携行式外骨骼机械结构的强度计算与检测

引言

携行式外骨骼是一种新型的、具有可穿戴功能的机械装置，涉及机械、仿生、传感、控制和信息处理等多项技术［1-2］，其基本思想是通过模拟人体骨骼系统，为人装备额外的体外骨骼系统，使负重通过体外骨骼系统传递至鞋体，而后传至地面，以此减轻人体对负重的承重。携行式外骨骼的机械结构不但可以为穿戴者提供支撑和保护，而且还是控制系统和能源系统的安装平台，其结构强度设计的合理与否，直接决定了整个系统性能的优劣。随着计算机仿真技术、传感和测试技术的发展，对机械强度的研究方法和测试手段越来越多。为此，采用有限元法与电测法相结合的方法，对携行式外骨骼机械结构进行强度计算和测试，为机械结构的修改和完善提供数值依据。

1有限元模型的建立和计算

1.1携行式外骨骼机械系统的基本结构

携行式外骨骼的机械系统分为背负系统、髋部承载系统、下肢承载系统和传感靴系统。根据携行式外骨骼技术的基本思想，对其进行拟人型机构设计。所谓拟人型机构设计是以人体为依据，进行机构空间位形设计，同时机构也能随人体的运动，呈现机构空间的动态性变化并与人体一致，因而其空间特性是特定于人体，并且与人体运动相适应。这类机构从属于人体，以自然状态下人体的运动为根本，机构运动较好地反映人体的自然运动规律，从而保证携行式外骨骼穿戴舒适性和运动协调性等要求［3］。根据拟人型机构设计方法，模拟人体大腿与髋部的连接形式，设置万向节结构来满足人在运动过程中机械结构的自由度要求;人在背负重物时，主要由背部肌肉和腿部肌肉提供动力，在进行机械结构设计时，使用两组液压系统模拟人体肌肉的收缩和拉伸。通过上述分析，使用Solidworks软件，建立外骨骼机械系统的三维模型，如图1所示。携行式外骨骼的机械构件全部采用Q235钢，弹性模量为206GPa，泊松比为0.28，具体机械结构尺寸参数如表1所示。

1.2建模和计算

在软件Ansys中建立实体模型，并进行合理的单元网格划分，采用Parasolid作为标准格式，实现Solidworks与Ansys两个软件之间的数据传输［4-8］。背架和传感靴起保护和支撑作用，主要承力部件是髋部和腿部承载系统，有无背架和传感靴对有限元分析结果影响不大，因此将有限元模型进行简化，删除背架和传感靴。在进行网格划分前，需要为实体模型分配单元属性和设置网格划分水平。

在Ansys中设置相应的材料属性，并选择solid92单元，对外骨骼机械结构的各个构件分配对应的单元属性，设置自由剖分网格精度为8，划分网格。液压缸只传递弯矩和轴向力，不能传递转矩，这种结构可以将活塞杆和缸体作为一个整体，用梁单元描述。在进行单元选择时，采用beam188，定义截面属性为圆柱截面，根据液压杆活塞杆截面面积设计截面参数，划分网格即可生成有限元模型，如图2所示。当需要两个或多个自由度取相同值时，可以将这些自由度耦合在一起。根据耦合原理，耦合三个平动和两个转动，等于释放一个转动自由度为销接。液压缸与各个部件之间的连接方式为销接，髋部与大腿、大腿与小腿的连接方式也同样是销接。为了更加真实地反映模型在实际情况下的受力情况，将各个销接部位进行耦合处理。具体步骤如下:(1)将模型中局部区域内的一部分节点耦合到一个特殊节点上，相当于在该局部区域形成一个局部刚体，建立刚性点，使用mass21单元。(2)耦合重合节点，通过在每对重合节点上定义自由度标记，生成一耦合集，实现对模型中重合节点的耦合，将相邻的两个刚性区域三个平动自由度和两个转动自由度进行耦合。通过称量可得到物理样机能源系统的质量为30kg，在进行物理样机测试实验中，背负150N的重物，因此应该在有限元模型中施加450N的垂向载荷;左右踝关节全约束，并对关节和液压缸连接部位进行耦合处理，得到有限元模型，并进行求解计算，如图3、图4所示。

2电测法实验测试

2.1实验加载步骤

本次实验主要测试人在穿戴第一代物理样机，负载150N，竖直站立情况下机械结构的应力情况。共分为四种工况:①穿戴助力系统，竖直站立，空载，未开机。②穿戴助力系统，竖直站立，空载，开机。③穿戴助力系统，竖直站立，负载150N，未开机。④穿戴助力系统，竖直站立，负载150N，开机。

2.2测试过程和结果

穿戴者装备上助力装置以后，开机运行。外载荷通过背架传到髋部承载系统，由于髋部承载系统与腿部承载系统的重心不在同一平面内，因此外载荷会对结构产生一个X方向的水平分力，这部分分力将由穿戴者承受;Y方向的竖直分力经髋部承载系统传到腿部承载系统，控制系统根据受力情况，控制液压油的流量和流速，由液压缸为助力装置提供动力，实现膝关节的旋转，垂向载荷经大腿传到小腿，最后经由鞋体传至地面，完成整个传递过程。根据不同关节的受力情况，本次实验对测试点的选取按以下标准进行:(1)根据有限元计算结果的测点选取。(2)有代表性的部位、危险断面、应力突变断面、应力符号和方向尚不清的断面以及需作研究的断面应设测点。(3)如果测量部位有孔洞、沟槽、圆角等局部应力集中的区域，即使它们不处于危险断面，也应设测点。(4)测量方向应顺主应力方向，主应力方向不清时应粘贴花式应变计。具体测试点选取如图5所示。携行式外骨骼质量(不包含大腿、小腿和传感靴)为30kg。见表2、表3，工况2与工况1相比，应变值的变化是由机械结构支撑30kg的助力系统质量引起的。工况4与工况3相比，应变值的变化是由机械结构支撑30kg的助力系统质量和150N外部载荷引起的。

本次测试使用9组单式应变计和4组花式应变计。为了得到较为合理的应变测试数据，每种工况测试三次，对其读数取平均值，具体数据见表2和表3。通过上述公式计算出各个应变计的应力值，并使用Ansys软件，提取出模型相对应部位的有限元计算应力结果，见表4和表5。由表4和表5的计算结果可以看出，实验测试数据与有限元计算结果近似相等，误差较小，引起误差的原因有以下几种:(1)实验测试过程中穿戴者作为一个支撑体，承载了一部分载荷，使得实际加载在助力装置上的载荷达不到450N。(2)实验测试过程中，穿戴者为了保持平衡，会主动调节重心，使得外载荷的重心位置与有限元计算过程中的载荷加载位置有偏差。(3)有限元计算过程中，将液压缸缸体和活塞杆作为一个整体进行建模，没有考虑航空液压油的阻尼和刚度系数。(4)有限元计算过程中，对机械结构模型进行简化，比如删除了背架系统和鞋体。根据计算结果，对机械结构的修改提出以下建议:(1)小腿下端单独采用合金钢材料构件，通过其实现小腿与踝关节的连接。(2)模型中凡是变截面处与销轴孔处均应倒钝处理。

3结论

1)采用Parasolid作为标准格式，实现Solidworks与Ansys两个软件之间的数据传输，可提高建模速度，节约仿真计算时间;对各个构件连接部位，使用自由度耦合技术处理，使计算结果更加真实和准确。在以后的研究中，应当考虑航空液压油的阻尼和刚度以及温度场对机械结构的影响，使计算环境与实际情况更加吻合，减少计算误差。2)穿戴者作为主观因素承受了一部分垂向载荷，对实验测试结果产生影响，因此应该建立一个支撑平台，在保证助力系统安全、稳定的情况下，减少由于人为因素对测试结果的影响。3)使用静态应力测试法，对携行式外骨骼机械结构进行应力测试时，根据有限元计算结果选取测试点的贴片位置，提高贴片精度和速度;测量方向应顺主应力方向，主应力方向不清时应粘贴花式应变计。4)对机械结构的设计提出修改建议，为机械结构模型的修改和完善提供数值依据。