攜行式外骨骼機械結構的強度計算與檢測
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引言
攜行式外骨骼是一種新型的、具有可穿戴功能的機械裝置，涉及機械、仿生、傳感、控制和信息處理等多項技術［1-2］，其基本思想是通過模擬人體骨骼系統，為人裝備額外的體外骨骼系統，使負重通過體外骨骼系統傳遞至鞋體，而后傳至地面，以此減輕人體對負重的承重。攜行式外骨骼的機械結構不但可以為穿戴者提供支撐和保護，而且還是控制系統和能源系統的安裝平臺，其結構強度設計的合理與否，直接決定了整個系統性能的優劣。隨著計算機仿真技術、傳感和測試技術的發展，對機械強度的研究方法和測試手段越來越多。為此，采用有限元法與電測法相結合的方法，對攜行式外骨骼機械結構進行強度計算和測試，為機械結構的修改和完善提供數值依據。
1有限元模型的建立和計算
1.1攜行式外骨骼機械系統的基本結構
攜行式外骨骼的機械系統分為背負系統、髖部承載系統、下肢承載系統和傳感靴系統。根據攜行式外骨骼技術的基本思想，對其進行擬人型機構設計。所謂擬人型機構設計是以人體為依據，進行機構空間位形設計，同時機構也能隨人體的運動，呈現機構空間的動態性變化并與人體一致，因而其空間特性是特定于人體，并且與人體運動相適應。這類機構從屬于人體，以自然狀態下人體的運動為根本，機構運動較好地反映人體的自然運動規律，從而保證攜行式外骨骼穿戴舒適性和運動協調性等要求［3］。根據擬人型機構設計方法，模擬人體大腿與髖部的連接形式，設置萬向節結構來滿足人在運動過程中機械結構的自由度要求;人在背負重物時，主要由背部肌肉和腿部肌肉提供動力，在進行機械結構設計時，使用兩組液壓系統模擬人體肌肉的收縮和拉伸。通過上述分析，使用Solidworks軟件，建立外骨骼機械系統的三維模型，如圖1所示。攜行式外骨骼的機械構件全部采用Q235鋼，彈性模量為206GPa，泊松比為0.28，具體機械結構尺寸參數如表1所示。
1.2建模和計算
在軟件Ansys中建立實體模型，并進行合理的單元網格劃分，采用Parasolid作為標準格式，實現Solidworks與Ansys兩個軟件之間的數據傳輸［4-8］。背架和傳感靴起保護和支撐作用，主要承力部件是髖部和腿部承載系統，有無背架和傳感靴對有限元分析結果影響不大，因此將有限元模型進行簡化，刪除背架和傳感靴。在進行網格劃分前，需要為實體模型分配單元屬性和設置網格劃分水平。
在Ansys中設置相應的材料屬性，并選擇solid92單元，對外骨骼機械結構的各個構件分配對應的單元屬性，設置自由剖分網格精度為8，劃分網格。液壓缸只傳遞彎矩和軸向力，不能傳遞轉矩，這種結構可以將活塞桿和缸體作為一個整體，用梁單元描述。在進行單元選擇時，采用beam188，定義截面屬性為圓柱截面，根據液壓桿活塞桿截面面積設計截面參數，劃分網格即可生成有限元模型，如圖2所示。當需要兩個或多個自由度取相同值時，可以將這些自由度耦合在一起。根據耦合原理，耦合三個平動和兩個轉動，等于釋放一個轉動自由度為銷接。液壓缸與各個部件之間的連接方式為銷接，髖部與大腿、大腿與小腿的連接方式也同樣是銷接。為了更加真實地反映模型在實際情況下的受力情況，將各個銷接部位進行耦合處理。具體步驟如下:(1)將模型中局部區域內的一部分節點耦合到一個特殊節點上，相當于在該局部區域形成一個局部剛體，建立剛性點，使用mass21單元。(2)耦合重合節點，通過在每對重合節點上定義自由度標記，生成一耦合集，實現對模型中重合節點的耦合，將相鄰的兩個剛性區域三個平動自由度和兩個轉動自由度進行耦合。通過稱量可得到物理樣機能源系統的質量為30kg，在進行物理樣機測試實驗中，背負150N的重物，因此應該在有限元模型中施加450N的垂向載荷;左右踝關節全約束，并對關節和液壓缸連接部位進行耦合處理，得到有限元模型，并進行求解計算，如圖3、圖4所示。
2電測法實驗測試
2.1實驗加載步驟
本次實驗主要測試人在穿戴第一代物理樣機，負載150N，豎直站立情況下機械結構的應力情況。共分為四種工況:①穿戴助力系統，豎直站立，空載，未開機。②穿戴助力系統，豎直站立，空載，開機。③穿戴助力系統，豎直站立，負載150N，未開機。④穿戴助力系統，豎直站立，負載150N，開機。
2.2測試過程和結果
穿戴者裝備上助力裝置以后，開機運行。外載荷通過背架傳到髖部承載系統，由于髖部承載系統與腿部承載系統的重心不在同一平面內，因此外載荷會對結構產生一個X方向的水平分力，這部分分力將由穿戴者承受;Y方向的豎直分力經髖部承載系統傳到腿部承載系統，控制系統根據受力情況，控制液壓油的流量和流速，由液壓缸為助力裝置提供動力，實現膝關節的旋轉，垂向載荷經大腿傳到小腿，最后經由鞋體傳至地面，完成整個傳遞過程。根據不同關節的受力情況，本次實驗對測試點的選取按以下標準進行:(1)根據有限元計算結果的測點選取。(2)有代表性的部位、危險斷面、應力突變斷面、應力符號和方向尚不清的斷面以及需作研究的斷面應設測點。(3)如果測量部位有孔洞、溝槽、圓角等局部應力集中的區域，即使它們不處于危險斷面，也應設測點。(4)測量方向應順主應力方向，主應力方向不清時應粘貼花式應變計。具體測試點選取如圖5所示。攜行式外骨骼質量(不包含大腿、小腿和傳感靴)為30kg。見表2、表3，工況2與工況1相比，應變值的變化是由機械結構支撐30kg的助力系統質量引起的。工況4與工況3相比，應變值的變化是由機械結構支撐30kg的助力系統質量和150N外部載荷引起的。
本次測試使用9組單式應變計和4組花式應變計。為了得到較為合理的應變測試數據，每種工況測試三次，對其讀數取平均值，具體數據見表2和表3。通過上述公式計算出各個應變計的應力值，并使用Ansys軟件，提取出模型相對應部位的有限元計算應力結果，見表4和表5。由表4和表5的計算結果可以看出，實驗測試數據與有限元計算結果近似相等，誤差較小，引起誤差的原因有以下幾種:(1)實驗測試過程中穿戴者作為一個支撐體，承載了一部分載荷，使得實際加載在助力裝置上的載荷達不到450N。(2)實驗測試過程中，穿戴者為了保持平衡，會主動調節重心，使得外載荷的重心位置與有限元計算過程中的載荷加載位置有偏差。(3)有限元計算過程中，將液壓缸缸體和活塞桿作為一個整體進行建模，沒有考慮航空液壓油的阻尼和剛度系數。(4)有限元計算過程中，對機械結構模型進行簡化，比如刪除了背架系統和鞋體。根據計算結果，對機械結構的修改提出以下建議:(1)小腿下端單獨采用合金鋼材料構件，通過其實現小腿與踝關節的連接。(2)模型中凡是變截面處與銷軸孔處均應倒鈍處理。
3結論
1)采用Parasolid作為標準格式，實現Solidworks與Ansys兩個軟件之間的數據傳輸，可提高建模速度，節約仿真計算時間;對各個構件連接部位，使用自由度耦合技術處理，使計算結果更加真實和準確。在以后的研究中，應當考慮航空液壓油的阻尼和剛度以及溫度場對機械結構的影響，使計算環境與實際情況更加吻合，減少計算誤差。2)穿戴者作為主觀因素承受了一部分垂向載荷，對實驗測試結果產生影響，因此應該建立一個支撐平臺，在保證助力系統安全、穩定的情況下，減少由于人為因素對測試結果的影響。3)使用靜態應力測試法，對攜行式外骨骼機械結構進行應力測試時，根據有限元計算結果選取測試點的貼片位置，提高貼片精度和速度;測量方向應順主應力方向，主應力方向不清時應粘貼花式應變計。4)對機械結構的設計提出修改建議，為機械結構模型的修改和完善提供數值依據。