基于醫(yī)學實驗的多自由度可調(diào)節(jié)人體復合訓練設(shè)備研究*

周好斌，唐 帥，劉澤強

（西安石油大學材料科學與工程學院，西安 710065）

0 引言

隨著當前社會的不斷進步和發(fā)展，醫(yī)療及醫(yī)學實驗變得尤為重要，因此人體醫(yī)學實驗設(shè)備的需求也不斷增加。分析與掌握人體離心機結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性是當前醫(yī)學實驗的首要任務(wù)。

國內(nèi)外對人體離心實驗設(shè)備做了大量研究。在新型短臂離心機的研制與應(yīng)用研究[1]、人力短臂離心機的研制與應(yīng)用研究[2]等之前研究中。上述研究雖然實現(xiàn)基本實驗要求，但沒有涉及到多自由度、可調(diào)加速度、實驗記錄分析。因而前人設(shè)計的設(shè)備存在一定的局限性。

本文設(shè)計的人體復合訓練設(shè)備是一種基于離心機結(jié)構(gòu)及改進，從而獲得醫(yī)學航空實驗所需的離心力的人體醫(yī)學實驗設(shè)備。基于目前國內(nèi)航空事業(yè)發(fā)展迅速，但隨著飛機性能的增加，飛行員在半空承受的G值不斷提高，高G值可引起飛行人員意識的喪失[1]，從而嚴重威脅飛行安全，并且長期處于失重環(huán)境下，會對人體機理有一定影響，會導致流體靜壓消失，體液頭向分布，引發(fā)機體生理發(fā)生適應(yīng)性變化，對神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、血液系統(tǒng)等造成不良影響，在返回地面后，飛行員會出現(xiàn)運動力下降，耐受力不足等一系列表現(xiàn)，因此失重實驗對于航空飛行至關(guān)重要。本文采用Solidworks對實驗設(shè)備進行建模和受力分析，分析目前實驗當中存在的自由度和加速度調(diào)節(jié)問題，設(shè)計一種多自由度、可調(diào)節(jié)加速度、帶影像記錄的人體復合訓練設(shè)備。針對以前實驗出現(xiàn)震動的問題，采用Abaqus建立有限元模型進行模態(tài)分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)和實驗參數(shù)實驗穩(wěn)定運行。驗證其準確性和有效性。

1 總體設(shè)計原理

1.1 基本運動原理

人體復合訓練設(shè)備是基于人工重力原理和轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計而成。本裝置由動力驅(qū)動部分、齒輪傳動部分、工作轉(zhuǎn)臂部分、載人臺和控制柜部分組成。

如圖1所示，人體復合訓練設(shè)備工作時，主要分3個方向的運動，一是圍繞主軸的旋轉(zhuǎn)運動；二是圍繞旋轉(zhuǎn)軸的左右搖擺運動；三是圍繞俯仰軸的前后移動運動；設(shè)備工作時圍繞主軸以ω角速度旋轉(zhuǎn)獲得實驗所需重力加速度，同時通過左右搖擺運動和前后移動獲得方向不同加速度G值，以達到實驗所需要求。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速大小和復合運動來實驗不同大小和方向的G值，這是該設(shè)備基本設(shè)計原理[3]。

圖1 人體復合訓練設(shè)備原理

向心力計算公式如下：

式中：m為物體質(zhì)量；g為重力加速度；R為回轉(zhuǎn)半徑；FN為向心力。

在工程上，離心機的轉(zhuǎn)速n單位通常為r/min，則：

綜合上式和圓周運動基本定理可得相對離心力計算公式[2]：

1.2 復合運動離心力計算原理

本文的人體復合訓練設(shè)備是一種基于基本圓周運動獲得離心力的訓練設(shè)備，同時通過復合運動來實驗運動中調(diào)節(jié)離心力大小的功能[4]。為此設(shè)計了前后移動和左右搖擺運動的設(shè)備結(jié)構(gòu)，通過前后移動調(diào)節(jié)半徑R來調(diào)節(jié)離心力大小，通過左右搖擺運動來調(diào)節(jié)角速度ω實現(xiàn)離心力的再次調(diào)節(jié)。圖2為離心力計算簡圖。

圖2 離心力計算簡圖

記設(shè)備的半徑為R，運動調(diào)節(jié)后的半徑為R1，設(shè)備在X軸運動距離為W，則有：

記設(shè)備原來的角速度為ω，設(shè)備沿X軸左右搖擺的角度為θ，調(diào)節(jié)后沿垂直X軸的角速度為ω，則：

因此再次計算離心力可得：

上式為向心力分量計算：

上式為相對離心力分量計算，上式的計算有利于后期設(shè)計設(shè)備結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和設(shè)計控制軟件時的參數(shù)設(shè)定。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

2.1 轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于整個人體復合訓練設(shè)備結(jié)構(gòu)，主軸的設(shè)計是最為基礎(chǔ)且重要的一步，其中主軸起到整個設(shè)備的支撐作用和旋轉(zhuǎn)獲得g值[5]，以及傳遞力和力矩的作用。所以主軸的結(jié)構(gòu)、剛度等直接影響整體設(shè)備的性能。如圖3所示。首先為了保證整體平穩(wěn)運行，采用強度較高，厚度大的旋轉(zhuǎn)主軸支撐結(jié)構(gòu)，同時采用雙軸承安裝旋轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部流通孔保證后續(xù)電機、控制器、驅(qū)動器、pc端等線路通過。底座和主軸連接采用4 cm高強度鋼圓盤連接，保證設(shè)備運轉(zhuǎn)之后整體穩(wěn)定性，同時底座設(shè)計多個螺孔，使用剛強度螺絲與底部地面連接，進一步加強穩(wěn)定性。

圖3 轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)

2.2 轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

轉(zhuǎn)臂是整個設(shè)備載人和旋轉(zhuǎn)的主要承力部件。但是同時為了保證整個設(shè)備旋轉(zhuǎn)的高速和平穩(wěn)，考慮風阻的情況，轉(zhuǎn)臂不能過于龐大，以及保證質(zhì)量不能過大。因此轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu)合理性對于設(shè)備至關(guān)重要[6]。如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)臂搖擺齒輪

對于轉(zhuǎn)臂的設(shè)計，首先需要滿足設(shè)備的基本運動和自由度，基本運動分為轉(zhuǎn)臂的左右搖擺和自身轉(zhuǎn)動，為此考慮結(jié)構(gòu)簡便高效下設(shè)計了轉(zhuǎn)臂搖擺齒輪結(jié)構(gòu)，同時為了保證設(shè)備的簡潔性轉(zhuǎn)臂搖擺齒輪設(shè)計為扇形齒輪，與電機齒輪相嚙合，在設(shè)備運轉(zhuǎn)時，電機轉(zhuǎn)動帶動轉(zhuǎn)臂搖擺齒輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)整體轉(zhuǎn)臂左右搖擺運動[6]。轉(zhuǎn)臂的整體框架設(shè)計采用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼板同時只保留了框架受力結(jié)構(gòu)部分框架，其余均挖空最大程度減少設(shè)備質(zhì)量，提高整體設(shè)備運轉(zhuǎn)速度以及平穩(wěn)性。如圖5~6所示。

圖5 轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)

圖6 載人臺移動齒

2.3 載人臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

載人臺是人體復合訓練設(shè)備的最后重要一環(huán)，載人臺結(jié)構(gòu)關(guān)乎人體實驗的舒適性，復合運動的準確定，設(shè)備的美觀性等。載人臺主要由載人臺底座，載人臺座椅，載人臺移動齒和步進電機組成。如圖7所示。

圖7 載人臺結(jié)構(gòu)

載人臺的運動主要分為座椅前后移動和座椅俯仰調(diào)節(jié)，通過步進電機連接齒輪嚙合載人臺移動齒[7]。通過驅(qū)動電機達到載人臺前后移動配合整體設(shè)備完成復合運動。同時載人臺前后帶有正負限位開關(guān)防止出現(xiàn)誤操作[8]。

整體結(jié)構(gòu)由底座框架連接轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)臂主軸轉(zhuǎn)動時帶動整體轉(zhuǎn)動，載人臺座椅通過兩個滑軌連接在底座上，座椅前方配備一個踏板，同時座椅可進行上下幅度調(diào)整以滿足人體舒適性，座椅采用人體工學設(shè)計，同時前后的限位開關(guān)最大程度保護人體實驗的安全性[9]。

3 總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計人體復合訓練設(shè)備時，主要需要解決多自由度和可調(diào)節(jié)加速度的模擬，為了滿足實驗需求，還需計算電機功率、設(shè)備轉(zhuǎn)速、風阻等影響。因此需要最大程度簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)，達到實驗要求，保證實驗真實性。

人體復合訓練設(shè)備結(jié)構(gòu)整體包括載人臺、轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)，驅(qū)動裝置由一個伺服電機和4個直流調(diào)速電機組成。如圖8所示，整體設(shè)備承軸向形狀，設(shè)備配備電機驅(qū)動器，控制器和上位機控制程序，精準控制設(shè)備運轉(zhuǎn)。設(shè)備整體安裝與底部支座，由電機向轉(zhuǎn)軸提供動力保證設(shè)備基本運行，實驗時啟動上位機程序控制控制器[10]，向電機發(fā)送指令，主軸開始運轉(zhuǎn)。并提前計算實驗所需參數(shù)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)左右擺動實現(xiàn)多自由度離心加速度控制，并通過轉(zhuǎn)速和載人臺前后移動控制離心加速度大小，實現(xiàn)實驗?zāi)M的真實性。

圖8 總體結(jié)構(gòu)

4 靜態(tài)支撐模擬分析

靜態(tài)支撐作為人體復合訓練設(shè)備中重要的支撐部位結(jié)構(gòu)，在設(shè)備運轉(zhuǎn)時隨著轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動會發(fā)生周期震動。因此，為了防止轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)和外部激勵頻率發(fā)生共振，影響結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)和實驗數(shù)據(jù)，在Abaqus中建立有限元模型進行模態(tài)分析[11]。

為了減少計算機工作量，對模型進行以下簡化操作：（1）將倒角、圓角和螺紋孔等忽略，降低網(wǎng)格劃分難度，提高計算精度和速度；（2）保留主要力學特征，將不影響計算準確性的零件簡化處理，如：螺栓、螺母和軸承等。

將簡化后的模型在Abaqus中建立靜止支撐的有限元模型，設(shè)置其材料屬性；靜止支撐的材料為Q235碳素鋼，輸入材料的密度、彈性模量和泊松比，如表1所示；然后建立裝配體，選擇線性攝動中的頻率分析；然后設(shè)置邊界條件，主要設(shè)置靜止支撐底部完全固定；然后進行網(wǎng)格的劃分，單元類型設(shè)置為（C3D8R）八結(jié)點線性六面體單元[12]，近似全局尺寸選擇合適參數(shù)，其他參數(shù)保持默認值；最后提交作業(yè)，查看計算結(jié)果。

表1 材料參數(shù)

靜態(tài)支撐前4階振型圖如圖9所示，固有頻率如表2所示，根據(jù)復合訓練設(shè)備計算工作工程最大轉(zhuǎn)速不超過25 r/min，因此計算工作中所產(chǎn)生的激勵頻率遠低于1 246 Hz，所以工作中不會發(fā)生共振，結(jié)構(gòu)運行穩(wěn)定[13-14]。

表2 靜態(tài)支撐的固有頻率

圖9 靜態(tài)支撐前4階振型

5 測試驗證與結(jié)果分析

依據(jù)工程圖紙對人體復合訓練設(shè)備進行生產(chǎn)加工，進行實際裝配后，主要關(guān)注機械結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)裝配錯誤，加工誤差等。運行途中是否出現(xiàn)干、共振等問題。加工設(shè)備如圖10所示[15]。

圖10 人體復合訓練設(shè)備實物

在設(shè)備測試過程中，首先驗證設(shè)備機械運轉(zhuǎn)是否正常，其次測試設(shè)備初期設(shè)計的多自由度和可調(diào)節(jié)加速度，通過控制模式精準控制設(shè)備轉(zhuǎn)臂搖擺和前后移動，設(shè)備在運轉(zhuǎn)中可成功實現(xiàn)多自由度調(diào)節(jié)和加速度精準控制。且設(shè)備運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無共振和噪聲出現(xiàn)。通過對設(shè)備的運行調(diào)試，結(jié)果表明離心機總體結(jié)構(gòu)可靠，在最大轉(zhuǎn)速下，運行過程穩(wěn)定，達到了預(yù)期效果，并且滿足最大加速度變化率，能夠達到動加載實驗需要。在主軸運轉(zhuǎn)過程中，實現(xiàn)了多個軸向的加速度模擬，模擬出真實的飛行環(huán)境。最后經(jīng)過參數(shù)設(shè)置和調(diào)整，本方案的人體復合訓練設(shè)備預(yù)防了共振的發(fā)生，綜合性能滿足實驗要求。

6 結(jié)束語

（1）對人體復合訓練設(shè)備總體方案進行合理設(shè)計、設(shè)備運行狀態(tài)進行分析研究、設(shè)備運行震動進行測試研究。解決了人體復合訓練設(shè)備實驗中自由度單一的問題，實現(xiàn)加速度精準可調(diào)節(jié)控制，解決了以往設(shè)備運行中途共振的問題[16]。

（2）本文對人體復合訓練設(shè)備總體基本離心力進行計算，并對總體結(jié)構(gòu)合理設(shè)計。使用Solidworks對各個結(jié)構(gòu)進行設(shè)計并裝配，模擬設(shè)備運行狀態(tài)進行合理改進。最終確定人體復合訓練設(shè)備的總體和各個零件尺寸，計算設(shè)備所需最大功率，合理選型電機裝配。

（3）在模擬運行等完成后，加工各個結(jié)構(gòu)，選型電機，在工廠進行加工裝配測試，連接電機、驅(qū)動器、控制器、上位機等線路，最終裝配完成測試設(shè)備實際運行狀態(tài)。工作運行狀態(tài)穩(wěn)定，滿足實驗要求參數(shù)。為研究人員對于人體在高空飛行狀態(tài)下的身體情況提供理論數(shù)據(jù)。