一种电动轮椅站立机构的刚柔耦合与近似静力分析研究

袁东明 任祖平 郭凡

1.东南大学机械工程学院，江苏 南京 210096；2.南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京 211816

1 概述[1]-[2]

随着科学技术的发展，经济水平的提高；人口不断增长，老龄化问题日益突出；健康意识逐步增强。这就必然要求一些较为先进的医疗保障器械来服务特殊人群的生活。电动轮椅作为其中一员，其利用清洁能源，能很好地解决老年人及肢体残疾人的生活不便。这必将是未来发展的一种趋势。

对于具有站立功能的轮椅，其不仅能满足用户对基本功能的要求，同时可以实现站立功能。该功能可以使用户进行康复性训练，活动其关节有利于增强心肺功能防止骨质疏松的发生，同时也可减少因长期坐卧而产生的褥疮，并解决内急等。

轮椅作为服务于老年人及残疾人的一种重要工具，其可靠性不容忽视。对于站立机构的可靠性，需要进行专业校核。本文就是针对一种电动轮椅站立机构的强度与刚度进行了校核，分别采用了刚柔耦合与近似静力分析两种方法，其结果应保持一致。

2 站立机构原理介绍

该电动轮椅站立机构为一7连杆机构，其机构示意图如图1-（a）所示，三维模型如图1-（b）所示。根据图1-（a）可知，该机构活动构件有7个，另有旋转副9处，滑动副1处，共10处低副。因此，该机构自由度为：

由此可知，只需要一个原动件就能保证该机构具有确定的运动。

图1 电动轮椅站立机构

3 刚柔耦合分析

为了对上述站立机构进行强度与刚度的校核，同时也为了避免复杂的整机校核，本文只针对轮椅站立机构的关键零件推杆2进行了柔性化处理，其余杆件均视为刚体，对之进行了刚柔耦合分析，得出了推杆2在站立过程中应力的变化曲线。

以上刚柔耦合需要在ANSYS[3]与ADAMS[4]中进行联合分析。在ANSYS中，即对推杆2进行柔性化处理，生成ADAMS刚柔耦合所需的.MNF文件。在ADAMS中，可以对机构进行刚柔耦合分析，得出结果曲线。首先，在三维软件中建立站立机构的三维模型，如图1-（b）所示。其次，将建好的整个三维模型导入ANSYS中，（导入整个机构是为了使推杆2柔性化处理是在机构的全局坐标系下进行的，保证与ADAMS中的刚体模型有相同的坐标系）进行柔性化处理。在处理过程中需要在推杆2上添加三个与刚体连接的Interface点，本文用了三个“无质量的质量点”作为接口点。其单元类型为：MASS21，其实常数属性如图2所示。该三个点需要与柔性化的推杆2建立连接关系，本文采用了Spider-net式刚性区域连接，如图3所示。做好以上工作后，接下来应对推杆2进行模态分析，生成.MNF文件。然后，将生成好的.MNF文件导入到ADAMS的刚体模型中，将原来的刚性推杆2删除，换为ANSYS生成的柔性体推杆2。最后，添加运动规律，添加载荷条件，运用ADAMS的Durability模块得到刚柔耦合的等效应力，如图4所示，并得出了推杆2应力出现最大值的前10个节点号，与其中部分节点的应力变化曲线，如图5-（a）、5-（b）所示。

图2 MASS21实常数设置属性

图4 推杆2等效应力

图5 刚柔耦合结果

4 站立机构的动力学数学模型[5]-[6]

在进行近似静力分析之前，本文先建立了该结构的动力学数学模型。由于篇幅限定，这里将以推杆2为例介绍动力学模型的建立过程。取推杆2单独研究，其受力示意图如图6所示。

根据质心运动定理，有：

又根据质点系相对质心的动量矩定理[5]，有：

其中式中：

m2：推杆2的质量；

g： 重力加速度，取9.8m/s2；

联立上述两式，可以得到3个约束方程。由于该站立机构有7个构件，除去原动件剩下6个，每个构件有3个约束方程，则共有18个约束方程。同时也剩下了9处铰接，每处铰接作用有2个力，产生2个变量，则共有18个变量。至于式中的位移加速度与角加速度可以通过运动学模型解得，这里不再详述。

由上述分析知，变量数等于方程数，因此可解。求解方法可采取与运动学求解一样的方法，即Newton-Raphson[6]法求解。

图6 推杆2受力示意图

5 近似静力分析

建立好数学模型后，其可以在MATLAB中求解各铰接点受力，感兴趣的读者可以尝试。但本文为了方便起见，在ADAMS中进行了动力学分析。其得到推杆2铰接点各个方向受力曲线，（由图2知，推杆2与整个机构有三处铰接，每处铰接有3个方向的力存在）如图7所示。

图7 推杆2各个铰接点各个方向受力曲线

由于以上所示受力方向均在全局坐标系下，为对推杆2进行近似静力分析，其应转化为推杆2局部坐标系下，示意图如图8所示。根据刚柔耦合分析结果知，推杆2在机构开始时刻产生最大应力。

因此以下近似静力分析只考虑机构初始时刻推杆2的受力情况。由图7可知，推杆2初始时刻各铰接点在全局坐标系下的受力大小为：

下端铰接点A处：

上段铰接外侧B点处：

上端铰接内侧C点处：

由此可以看出推杆2在全局Y方向上存在分力，如果机构绝对对称是不应该出现该分力的，这是由于模型在不同软件中进行数据传输时有误差存在而导致的，由于实际加工中不可能存在绝对对称的机构，因此该数据可以接受，更具现实意义。

由图8全局坐标系与推杆2局部坐标系关系（绝对坐标系绕Y轴顺时针旋转22.23。即得局部坐标系），将以上全局坐标系下的力转化为局部坐标系下：

图8 推杆2全局坐标与局部坐标关系

下端铰接点A处：

上端铰接外侧B点处：

上端铰接内存C点处：

根据上述得出的局部坐标系下的受力情况，在ANSYS进行推杆2的近似静力分析(注意包含重力影响)。所谓近似静力分析是指，推杆2只受到以上力的作用，此外无任何位置约束，这种情况在ANSYS中不能直接分析。为了能够继续进行，分别在3个铰接处添加3个自由度的软弹簧作为约束以达到近似效果，如图9所示。最终分析得到其变形结果、应力结果如图10所示。

图9 推杆2静力分析近似模型

图10 近似静力分析结果

6 结语

通过对电动轮椅站立机构的刚柔耦合分析得到其站立过程中最大应力出现在初始时刻，为1.40581×107Pa。又通过对推杆2在站立初始时刻的近似静力分析得到其最大变形值为：0.434mm，最大应力为1.6×107Pa。因此两者结果保持了一致。另外其变形量与最大应力都在许用范围以内，满足使用要求，机构安全。

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