基于ANSYS Workbench 的下肢康復機器人的有限元分析

吉林農業科技學院機械與土木工程學院 鄭福建 常影 趙玉山 郭海運 朱帥飛 李業華 吳科利

引言

下肢康復機器人技術是現代科技發展的趨勢，由原來一對一的患者、治療師模式轉變為患者自主化治療的新模式。下肢康復機器人由單片機控制，通過程序編程的方式控制主軸的轉動，主軸帶動小腿桿的轉動，達到治療的目的。主軸在傳遞動力時，會產生振動，造成軸的疲勞，影響軸的使用壽命。本文用ANSYS軟件進行仿真分析，得到軸正常工作的依據。軸的材料、尺寸和受力情況按照機構的整體結構已經確定。本文在已知條件下，對軸進行結構靜力分析，從而確定軸的強度、剛度符合正常使用，總受力滿足正常使用。

1 主軸的三維模型建立

CATIA 軟件是一款強大的三維建模軟件，因此在CATIA 軟件中建立下肢康復機器人的三維模型，包括主軸部分。軸和小腿桿采用焊接方式連接，結構簡單，受力均勻。主軸在工作過程中，端部的鍵槽通過鍵與帶輪連接，從而起到傳遞動力。軸與軸承配合，軸承起支撐作用，軸和軸承連接，可以近似為support 部位。受力來源于帶輪轉動，鍵槽受到的力。在分析過程中，忽略主軸倒角、圓角對受力的影響[1]。裝配體按照機構正常運動，由電機帶動，滿足機構之間的約束條件。導入ANSYS 模型圖。

2 主軸的網格劃分

主軸在工作過程中，承載載荷較大，根據機械設計原理也應對其進行結構分析。設計的過程中，應盡量避免軸的尺寸突變，以降低不合理應力。應用ANSYS 對軸進行分析，可驗證設計的合理性。網格按照劃分類型分為自由網格和映射網格兩種，在本文中，軸的結構規則，受力均勻，可以采用自由網格劃分。網格劃分越細，對后續的處理越有效。整個主軸部分可以細化采用四面體網格，小腿桿部分采用六面體網格[2]。劃分網格之后，共有1378個單元，2958 個節點。

主軸以及小腿桿的基本尺寸，主軸總長度為240mm，軸端部直徑為10mm，小腿桿長度為400mm，小腿桿直徑為10mm。

3 主軸的結構靜力學分析

3.1 施加約束和加載

由下肢康復機器人的機械結構分析可知，在正常工作時，主軸主要受到帶輪轉動的轉矩，帶輪、皮帶的重力，人體壓在小帶輪上的重力，因此應在主軸處施加力矩。其中軸與軸承相連接，軸承起支撐作用。軸肩起到軸向約束作用，因此可以添加移動約束，主軸鍵槽部分施加固定約束。按照實際工作情況可知，作用在軸上的壓軸力是134N，人體施加的壓力為116N。

力矩公式[3]為：

3.2 求解運算

在ANSYS 軟件中可以采用多種求解器進行求解，如直接求解器、迭代求解器等，在進行靜力學分析中一般默認為直接求解器[4]。點擊solve 按鈕，求解應力應變，求解之后保存文件。

3.3 結果分析

得到應力、應變和總變形云圖，如圖1 和圖2 所示。在已知扭矩、重力作用下，按照求解得到的應力云圖可知，在階梯軸發生尺寸變化處應力應變發生應力集中，最大應力為1.87Mpa，最大應變為1.13mm。根據第三強度理論：

強度條件：

在施加重力的模型中，最大總變形出現在主軸部位。其中45#鋼的屈服強度為355Mpa，分析可知在該應力狀態下，使用45#鋼可以滿足工作需要。

圖1 應力云圖

圖2 應變云圖

4 結論

通過對主軸的應力、應變分析，得到已知輸入扭矩和人體重力作用下，主軸能夠滿足受壓以及強度使用。由軸的最大應力應變可以判斷軸發生應力集中，是在軸的尺寸發生突變處，符合預估實際情況。因此使用有限元分析軟件，進行仿真分析對生產工作有積極作用。