基于ANSYS Workbench 的下肢康復(fù)機(jī)器人的有限元分析

吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機(jī)械與土木工程學(xué)院 鄭福建 常影 趙玉山 郭海運(yùn) 朱帥飛 李業(yè)華 吳科利

引言

下肢康復(fù)機(jī)器人技術(shù)是現(xiàn)代科技發(fā)展的趨勢(shì)，由原來一對(duì)一的患者、治療師模式轉(zhuǎn)變?yōu)榛颊咦灾骰委煹男履Ｊ?。下肢康?fù)機(jī)器人由單片機(jī)控制，通過程序編程的方式控制主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸帶動(dòng)小腿桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到治療的目的。主軸在傳遞動(dòng)力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，造成軸的疲勞，影響軸的使用壽命。本文用ANSYS軟件進(jìn)行仿真分析，得到軸正常工作的依據(jù)。軸的材料、尺寸和受力情況按照機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定。本文在已知條件下，對(duì)軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析，從而確定軸的強(qiáng)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(qiáng)大的三維建模軟件，因此在CATIA 軟件中建立下肢康復(fù)機(jī)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(jié)構(gòu)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(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)，鍵槽受到的力。在分析過程中，忽略主軸倒角、圓角對(duì)受力的影響[1]。裝配體按照機(jī)構(gòu)正常運(yùn)動(dòng)，由電機(jī)帶動(dòng)，滿足機(jī)構(gòu)之間的約束條件。導(dǎo)入ANSYS 模型圖。

2 主軸的網(wǎng)格劃分

主軸在工作過程中，承載載荷較大，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)原理也應(yīng)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)盡量避免軸的尺寸突變，以降低不合理應(yīng)力。應(yīng)用ANSYS 對(duì)軸進(jìn)行分析，可驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。網(wǎng)格按照劃分類型分為自由網(wǎng)格和映射網(wǎng)格兩種，在本文中，軸的結(jié)構(gòu)規(guī)則，受力均勻，可以采用自由網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分越細(xì)，對(duì)后續(xù)的處理越有效。整個(gè)主軸部分可以細(xì)化采用四面體網(wǎng)格，小腿桿部分采用六面體網(wǎng)格[2]。劃分網(wǎng)格之后，共有1378個(gè)單元，2958 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

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(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

3.1 施加約束和加載

由下肢康復(fù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)分析可知，在正常工作時(shí)，主軸主要受到帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，帶輪、皮帶的重力，人體壓在小帶輪上的重力，因此應(yīng)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(dòng)約束，主軸鍵槽部分施加固定約束。按照實(shí)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(yùn)算

在ANSYS 軟件中可以采用多種求解器進(jìn)行求解，如直接求解器、迭代求解器等，在進(jìn)行靜力學(xué)分析中一般默認(rèn)為直接求解器[4]。點(diǎn)擊solve 按鈕，求解應(yīng)力應(yīng)變，求解之后保存文件。

3.3 結(jié)果分析

得到應(yīng)力、應(yīng)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(yīng)力云圖可知，在階梯軸發(fā)生尺寸變化處應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為1.87Mpa，最大應(yīng)變?yōu)?.13mm。根據(jù)第三強(qiáng)度理論：

強(qiáng)度條件：

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

圖1 應(yīng)力云圖

圖2 應(yīng)變?cè)茍D

4 結(jié)論

通過對(duì)主軸的應(yīng)力、應(yīng)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(qiáng)度使用。由軸的最大應(yīng)力應(yīng)變可以判斷軸發(fā)生應(yīng)力集中，是在軸的尺寸發(fā)生突變處，符合預(yù)估實(shí)際情況。因此使用有限元分析軟件，進(jìn)行仿真分析對(duì)生產(chǎn)工作有積極作用。