I-beam parameter

結(jié)合實(shí)際情況可知,設(shè)計(jì)的工字鋼軌道需要安裝在室內(nèi),且不能在訓(xùn)練時(shí)使老年人產(chǎn)生眩暈感。工字鋼軌道長5 m、寬2.5 m,對工字鋼軌道進(jìn)行受力分析,如圖4所示。

圖4 工字鋼軌道受力分析Fig.4 Stress analysis of steel I-beam track

根據(jù)設(shè)計(jì)可知,減重助行機(jī)器人有2組行走輪,每組又有2個(gè)行走輪,因此應(yīng)該在每種工況施加4個(gè)線性力。由于減重助行機(jī)器人極限拉力Fn為1 300 N,所以每個(gè)線性力

(1)

式中:k1為行走輪組數(shù),取值為2;k2為每組行走輪的個(gè)數(shù),取值為2。將上述參數(shù)代入式(1)得F=325 N,即施加給軌道的線性力為325 N。

2.2 機(jī)器人工況分析

減重助行機(jī)器人所受到的極限拉力為1 300 N,加上工字鋼軌道材料使用了結(jié)構(gòu)鋼,自身所受重力較大,根據(jù)工字鋼規(guī)格尺寸及軌道長度計(jì)算軌道所受重力為 39 440 N[12],故假設(shè)本研究的軌道所受重力為 40 740 N。由于機(jī)器人結(jié)構(gòu)具有高度對稱性,進(jìn)行有限元分析時(shí),根據(jù)實(shí)際工況將軌道受力情況分為3種:工況1、工況2、工況3。工況1即減重助行機(jī)器人運(yùn)行到直軌道中間點(diǎn)位置時(shí)的受力情況,工況2即減重助行機(jī)器人運(yùn)行到直彎軌道節(jié)點(diǎn)位置時(shí)的受力情況,工況3即減重助行機(jī)器人運(yùn)行到彎曲軌道中間點(diǎn)位置時(shí)的受力情況,如圖5所示。分析3種工況后找到最危險(xiǎn)的工況點(diǎn),得出最危險(xiǎn)工況點(diǎn)能承受的最大載荷。

圖5 工況示意圖Fig.5 Working diagram

2.3 機(jī)器人有限元分析——以工況1為例

對機(jī)器人進(jìn)行有限元分析前,先將模型簡化,由于移動小車、減重機(jī)構(gòu)、扶手等是機(jī)器人自身的部件,為提高分析效率、減少運(yùn)算時(shí)間,在模型分析時(shí)去除這些部件,僅考慮其整體所受重力即可,簡化后的模型與簡化前在進(jìn)行有限元處理時(shí)結(jié)果相似。移動小車與工字鋼線性接觸簡化成4個(gè)線性力[13],根據(jù)實(shí)際情況只需要分析3種工況即可,將簡化后的模型導(dǎo)入有限元。

第一步,選擇材料。運(yùn)行軌道材料選擇結(jié)構(gòu)鋼,結(jié)構(gòu)鋼材料在ANSYS軟件中定義如圖6所示,其參數(shù)值如表2所示。

表2 軌道材料參數(shù)值Tab.2 Orbital material parameter value

圖6 材料定義截圖Fig.6 Material definition diagram

第二步,網(wǎng)格劃分。將簡化后的機(jī)器人模型導(dǎo)入有限元后,將支架與運(yùn)行導(dǎo)軌設(shè)置為綁定連接,并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格大小設(shè)置為100 mm,劃分網(wǎng)格后該模型共有71 311個(gè)節(jié)點(diǎn)、36 991個(gè)實(shí)體單元。

第三步,施加約束并求解。將公式(1)得到的每種工況受到的線性力325 N輸入軟件。載荷施力點(diǎn)選在工字鋼導(dǎo)軌與移動小車接觸的4個(gè)接觸點(diǎn),同時(shí)對支架的4個(gè)支撐施加固定約束[14]。對機(jī)器人進(jìn)行靜力學(xué)分析求解,求解后得到等效應(yīng)力圖(圖7)和等效應(yīng)變圖(圖8)。

圖7 等效應(yīng)力圖Fig.7 Equivalent stress diagram

圖8 等效應(yīng)變圖Fig.8 Equivalent strain diagram

由圖7和圖8可以看出,工況1下機(jī)器人的最大應(yīng)變在支架與工字鋼軌道連接處,為0.327 mm。同理,工況1下機(jī)器人的最大應(yīng)力在工字鋼軌道表面,為13.816 MPa。

對工況2、工況3進(jìn)行分析,得出工況與應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系,如表3所示。

表3 工況與應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系Tab.3 Working condition and stress strain relationship

與結(jié)構(gòu)鋼材料的性能參數(shù)對比可知,機(jī)器人在極限受力狀態(tài)下最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服應(yīng)力,滿足設(shè)計(jì)要求,故本設(shè)計(jì)合理。對減重助行機(jī)器人工作時(shí)的運(yùn)動情況進(jìn)行分析,得出正常工作狀態(tài)下施加給機(jī)器人的最大減重力為400 N,對機(jī)器人施加的最大拉力為1 300 N。據(jù)此選定機(jī)器人的尺寸,并用ANSYS軟件對減重助行機(jī)器人在3種工況下的運(yùn)行情況進(jìn)行有限元仿真,得出在3種工況下產(chǎn)生的最大應(yīng)力均小于結(jié)構(gòu)鋼材料的屈服應(yīng)力235 MPa,最大應(yīng)變也在合理范圍內(nèi),滿足使用要求。

3 結(jié)語

本研究針對有輕中度行走障礙的老年人設(shè)計(jì)了一款適用于室內(nèi)的減重助行機(jī)器人,對減重助行機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并用ANSYS軟件對減重助行機(jī)器人進(jìn)行了仿真分析,得出如下結(jié)論:減重助行機(jī)器人正常運(yùn)行和非工作狀態(tài)下,3種不同工況所產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變都在材料許用范圍內(nèi),機(jī)器人結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度與剛度要求。