攜行式外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)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(jī)械裝置，涉及機(jī)械、仿生、傳感、控制和信息處理等多項(xiàng)技術(shù)［1-2］，其基本思想是通過模擬人體骨骼系統(tǒng)，為人裝備額外的體外骨骼系統(tǒng)，使負(fù)重通過體外骨骼系統(tǒng)傳遞至鞋體，而后傳至地面，以此減輕人體對負(fù)重的承重。攜行式外骨骼的機(jī)械結(jié)構(gòu)不但可以為穿戴者提供支撐和保護(hù)，而且還是控制系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的安裝平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的合理與否，直接決定了整個(gè)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、傳感和測試技術(shù)的發(fā)展，對機(jī)械強(qiáng)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(jié)合的方法，對攜行式外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和測試，為機(jī)械結(jié)構(gòu)的修改和完善提供數(shù)值依據(jù)。

1有限元模型的建立和計(jì)算

1.1攜行式外骨骼機(jī)械系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

攜行式外骨骼的機(jī)械系統(tǒng)分為背負(fù)系統(tǒng)、髖部承載系統(tǒng)、下肢承載系統(tǒng)和傳感靴系統(tǒng)。根據(jù)攜行式外骨骼技術(shù)的基本思想，對其進(jìn)行擬人型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。所謂擬人型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是以人體為依據(jù)，進(jìn)行機(jī)構(gòu)空間位形設(shè)計(jì)，同時(shí)機(jī)構(gòu)也能隨人體的運(yùn)動(dòng)，呈現(xiàn)機(jī)構(gòu)空間的動(dòng)態(tài)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(yùn)動(dòng)相適應(yīng)。這類機(jī)構(gòu)從屬于人體，以自然狀態(tài)下人體的運(yùn)動(dòng)為根本，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)較好地反映人體的自然運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而保證攜行式外骨骼穿戴舒適性和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性等要求［3］。根據(jù)擬人型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，模擬人體大腿與髖部的連接形式，設(shè)置萬向節(jié)結(jié)構(gòu)來滿足人在運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)械結(jié)構(gòu)的自由度要求;人在背負(fù)重物時(shí)，主要由背部肌肉和腿部肌肉提供動(dòng)力，在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，使用兩組液壓系統(tǒng)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(jī)械系統(tǒng)的三維模型，如圖1所示。攜行式外骨骼的機(jī)械構(gòu)件全部采用Q235鋼，彈性模量為206GPa，泊松比為0.28，具體機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示。

1.2建模和計(jì)算

在軟件Ansys中建立實(shí)體模型，并進(jìn)行合理的單元網(wǎng)格劃分，采用Parasolid作為標(biāo)準(zhǔn)格式，實(shí)現(xiàn)Solidworks與Ansys兩個(gè)軟件之間的數(shù)據(jù)傳輸［4-8］。背架和傳感靴起保護(hù)和支撐作用，主要承力部件是髖部和腿部承載系統(tǒng)，有無背架和傳感靴對有限元分析結(jié)果影響不大，因此將有限元模型進(jìn)行簡化，刪除背架和傳感靴。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分前，需要為實(shí)體模型分配單元屬性和設(shè)置網(wǎng)格劃分水平。

在Ansys中設(shè)置相應(yīng)的材料屬性，并選擇solid92單元，對外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件分配對應(yīng)的單元屬性，設(shè)置自由剖分網(wǎng)格精度為8，劃分網(wǎng)格。液壓缸只傳遞彎矩和軸向力，不能傳遞轉(zhuǎn)矩，這種結(jié)構(gòu)可以將活塞桿和缸體作為一個(gè)整體，用梁單元描述。在進(jìn)行單元選擇時(shí)，采用beam188，定義截面屬性為圓柱截面，根據(jù)液壓桿活塞桿截面面積設(shè)計(jì)截面參數(shù)，劃分網(wǎng)格即可生成有限元模型，如圖2所示。當(dāng)需要兩個(gè)或多個(gè)自由度取相同值時(shí)，可以將這些自由度耦合在一起。根據(jù)耦合原理，耦合三個(gè)平動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，等于釋放一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度為銷接。液壓缸與各個(gè)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(shí)地反映模型在實(shí)際情況下的受力情況，將各個(gè)銷接部位進(jìn)行耦合處理。具體步驟如下:(1)將模型中局部區(qū)域內(nèi)的一部分節(jié)點(diǎn)耦合到一個(gè)特殊節(jié)點(diǎn)上，相當(dāng)于在該局部區(qū)域形成一個(gè)局部剛體，建立剛性點(diǎn)，使用mass21單元。(2)耦合重合節(jié)點(diǎn)，通過在每對重合節(jié)點(diǎn)上定義自由度標(biāo)記，生成一耦合集，實(shí)現(xiàn)對模型中重合節(jié)點(diǎn)的耦合，將相鄰的兩個(gè)剛性區(qū)域三個(gè)平動(dòng)自由度和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度進(jìn)行耦合。通過稱量可得到物理樣機(jī)能源系統(tǒng)的質(zhì)量為30kg，在進(jìn)行物理樣機(jī)測試實(shí)驗(yàn)中，背負(fù)150N的重物，因此應(yīng)該在有限元模型中施加450N的垂向載荷;左右踝關(guān)節(jié)全約束，并對關(guān)節(jié)和液壓缸連接部位進(jìn)行耦合處理，得到有限元模型，并進(jìn)行求解計(jì)算，如圖3、圖4所示。

2電測法實(shí)驗(yàn)測試

2.1實(shí)驗(yàn)加載步驟

本次實(shí)驗(yàn)主要測試人在穿戴第一代物理樣機(jī)，負(fù)載150N，豎直站立情況下機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況。共分為四種工況:①穿戴助力系統(tǒng)，豎直站立，空載，未開機(jī)。②穿戴助力系統(tǒng)，豎直站立，空載，開機(jī)。③穿戴助力系統(tǒng)，豎直站立，負(fù)載150N，未開機(jī)。④穿戴助力系統(tǒng)，豎直站立，負(fù)載150N，開機(jī)。

2.2測試過程和結(jié)果

穿戴者裝備上助力裝置以后，開機(jī)運(yùn)行。外載荷通過背架傳到髖部承載系統(tǒng)，由于髖部承載系統(tǒng)與腿部承載系統(tǒng)的重心不在同一平面內(nèi)，因此外載荷會(huì)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)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(jīng)髖部承載系統(tǒng)傳到腿部承載系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)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(dòng)力，實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，垂向載荷經(jīng)大腿傳到小腿，最后經(jīng)由鞋體傳至地面，完成整個(gè)傳遞過程。根據(jù)不同關(guān)節(jié)的受力情況，本次實(shí)驗(yàn)對測試點(diǎn)的選取按以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行:(1)根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果的測點(diǎn)選取。(2)有代表性的部位、危險(xiǎn)斷面、應(yīng)力突變斷面、應(yīng)力符號和方向尚不清的斷面以及需作研究的斷面應(yīng)設(shè)測點(diǎn)。(3)如果測量部位有孔洞、溝槽、圓角等局部應(yīng)力集中的區(qū)域，即使它們不處于危險(xiǎn)斷面，也應(yīng)設(shè)測點(diǎn)。(4)測量方向應(yīng)順主應(yīng)力方向，主應(yīng)力方向不清時(shí)應(yīng)粘貼花式應(yīng)變計(jì)。具體測試點(diǎn)選取如圖5所示。攜行式外骨骼質(zhì)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(yīng)變值的變化是由機(jī)械結(jié)構(gòu)支撐30kg的助力系統(tǒng)質(zhì)量引起的。工況4與工況3相比，應(yīng)變值的變化是由機(jī)械結(jié)構(gòu)支撐30kg的助力系統(tǒng)質(zhì)量和150N外部載荷引起的。

本次測試使用9組單式應(yīng)變計(jì)和4組花式應(yīng)變計(jì)。為了得到較為合理的應(yīng)變測試數(shù)據(jù)，每種工況測試三次，對其讀數(shù)取平均值，具體數(shù)據(jù)見表2和表3。通過上述公式計(jì)算出各個(gè)應(yīng)變計(jì)的應(yīng)力值，并使用Ansys軟件，提取出模型相對應(yīng)部位的有限元計(jì)算應(yīng)力結(jié)果，見表4和表5。由表4和表5的計(jì)算結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果近似相等，誤差較小，引起誤差的原因有以下幾種:(1)實(shí)驗(yàn)測試過程中穿戴者作為一個(gè)支撐體，承載了一部分載荷，使得實(shí)際加載在助力裝置上的載荷達(dá)不到450N。(2)實(shí)驗(yàn)測試過程中，穿戴者為了保持平衡，會(huì)主動(dòng)調(diào)節(jié)重心，使得外載荷的重心位置與有限元計(jì)算過程中的載荷加載位置有偏差。(3)有限元計(jì)算過程中，將液壓缸缸體和活塞桿作為一個(gè)整體進(jìn)行建模，沒有考慮航空液壓油的阻尼和剛度系數(shù)。(4)有限元計(jì)算過程中，對機(jī)械結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡化，比如刪除了背架系統(tǒng)和鞋體。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對機(jī)械結(jié)構(gòu)的修改提出以下建議:(1)小腿下端單獨(dú)采用合金鋼材料構(gòu)件，通過其實(shí)現(xiàn)小腿與踝關(guān)節(jié)的連接。(2)模型中凡是變截面處與銷軸孔處均應(yīng)倒鈍處理。

3結(jié)論

1)采用Parasolid作為標(biāo)準(zhǔn)格式，實(shí)現(xiàn)Solidworks與Ansys兩個(gè)軟件之間的數(shù)據(jù)傳輸，可提高建模速度，節(jié)約仿真計(jì)算時(shí)間;對各個(gè)構(gòu)件連接部位，使用自由度耦合技術(shù)處理，使計(jì)算結(jié)果更加真實(shí)和準(zhǔn)確。在以后的研究中，應(yīng)當(dāng)考慮航空液壓油的阻尼和剛度以及溫度場對機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響，使計(jì)算環(huán)境與實(shí)際情況更加吻合，減少計(jì)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(shí)驗(yàn)測試結(jié)果產(chǎn)生影響，因此應(yīng)該建立一個(gè)支撐平臺(tái)，在保證助力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的情況下，減少由于人為因素對測試結(jié)果的影響。3)使用靜態(tài)應(yīng)力測試法，對攜行式外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力測試時(shí)，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果選取測試點(diǎn)的貼片位置，提高貼片精度和速度;測量方向應(yīng)順主應(yīng)力方向，主應(yīng)力方向不清時(shí)應(yīng)粘貼花式應(yīng)變計(jì)。4)對機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出修改建議，為機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的修改和完善提供數(shù)值依據(jù)。