基于ANSYS的減重助行機器人結構分析

孫 雅, 張 軍, 許靖宜, 周德威

(1.安徽理工大學 人工智能學院,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學 機械工程學院,安徽 淮南 232001)

隨著人口老齡化程度的加深,有輕中度行走障礙的老年人不斷增加,他們有一定的行動能力,能夠獨立完成或借助醫療器械完成基本的步行運動。減重助行機器人不但能幫助老年人減少行走過程中自身所受的重力,更好地發揮肌肉力量完成行走訓練,還能幫助老年人進行必要的腿部康復訓練,防止肌肉勞損或者壞死,最大限度延緩身體衰老,對改善或恢復老年人正常行走能力具有重大意義[1]。減重助行機器人屬于醫療機器人,可以分為兩種主要類型:康復訓練機器人和輔助型訓練機器人?？祻陀柧殭C器人的功能是幫助使用者完成各種主、被動康復訓練;輔助型訓練機器人的功能是幫助使用者補全退化的機體功能,讓使用者可以完成正常生活所需要的各種行走動作[2-3]。本研究針對有輕中度行走障礙的老年人設計了一款室內輔助型減重助行機器人,以懸掛式工字鋼作為減重助行機器人的運行軌道,以力矩電機作為減重機構,以移動小車作為輔助驅動力,輔助有行走障礙的老年人完成行走鍛煉,延緩老年人腿部肌肉的衰老,使其恢復基本行走能力[4]。減重助行機器人在正常工作時,將承載使用者的全部質量,為驗證機器人是否符合正常使用要求及在極限載荷下的應力、應變,需要對減重助行機器人進行ANSYS有限元分析,以保證機器人結構的安全和穩定。

1 機器人結構設計

對機器人的應用場景、適用對象及結構進行分析,確定本次設計的減重助行機器人為室內輔助型機器人,再根據減重助行機器人所要實現的功能設計機器人的整體結構。

1.1 機器人結構設計思路

減重助行機器人的整體設計思路如圖1所示。首先確定需要設計的減重助行機器人為室內機器人且為輔助型訓練機器人,其次考慮老年人訓練過程中的體驗感,決定將機器人設計為工字鋼環形軌道,而不是目前使用較多的原地踏步或安裝跑步機的形式,可根據老年人實際情況確定機器人整體尺寸,最后對減重助行機器人進行有限元分析,校核其結構穩定性。

圖1 設計思路Fig.1 Design idea

1.2 機器人硬件結構設計

減重助行機器人的硬件結構分為運行軌道、移動小車、減重機構及扶手四大構件。運行軌道主要由支撐架和軌道組成,其中支撐架通過螺栓與地面連接,是整個機器人的主要受力結構,軌道由工字鋼構成并與支撐架連接,共同給移動小車提供支撐力;移動小車作為減重助行機器人的主要運動機構,由步進電機驅動行走輪,給老年人提供步行訓練的驅動力,結合導向輪在工字鋼軌道上運動,導向輪分布在導軌左右兩側,結構對稱;減重機構主要由滑輪組和電機組成,電機提供大小可控的力,滑輪組可以減少電機的輸出力;扶手在老年人行走訓練過程中起到安全防護的作用[5-6]。

由于移動小車、減重機構、扶手等都安裝在軌道上,而且需要往復運動,所以須保證工字鋼軌道有足夠的強度和剛度?？紤]到工字鋼軌道的極限受力情況,工作過程中最大減重力不超過自身所受重力的40%,再加上小車和其他機構所受的重力,假設運動機構整體所受重力為300 N,老年人最大體重為1 000 N,體重的40%即400 N[7],也就是說在正常工作狀態下,工字鋼軌道受到的極限壓力為700 N?？紤]到實際應用中可能有人會將全部體重作用在扶手和鋼絲繩上,因此為確保絕對安全,工字鋼軌道所受極限壓力設置為1 300 N,雖然這種情況非工作狀態,但能維持結構穩定。

1.2.2移動小車

由于移動小車在工字鋼軌道上運動,下方還需要連接減重機構,因此設計的移動小車結構要簡單緊湊,運動時受力性好、平穩無抖動。如果單個行走輪因受力不均產生輕微位移,會導致小車前后搖擺,造成機器人穩定性下降,因此要設計兩個行走輪以避免移動小車受力不平衡。由于移動小車也可能在左右方向受力不均,故還要設計兩個導向輪,以確保移動小車沿軌道行走。導向輪和行走輪對稱,使得結構穩定、美觀。移動小車的驅動力來自安裝在行走輪上的步進電機,步進電機能提供極限速度為0.3 m/s的可控移動速度,使運行穩定平緩。

1.2.3減重機構

減重機構主要由力矩電機、滾筒、滑輪組和鋼絲繩組成,可通過力矩電機為裝置提供可靠、穩定的減重力。減重力是否可控、控制難易程度及力的大小等因素直接決定了減重助行機器人的優劣[8]。滾筒的作用是將力矩電機輸出的扭矩轉化成減重系統的減重力?；喗M有2個作用:一是通過一個動滑輪將力矩電機輸出的力放大一倍,以減少力矩電機的負載,延長其使用壽命;二是通過動滑輪下的鋼絲繩與人連接,使得在行走訓練過程中老年人和移動小車不同步產生細微傾角時仍然可以保證減重力穩定且豎直向上。

1.2.4扶手

扶手要求高度可調,能在行走訓練過程中給老年人提供一個穩定的支持力,起到安全保護的作用。在訓練過程中,扶手受力可能導致移動小車前端產生微小傾斜,使得移動小車平穩性下降,因此加上一個防傾斜支架可保證整體結構安全、可靠。

其次，文獻閱讀也是考核模式革新的重要手段。傳統的考核在考核內容上是以教材理論知識的記憶、理解為主，在考核方式上是單一的期末閉卷理論考試。這種注重結果的單一化考核模式的弊病是明顯的。文獻閱讀在考核內容上可以考察學生的自主學習能力、表達能力和創新能力，在考核方式上擺脫了單一的理論考試，探索出一種多元化的課程考核體系。

對減重助行機器人進行詳細的結構設計,模型如圖2所示,關鍵部位放大示意圖如圖3所示。模型包括運行軌道、移動小車、減重裝置、支架、扶手、減重馬甲、電機、滑輪、防傾斜支架等,結構緊湊,穩定可靠。老年人使用減重助行機器人能完成保證正常生活的各種行走動作,有利于老年人進行步態訓練,恢復基本行走能力。

圖2 減重助行機器人模型Fig.2 The model of weight-assisted walking robot

圖3 減重助行機器人關鍵部位Fig.3 Key parts of the weight-assisted walking robot

2 有限元分析

ANSYS有限元分析的思想是首先將一個原本連續的物體劃分為有限個單元,然后通過節點連接這些單元以承受等效的節點載荷,根據平衡條件進行仿真分析,最后根據變形協調條件對這些單元進行重組,使之成為新的組合[9]。減重助行機器人在正常工作時,需要承載使用者的全部體重,為驗證機器人是否符合正常使用要求以及機器人在極限載荷情況下的應力、應變,需要對減重助行機器人進行ANSYS有限元分析。

利用ANSYS軟件對機器人在不同工況下的受力進行有限元分析,將分析得到的應力、應變與材料屈服極限進行比對,并對最容易損壞的工況進行加載仿真,得到機器人喪失正常運行能力時的受載極限值,并與實際工作受載情況進行比較,以確保機器人運行的穩定性和安全性[10]。

2.1 機器人受力分析

首先考慮工字鋼軌道的極限受力情況,訓練過程中減重力不超過自身體重的40%。假設運動機構整體所受重力為300 N,老年人體重為1 000 N,體重的40%即400 N。在正常工作狀態下,工字鋼軌道受到的極限壓力為700 N,但在實際生活中老年人可能將體重全部作用在軌道上,因此為確保安全,工字鋼軌道受最大拉力應該設置為1 300 N,這種情況非工作狀態,只要保證結構穩定即可[1]。

工字鋼型號用腰高(h)×腿寬(b)×腰厚(d)表示,單位為mm,如“工150×66×5”表示腰高150 mm、腿寬66 mm、腰厚5 mm的工字鋼。根據設計要求,工字鋼預選為“工120×100×12.5”,具體參數如表1所示。

表1 工字鋼參數Tab.1 Steel I-beam parameter

結合實際情況可知,設計的工字鋼軌道需要安裝在室內,且不能在訓練時使老年人產生眩暈感。工字鋼軌道長5 m、寬2.5 m,對工字鋼軌道進行受力分析,如圖4所示。

圖4 工字鋼軌道受力分析Fig.4 Stress analysis of steel I-beam track

根據設計可知,減重助行機器人有2組行走輪,每組又有2個行走輪,因此應該在每種工況施加4個線性力。由于減重助行機器人極限拉力Fn為1 300 N,所以每個線性力

(1)

式中:k1為行走輪組數,取值為2;k2為每組行走輪的個數,取值為2。將上述參數代入式(1)得F=325 N,即施加給軌道的線性力為325 N。

2.2 機器人工況分析

減重助行機器人所受到的極限拉力為1 300 N,加上工字鋼軌道材料使用了結構鋼,自身所受重力較大,根據工字鋼規格尺寸及軌道長度計算軌道所受重力為 39 440 N[12],故假設本研究的軌道所受重力為 40 740 N。由于機器人結構具有高度對稱性,進行有限元分析時,根據實際工況將軌道受力情況分為3種:工況1、工況2、工況3。工況1即減重助行機器人運行到直軌道中間點位置時的受力情況,工況2即減重助行機器人運行到直彎軌道節點位置時的受力情況,工況3即減重助行機器人運行到彎曲軌道中間點位置時的受力情況,如圖5所示。分析3種工況后找到最危險的工況點,得出最危險工況點能承受的最大載荷。

圖5 工況示意圖Fig.5 Working diagram

2.3 機器人有限元分析——以工況1為例

對機器人進行有限元分析前,先將模型簡化,由于移動小車、減重機構、扶手等是機器人自身的部件,為提高分析效率、減少運算時間,在模型分析時去除這些部件,僅考慮其整體所受重力即可,簡化后的模型與簡化前在進行有限元處理時結果相似。移動小車與工字鋼線性接觸簡化成4個線性力[13],根據實際情況只需要分析3種工況即可,將簡化后的模型導入有限元。

第一步,選擇材料。運行軌道材料選擇結構鋼,結構鋼材料在ANSYS軟件中定義如圖6所示,其參數值如表2所示。

表2 軌道材料參數值Tab.2 Orbital material parameter value

圖6 材料定義截圖Fig.6 Material definition diagram

第二步,網格劃分。將簡化后的機器人模型導入有限元后,將支架與運行導軌設置為綁定連接,并對其進行網格劃分,網格大小設置為100 mm,劃分網格后該模型共有71 311個節點、36 991個實體單元。

第三步,施加約束并求解。將公式(1)得到的每種工況受到的線性力325 N輸入軟件。載荷施力點選在工字鋼導軌與移動小車接觸的4個接觸點,同時對支架的4個支撐施加固定約束[14]。對機器人進行靜力學分析求解,求解后得到等效應力圖(圖7)和等效應變圖(圖8)。

圖7 等效應力圖Fig.7 Equivalent stress diagram

圖8 等效應變圖Fig.8 Equivalent strain diagram

由圖7和圖8可以看出,工況1下機器人的最大應變在支架與工字鋼軌道連接處,為0.327 mm。同理,工況1下機器人的最大應力在工字鋼軌道表面,為13.816 MPa。

對工況2、工況3進行分析,得出工況與應力、應變的關系,如表3所示。

表3 工況與應力、應變的關系Tab.3 Working condition and stress strain relationship

與結構鋼材料的性能參數對比可知,機器人在極限受力狀態下最大應力遠低于材料的屈服應力,滿足設計要求,故本設計合理。對減重助行機器人工作時的運動情況進行分析,得出正常工作狀態下施加給機器人的最大減重力為400 N,對機器人施加的最大拉力為1 300 N。據此選定機器人的尺寸,并用ANSYS軟件對減重助行機器人在3種工況下的運行情況進行有限元仿真,得出在3種工況下產生的最大應力均小于結構鋼材料的屈服應力235 MPa,最大應變也在合理范圍內,滿足使用要求。

3 結語

本研究針對有輕中度行走障礙的老年人設計了一款適用于室內的減重助行機器人,對減重助行機器人整體結構進行了設計,并用ANSYS軟件對減重助行機器人進行了仿真分析,得出如下結論:減重助行機器人正常運行和非工作狀態下,3種不同工況所產生的應力和應變都在材料許用范圍內,機器人結構滿足強度與剛度要求。