【《外骨骼康复机器人有限元分析优化与运动仿真案例概述》2600字】

外骨骼康复机器人有限元分析优化与运动仿真案例概述目录TOC\o"1-3"\h\u10928外骨骼康复机器人有限元分析优化与运动仿真案例概述 1207401.1有限元分析优化 1228921.2零件拓扑优化 2300761.3运动仿真 71.1有限元分析优化有限元分析是一种，将一个整体离散化为许多个有限大小的单元体，以求解整体力学问题的方法。有限元能直观的显示出零件的形变、应力等结果；对一些复杂的结构，手工计算费时费力，使用有限元能快速正确的计算出结构。目前，有限元计算已经是机械设计过程中一个不可缺少的部分。下面主要在在ug中对关键零件进行有限元分析，选择关键零件为髋关节连接件。①建立模型在ug建模模块建立模型后，直接打开flem仿真模块。②材料定义自定义材料为，密度,杨氏模量，泊松比0.33。③网格划分利用Mesh工具划分零件，精细度定义为3mm，用四面体划分，划分的结构如图4-1所示。图1.1髋关节连接件网格划分图1.2髋关节连接件约束、载荷设置④施加载荷对两个轴承孔上施加轴承载荷，对两个螺钉连接口施加向下的压力，固定上表面，如图1.2所示。(a)髋关节连接件应力图(b)髋关节连接件应变图图1.3髋关节连接件有限元分析结果⑥应力应变求解求解，得到应力图与应变图分别如1.3（a）、1.3（b）所示，图中可见，髋关节连接件最大的应变量为0.09mm，满足设计变形要求，强度足够；髋关节连接件最大应力为，小于许用应力，满足许用应力要求。1.2零件拓扑优化拓扑优化是在软件中通过对目标体施加负载、约束条件和性能指标，在设置的区域内自动对材料进行优化分布的的方法，是结构优化的一种。其最大特点就是可以尽可能的减小材料的体积，从而减轻质量。而传统的下肢外骨骼康复机器人饱受诟病的一点就是其质量，过大的质量会使得整体结构过于笨重，对患者的压迫也会增大。所以，对下肢外骨骼康复机器人进行拓扑优化设计很有必要。下面，对大腿内筒进行拓扑优化。①建立模型Ug在建立三维模型方面比ANSYS造型功能更强，建模后与实物更加相似。在ANSYSWorkbench界面选择TopologyOptimization,将ug初步设计的下肢康复机器人的三维模型另存为igs格式并导入ansys中，直接建立几何模型。图1.47075AL材料参数定义②材料定义选择“EngineeringData”,新建材料，在左侧工具箱中选择Density和IsotropicElasticity,分别定义密度，杨氏模量，泊松比0.33.定义界面如图1.4所示。③网格划分采用solid45单元进行实体划分，利用Mesh工具划分零件，精细度定义为5mm，用四面体划分，划分的结构如图1.5所示。图1.5网格划分结果④施加约束根据该零件实际的装配情况添加约束。⑤施加载荷计算髋关节传动轴对小腿套筒键槽的压强P。 (1.1)式中， 传动轴扭矩产生的径向力， 小腿套筒上键槽的侧面积，mm2对键槽的侧面施加33.3MPa的压力，再对螺栓剪切面施加拉力。⑥应力应变求解在求解工具栏中添EquivalentStress（应力）和TotalDeformation（应变），进行求解，静力分析得到的小腿内筒应力图如图1.6所示，应变图如图1.7所示。最大应力为，屈服强度为,满足许用应力。最大应变为，满足强度要求。图1.6小腿内筒应力图图1.7小腿内筒应变图⑦拓扑优化设置由于开头时已经选择了TopologyOptimization模块，故可直接进行拓扑优化设置。如图4.所示，修改优化约束条件，设置“PercenttoRetain”（优化量）为80%。图1.8拓扑边界条件设定⑧拓扑优化求解对TopologyDensity进行求解，得到拓扑优化结果，优化的小腿零件如图1.9所示。图1.9拓扑优化结果⑨重新建模在拓扑优化的基础上，在ug中对零件进行重新建模，再重新导入ansys中进行应力应变分析，应变、应力分别结果如图1.10和1.11所示。应变为0.9mm，满足使用需求，应变为62.894MPa，在材料许用拉抗强度内。拓扑优化完成。图1.10优化后零件应变图图1.11优化后零件应力图 拓扑优化过程流程如图1.12所示。图1.12拓扑优化流程1.3运动仿真运动仿真技术能够模拟设计产品的工作状态，使人更加直观的了解所设计的产品。对于下肢外骨骼机器人来说，主要是通过三种关节的旋转来实现行走，则需要获得人体在某一固定速度下正常行走时各关节随时间的变化关系式。在查阅相关文献后得到，人体在以2.8km/h和4.0km/h的速度正常步行时各关节旋转角度随时间变化关系数据分别如表1.1和表1.2所示：表1.1人体2.8km/h各关节角度时间/s髋关节角度/°膝关节角度/°踝关节角度/°0.0111.892161.6691.2810.154.635161.93792.7070.29-2.687167.74389.1260.43-8.026163.88587.8620.57-4.14144.36199.5780.7111.607111.574110.1840.8530.041117.5597.5050.9929.903151.74996.7751.1326.384167.42897.1581.2723.221158.441102.5421.4111.986158.64597.031.510.899161.99591.919表1.2人体4.0km/h各关节角度时间/s髋关节角度°膝关节角度°踝关节角度°0.0111.999156.37790.7880.140.379163.8988.0310.27-8.323161.47281.2910.40.052130.701106.9440.5322.131100.574109.3990.6636.628113.246100.370.7932.056164.63991.8890.9229.253162.47299.9361.0521.053151.98997.8851.1816.979154.32292.8731.2511.368158.45291.68通过文献查阅，两条腿髋关节和膝关节角度变化曲线如图1.13所示。其中，角度的设置与与表1.1和1.2所规定的相同，以髋关节逆时针的屈曲运动为正角度，以顺时针的伸展运动为负角度，膝关节同理。此外，通过图1.13中四条曲线可以发现，左右两条腿关节变化的函数基本是对称的，则在运动仿真时以左右两腿相位相差50%编写函数。图1.13膝关节和髋关节角度变化曲线 根据已有的各关节旋转角度参数，需要经过曲线拟合得出角度变化的函数。下面先在matlab中进行曲线拟合。 ①编写程序 在matlab编辑器中输入髋关节的坐标值，如图1.14所示。 图1.14matlab输入坐标程序 ②进入拟合界面 输入cftool，进入曲线拟合界面，如图1.15所示。图1.15曲线拟合界面 ③x、y坐标定义 选择要拟合的数据，x是time，y是angle，然后matlab上会自动生成点坐标图并自动拟合，如图1.16所示。图1.16初步拟合结果图 ④拟合曲线优化 通过选择合适的函数和几次方来优化拟合的结果，这里选择rational函数，定义Numeratordegree次数为5次，定义Denominatordegree次数为4次时，得到最优结果，优化的曲线结果如图所示，优化结果基本满足要求。图1.17最终拟合曲线 ⑤读出结果 结果在左下角的框中会显示，如图所示，最终得到的左髋关节的函数是图1.18拟合函数结果⑥拟合结果总结按照同样的方法，对6个关节都进行曲线拟合处理，最后得到6个关节的函数，拟合情况分别如图1.19到图1.所示。左髋：左膝：图1.19左膝拟合曲线左踝：图1.20左踝拟合曲线右髋：图1.21右髋拟合曲线右膝：图1.22右膝拟合曲线右踝：图1.23右踝曲线下面在ug中进行运动仿真。①进入界面在ug建立总装配图模型后，在仿真界面点击运动，进入运动仿真。②化简结构考虑到某些零件（如电机，减速器等）对仿真结果本身没有益处，甚至有可能会影响仿真动画的效果，故只保留必要的零件，化简的结构如图1.16所示。③定义连杆对下肢外骨骼康复机器人中运动模式相同的件定义为一根连杆，按照三个关节各一根连杆和腰部一根连杆划分，一共划分了7根连杆。图1.16装配化简图