基于ANSYS Workbench的穿戴式外骨骼髖關節橫梁優化設計

李美成，陳岱民

(1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022;2.長春大學 機械與車輛工程學院，長春 130022)

基于ANSYS Workbench的穿戴式外骨骼髖關節橫梁優化設計

李美成1，陳岱民2

(1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022;2.長春大學 機械與車輛工程學院，長春 130022)

應用擬人設計方法構建穿戴式外骨骼模型，對其關鍵部件髖關節橫梁進行了拓撲優化和目標驅動優化，減輕了髖關節橫梁的重量，使其結構合理、穿戴舒適，為進一步研究穿戴式下肢外骨骼奠定基礎。

ANSYS Workbench;靜力結構分析;優化設計;外骨骼

0 引言

外骨骼是一種可穿戴在下肢外部的行走助力機械裝置(亦稱穿戴式外骨骼)，涉及到機械、仿生、傳感、控制和信息處理等多項技術。外骨骼主要是通過模擬人體下肢骨骼系統，仿照下肢行走步態來設計，裝備人體下肢的外骨骼助力系統，對下肢障礙者進行康復訓練［1］。可穿戴式外骨骼的研究最早出現于美國，其次是日本。國外穿戴式外骨骼代表是美國的BLEEX(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton)、日本的HAL(Hybrid Assistive Leg)和新西蘭一家生物技術公司研發的雷克斯(Rex)(Robotic Exoskeleton)外骨骼機器人。國內的浙江大學、中科院合肥智能所都研制出了可穿戴式步行助力機器人原型樣機［2］。在國內外穿戴式外骨骼的研究中都存在以下不足:

(1)尺寸不可調，不能廣泛適用于各類型患者;

(2)主動關節驅動為氣缸驅動，由于氣缸的行程長度影響外骨骼關節運動范圍，下肢得不到高效、充分的康復訓練;

(3)下肢外骨骼自由度都有所精簡，外骨骼運動只能在二維平面能運動。

本文采用擬人設計法研究設計了新型外骨骼，該外骨骼尺寸可調、電機直接驅動關節、下肢自由度數與人體相同，此外骨骼能對下肢能進行全方位、高效、充分、立體的康復訓練。外骨骼結構設計的合理與否決定了整個外骨骼性能的優劣，在穿戴式外骨骼結構中，髖關節起著連接左右下肢和支撐腰部的作用，對其進行優化設計具有極大的實用意義。

1 建立穿戴式外骨骼三維模型

外骨骼采取擬人型機構設計，擬人型機構設計是以人體下肢骨骼系統、下肢運動軌跡為依據，進行機構的形位設計，保證了外骨骼的空間運動軌跡與人體下肢運動軌跡的一致。這類機構的運行是以自然狀態下人體的運動為參考，因而要滿足其穿戴舒適性和運動協調性等要求［3］。

根據中國青年人人體基本物理參數平均數來設計外骨骼各構件的尺寸，設計的外骨骼結構如圖1所示。該外骨骼的機械結構分為髖關節及背架、膝關節及下肢、踝關節及腳部承載三個部分。設計時把髖關節的內收/外展放在人體腰后背部，旋內/旋外、前屈/后伸串聯在人體髖關節外側處;前屈/后伸為主動關節，其余為被動關節。主動關節用步進電動機來驅動，執行關節屈伸功能。

外骨骼除要承受身體自身重力外，還要承受外骨骼動力系統的重力。通過分析可知，圖1中髖關節橫梁是承受力與傳送力的關鍵部件。其三維模型如圖2所示。

圖1 穿戴式外骨骼三維模型

圖2 髖關節橫梁三維模型

2 建立髖關節橫梁結構有限元模型和進行靜力分析

2.1 建立有限元模型

(1)材料的選擇

橫梁材料選為鋁合金，鋁合金的彈性模量為7.2×1010Pa，泊松比0.33，密度為2.7×103kg/m3。

(2)劃分網格

網格劃分是有限元數值模擬分析非常重要的一步［4］，本文網格劃分采用自由網格劃分法。自由網格劃分，對實體模型的形狀沒有特殊的要求，任何幾何模型，甚至是不規則的幾何體，也可以進行網絡剖分。相對于較復雜幾何模型而言，這種方法省時省力。網格單元設為4mm。網格劃分結果如圖3所示。

圖3 髖關節橫梁網格劃分圖

2.2 施加載荷邊界條件并求解

圖4 橫梁的載荷與約束

根據使用條件對髖關節橫梁施加固定約束和載荷(見圖4)，構件所受載荷是圓環下表面收到拉力，大小為1.22MP。然后對應力和總變形進行后處理求解，得到應力云圖(圖5)、總變形圖(圖6)。從圖5和圖6中可以看出髖關節橫梁的最大應力為267.39MP，最大總變形為6.1299mm。

圖5 橫梁的靜態應力圖

圖6 橫梁的總變形圖

3 拓撲優化設計

拓撲優化設計不需要優化設計變量，它將整個結構上的質量分布函數作為優化參數，優化目標是在滿足所給定的約束條件下，使所選擇的優化指標最小化或最大化［5］。為減輕髖關節橫梁的質量，對其進行拓撲優化，同時在強度、剛度上滿足使用要求。

拓撲優化條件的目標是質量減少20%。對橫梁結構進行形狀拓撲優化，優化結果如圖7所示。圖中紅色區域為可切除區域，棕色部分表示的是可以切除也可以根據實際情況予以保留的部分，灰色部分為保留部分。對構件形狀進行修改，要根據結構實際情況，不必完全與優化結果一致［6］，拓撲優化后的橫梁結構如圖8所示。對拓撲優化后的橫梁進行線形靜力分析，施加的約束與載荷與拓撲優化前完全相同。分析結果如圖9所示，從圖9中可以看出橫梁的最大應力為266.77MP、總變形為6.1655mm。

圖7 髖關節橫梁拓撲優化結果

圖8 改進后的模型

圖9 改進模型的靜力分析

4 目標驅動優化

目標驅動優化實際上它是一種多目標優化技術，是從給出的一組樣本(即一定量的設計點)中得出“最佳”的設計點。

(1)定義髖關節橫梁的長度(L)、承受拉力(F)為輸入變量;定義髖關節橫梁的質量、最大應力、總變形為輸出變量。依據具體條件，輸入變量的變化條件:80mm≤L≤130mm，1.02MP≤F≤1.32MP。要求最大應力Pf≤260MP，優化目標是最大應力、總變形、質量減小。

(2)優化求解，找出“最佳”設計點?！白罴选痹O計點的數據為橫梁長度L=105.48;承受拉力F=1.02MP;橫梁質量m=0.207kg;橫梁總變形量TD=4.9011mm。達到總變形減小、最大應力Pf＜260MP的目標。把這組數據導入模型中，然后對優化后的模型進行線形靜力結構分析。

5 優化結果

ANSYS Workbench對髖關節橫梁構件優化分析結果如表1所示。

表1 優化前后數據對比

由表1可看出，優化后構件質量減少了0.02389kg，占原總質量的10.4%;構件的最大應力、總變形減小。

6 結語

采用ANSYS Workbench對模型進行有限元分析，結果表明:(1)建立的有限元模型是符合實際的;(2)優化策略是合理可行的;(3)通過優化，在滿足使用要求的前提下，構件的最大應力、總變形減小，減輕了外骨骼的重量，也使外骨骼的結構更加緊湊合理，與人體下肢擬合的更好，穿戴更加舒適。也為外骨骼整體的靜力分析和瞬時動力學分析打下基礎。

［1］尹軍茂.穿戴式下肢外骨骼機構分析與設計［D］.北京:北京工業大學，2010.

［2］陳峰，卞麗琴，吳寶元.可穿戴型助力機器人動力學分析與仿真［J］.實驗科學與技術，2009(1):30-34.

［4］浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎教程與實例詳解［M］.北京:中國水利水電出版社，2013.

［5］劉偉，高維成，于廣濱.ANSYS 12.0寶典［M］.北京:電子工業出版社，2010.

［6］查太東，楊萍.基于ANSYS Workbench的固定支架優化設計［J］.煤礦機械報，2012(2):28-30.

［7］許行之.基于Solid Works ANSYS的管道清灰機器人操作臂有限元分析［J］.機械傳動，2010(2):66-67.

［8］F.H.Dara，J.R.Meakin，R.M.Aspden，Statistical methods in finite element Analysis，Journal of Biomechanics，2002，35(9):1155-1161.

［9］K.H.Lee，D.H.Kang.Structural optimization of an automotive door using the kriging interpola-tion method［J］.Journal of Automobile Engineering，2007，221(12):1525-1534.

［10］鄭鑫.大客車車架結構的有限元分析及優化設計［D］.大連:大連理工大學，2004.

Optimization Design for Wearable Exoskeleton Hip Joint Beam Based on ANSYS Workbench

LI Mei-cheng1，CHEN Dai-min2
(1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China;2.College of Machinery and Vehicle，Changchun University，Changchun 130022，China)

This paper establishes a wearable exoskeleton model by using personification design method and carries out topology optimization and goal-driven optimization on its key component hip joint beam，which reduces the weight of hip beam，making its structure reasonable and comfortable.This design lays a foundation for the further study on wearable lower extremity exoskeleton.

ANSYS Workbench;static structural analysis;optimization design;exoskeleton

TP242.3

A

1009-3907(2013)10-1234-04

2013-09-18

李美成(1986-)，男，安徽阜陽人，碩士研究生，主要從事現代機械設計理論與方法研究;

陳岱民(1962-)，男，吉林長春人，教授，博士，主要從事機械設計及理論研究。

責任編輯:

吳旭云