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基于SolidWorks仿真技术的下肢外骨骼助力系统设计

发表时间: 2017/11/17 作者: 张红霞*桂伟*陈晓航 来源: 互联网
对自行设计的下肢外骨骼助力系统运动过程进行了分析,并应用SolidWorks软件进行了有限元分析,验证了机械结构的实用性和合理性。
 

0 引言

    外骨骼式机器人是一种可穿戴式的仿生机器人,它具有为使用者提供支撑、保护和助力等功能。下肢外骨骼助力机器人是一种可穿戴式下肢助力装置,根据人机结合的拟人化思想设计,模拟人体下肢步态运动过程,帮助搬运作业人员省力。

    本文对自行设计的下肢外骨骼助力系统进行了运动机理分析,并应用SolidWorks软件进行了结构仿真,以验证机械结构的实用性和合理性。

1 机械结构

    本下肢外骨骼机械部分从下到上依次由脚踏板、踝关节、膝关节、髋关节、大腿旋转结构和腰部结构组成。机械外形图如图1所示,每一部分结构设计都经过了强度校核计算。

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2 人体运动分析

    为了使整套外骨骼系统能够更好的与人体配合协作,适应各种形式的人体运动(正常步行,上下楼梯,蹲下起立),提供稳定、高效、可靠的持续助力,所以需要在外骨骼的控制系统中植入一整套完善的人体运动参数。由此,我们弓进OpenCV技术,对采集到的视频输入中的人体运动进行处理,通过对整个人体运动过程进行跟踪,分割,再结合CGA人体运动参数估计,最终得到我们所需要的人体运动分析。

2 . 7 步行周期

    人在步行过程中,从一侧脚跟着地开始,一直持续到同侧脚跟再次着地为止,这整段过程所用的时间称为一个步行周期。在一个步行周期内,该侧下肢需要经历两个阶段,即有地面支撑阶段和空中摆动阶段。因此,一个完整的步行周期可以被分为支撑期和摆动期,也称为支撑相和摆动相。

2 . 2 支撑相

    在一个步行周期内,从一侧后脚跟着地到该侧前脚趾离地的整个过程称为支撑相,支撑相占据了整个步行周期60%的时间,在此时间内完成了从后脚跟着地到前脚趾离地的整个动作,其中包括了后脚跟着地、全脚掌着地、后脚跟离地和前脚趾离地几个细分过程,分别对应的是开始站立期、预承重期、站立中期和站立末期4个时期。

2 . 3 摆动相

    在一个步行周期内,从一侧前脚趾离地到该侧后脚跟再次着地的整个过程称为摆动相,摆动相占据了整个步行周期40%的时间,在此期间内下肢在空中摆动,不与地面发生接触,从加速运动到减速运动,因此,摆动相又可以细分为摆动前期、摆动初期、摆动中期和摆动末期。

3 SolidWorks Simulation分析

3 . 1 大腿装配体仿真分析

    1) 创建新算例。因为大腿部分组件是电机驱动的主要部分,而在其中尤以调节机构处结构最复杂,所以我们对其进行静应力分析,见图2。

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    2) 设置零件材料。依据设计零件的材料需求,我们选择1060铝合金材料,并对材料的力学属性进行设置。

    3) 设置连接。添加零部件相触,选择整个装配体,为模拟调节套筒对齿形啮合部分的包裹和固定作用,选择“大腿下”的圆柱面和调节套筒的内圆柱面,将其类型设置为“接合”。为保证装配体在进行仿真时不出现干涉等错误,添加相触面组,选择“大腿下”和“大腿调节杆”齿形相接触的两个面,将其设置为“无穿透”。

    4) 添加夹具。由于膝关节在与关节转轴的连接处是固定的,故选择零件“大腿下”处的两个圆柱面,将其固定。

    5) 添加外部载荷。为分析运动外骨骼搬运系统的电机工作带动“大腿”转动时,上肢各个部位的受力情况是否符合设计,按其工作实际情况,模拟给“装配体上肢”加载一个90N的力,如图3。

    6) 生成网格。生成如图4有限元网格。

    7) 查看应力图解。将其显示限值定义为0和27.5742(此为材料的屈服强度),如图5所示。选择零件“大腿调节杆”和“大腿上”,以便观察被“调节套筒”遮挡住的齿形结合部位的受力情况。

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    8) 查看安全系数图解。单击“结果”右键,选择“定义安全系数图解”,单击“安全系数1”右键,选择“图表选项”,为方便观察,勾选“显示最小注解”和“显示最大注解”,并将其显示限值定义为0和10。

4 结果分析

    为保证设计的结构能在实际条件下正常工作,验证零件的设计参数是否合理,根据运动外骨骼搬运系统的工况,对“上肢装配体”添加了严格、合理的约束和加载力。由“应力图解”可知“上肢装配体”受到的最小应力为0.007MPa,最大应力为20.095MPa,而材料的屈服应力为27.574MPa,大于最大应力。此外,其最小安全系数也达到了1.4(大于1),证明此设计是符合要求的。

    在调节机构处,整体结构复杂,且承力状况多样化,所以我们对此处进行了静应力分析。为保证设计的结构能在实际条件下正常工作,对下肢装配体仿真分析,验证零件的设计参数是否合理,根据运动外骨骼搬运系统的工况,对“下肢装配体”添加了严格、合理的约束和加载力。由“应力图解”可知“上肢装配体”受到的最小应力为0.001MPa,最大应力为24.830MPa,而材料的屈服应力为27.574MPa,大于最大应力。此外,其最小安全系数也达到了1.1(大于1),证明此设计是符合要求的。



责任编辑:郝秋红