基于ANSYS Workbench 的外骨骼膝關節機構優化設計

張萬青，葛文慶，王 瀅，趙彥峻

ZHANG Wan-qing, GE Wen-qing, WANG Ying, ZHAO Yan-jun

（山東理工大學 機械工程學院，淄博 255000）

0 引言

穿戴式外骨骼是一種可以穿戴在人體身體外部的機械機構，它可以給穿戴外骨骼的人提供支持，保護，增強其運動能力，還能夠在操作者的控制下完成一定的功能和任務。它能夠和人一起行走，并且承擔人背負的絕大部分的負重[1,2]。這種外骨骼依靠人的運動信息來控制機器人，通過機器人來完成僅靠人體自身能力無法淡定完成的運行、負重等任務。該裝置可以讓使用者使用很少的力量便可以擔起相當沉重的貨物，由于使用者不需要額外的消耗自身的能量便可以完成運輸任務，大大提高了使用者的工作效率。穿戴式外骨骼的大腿，小腿和液壓缸組成一個三鉸點連桿機構，是整個承載系統的核心，三鉸點連桿機構設計的優劣，決定著液壓缸行程的長短和缸徑的大小，直接影響大腿和小腿的受力狀況[3]。

圖1 穿戴式外骨骼機器人

圖2 外骨骼膝關節有限元劃分模型

1 建模

外骨骼機器人是一個比較復雜的結構，外骨骼康復機器人的動力裝置主要是由大腿的液壓系統和驅動力組成[4]，其中需要被優化的模型如圖2所示，在SolidWorks中建立模型，并將模型導入到ANSYS Workbench中。

建立有限元模型時，所用的單元類型為SOLID187。其中大腿和小腿材料選用鋁合金（Aluminum Alloy）。其彈性模量E＝72GPa，泊松比U＝0.33，密度ρ=2270kg/m3。其他部分采用不銹鋼(Structral Steel)，彈性模量193Gpa，泊松比0.31，密度為7750 kg/m3。接觸面選用Bonded和No Separation，將實體轉化為有限元模型后，采用自由網格劃分，共含有48299個節點和26656個單元。

2 有限元分析

2.1 靜態分析

理想狀態下，人在穩定豎直站立時，豎直方向的力由大腿通過小腿傳遞到地面，液壓缸不會承受豎直方向的力，但是本文設計的外骨骼機器人的三角鏈機構大腿采用向外突出的機構，這樣可以使液壓缸也能承受一定的力。

圖3 靜力狀態下應力與應變云圖

圖4 前六階固有頻率下的振型圖

現將外骨骼機器人的下肢移動到人體在靜止狀態下的狀態并且大腿和液壓成平行時的典型工況進行受力分析[5,6]，當人背負200kg的重物時，在下肢的底部施加固定約束，在大腿的上部施加200kg的豎直向下的力，分析可以得知。在大腿和液壓缸的上部有最大的位移最大位移為0.283mm，在大腿上有最大的應力，最大值為4.9Mpa，材料的屈服極限為195Mpa。遠大于最大應力值，由此可知，外骨骼機器人的三角鉸的最大位移和應力完全滿足工作要求。

2.2 模態分析

對產品進行振動模態分析，是產品研制中不可缺少的重要步驟[7,8]。通過對三角鉸鏈進行了前六6階的模態分析，獲得了前六階固有頻率及振型，如圖4所示，從上往下，從左往右，依次為1階振動、2階振動、3階振動、4階振動、5階振動、6階振動。

三角鉸結構的前6階固有頻率及振型，如圖表1所示。

表1 三角鉸結構的前6階固有頻率及振型

通過結構靜力學分析可知，外骨骼機器人的整體結構滿足工作要求，靜力分配合理，但是通過模態分析可以看出，外骨骼的固有頻率比較低，在使用液壓驅動的過程中很容易產生共振，需要對機械結構進行進一步的優化，以提高外骨骼機器人的固有頻率。

3 優化設計及分析

由于外骨骼機器人的剛度主要有第一階固有頻率決定同時外骨骼機器人采用液壓系統進行驅動，電機的脈動頻率在50Hz左右，綜合考慮外骨骼機器人的設計及其可靠性可對外骨骼機器人的。固有頻率和振型是機械結構的固有特征，而低階固有頻率，尤其是第一階固有頻率決定了結構的剛度，第一階固有頻率越高，模態剛度越好，因此第一階固有頻率應該盡可能高于工作頻率，避免發生共振現象，提高結構的剛度。下肢外骨骼康復機器人是有液壓缸驅動，液壓缸安裝在大腿內側，當液壓缸運動時，由分析可知，外骨骼下肢的1階固有頻率為49.348Hz，低于固有頻率，所以會發生共振，這將會導致外骨骼機器人在走路時候與人體的運動不協調。這樣就嚴重影響了機構的協調性，因此有必要對該結構進行優化，提高其低階固有頻率，以免工作時發生共振。

選擇拓撲分析Shape Optimization，將目標參數設定為質量減少40%，在承受固定載荷下，減輕材料的質量為狀態變量，保證結構剛度的最大的拓撲形狀，得到如圖5所示的優化云。

圖5 外骨骼膝關節優化云

由圖5可知，大腿部分存在較大的優化空間，很大部分的質量可以去除。考慮到可以將大腿的實心結構改為空心結構，優化后的大腿部分的剖視圖如圖6所示。

圖6 大腿結構的截面視圖

優化后的三角鉸結構靜力學仿真如圖7所示， 變形量減小，最大應力有微小的增加，三角鉸結構的模態振型圖如圖8所示，一階模態有了明顯的增加。

圖7 優化后的變形圖和壓力最大值圖

圖8 優化后的外骨骼膝關節的前六階模態

對比優化后的三角鉸接進行了靜力分析和模態分析，得到了其固有頻率，最大位移和最大應力值，如表2所示。

表2 改進后的方案與原方案特性比較

由優化后的結果可知，一階模態提高到61.6Hz，最大位移和原方案相比減少了0.037mm，質量減少了1.0346kg，同時最大應力值較原方案相比增加了0.3MPa，增加量很小，仍滿足要求。優化后的外骨骼的動態性能和靜態性能均得到了很大的改善，質量也大大減輕。

4 結束語

通過對外骨骼膝關節的靜力學和模態分析，得到了外骨骼膝關節的機械特性。應用ANSYS Workbench 的形狀優化功能，對下肢外骨骼機器人的動力裝置進行優化分析，通過對關鍵部分的優化，改變其截面結構，在滿足強度要求的前提下，減輕了質量，并且提高了外骨骼機器人的低階固有頻率，提高了外骨骼機器人的動態性能，有效的避免了外骨骼膝關節在運動過程中發生共振，為以后外骨骼機器人的優化設計提供了一種高效可行的方法。

[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,2010:1-12.

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