基于ANSYS Workbench 的下肢康复机器人的有限元分析

吉林农业科技学院机械与土木工程学院 郑福建 常影 赵玉山 郭海运 朱帅飞 李业华 吴科利

引言

下肢康复机器人技术是现代科技发展的趋势，由原来一对一的患者、治疗师模式转变为患者自主化治疗的新模式。下肢康复机器人由单片机控制，通过程序编程的方式控制主轴的转动，主轴带动小腿杆的转动，达到治疗的目的。主轴在传递动力时，会产生振动，造成轴的疲劳，影响轴的使用寿命。本文用ANSYS软件进行仿真分析，得到轴正常工作的依据。轴的材料、尺寸和受力情况按照机构的整体结构已经确定。本文在已知条件下，对轴进行结构静力分析，从而确定轴的强度、刚度符合正常使用，总受力满足正常使用。

1 主轴的三维模型建立

CATIA 软件是一款强大的三维建模软件，因此在CATIA 软件中建立下肢康复机器人的三维模型，包括主轴部分。轴和小腿杆采用焊接方式连接，结构简单，受力均匀。主轴在工作过程中，端部的键槽通过键与带轮连接，从而起到传递动力。轴与轴承配合，轴承起支撑作用，轴和轴承连接，可以近似为support 部位。受力来源于带轮转动，键槽受到的力。在分析过程中，忽略主轴倒角、圆角对受力的影响[1]。装配体按照机构正常运动，由电机带动，满足机构之间的约束条件。导入ANSYS 模型图。

2 主轴的网格划分

主轴在工作过程中，承载载荷较大，根据机械设计原理也应对其进行结构分析。设计的过程中，应尽量避免轴的尺寸突变，以降低不合理应力。应用ANSYS 对轴进行分析，可验证设计的合理性。网格按照划分类型分为自由网格和映射网格两种，在本文中，轴的结构规则，受力均匀，可以采用自由网格划分。网格划分越细，对后续的处理越有效。整个主轴部分可以细化采用四面体网格，小腿杆部分采用六面体网格[2]。划分网格之后，共有1378个单元，2958 个节点。

主轴以及小腿杆的基本尺寸，主轴总长度为240mm，轴端部直径为10mm，小腿杆长度为400mm，小腿杆直径为10mm。

3 主轴的结构静力学分析

3.1 施加约束和加载

由下肢康复机器人的机械结构分析可知，在正常工作时，主轴主要受到带轮转动的转矩，带轮、皮带的重力，人体压在小带轮上的重力，因此应在主轴处施加力矩。其中轴与轴承相连接，轴承起支撑作用。轴肩起到轴向约束作用，因此可以添加移动约束，主轴键槽部分施加固定约束。按照实际工作情况可知，作用在轴上的压轴力是134N，人体施加的压力为116N。

力矩公式[3]为：

3.2 求解运算

在ANSYS 软件中可以采用多种求解器进行求解，如直接求解器、迭代求解器等，在进行静力学分析中一般默认为直接求解器[4]。点击solve 按钮，求解应力应变，求解之后保存文件。

3.3 结果分析

得到应力、应变和总变形云图，如图1 和图2 所示。在已知扭矩、重力作用下，按照求解得到的应力云图可知，在阶梯轴发生尺寸变化处应力应变发生应力集中，最大应力为1.87Mpa，最大应变为1.13mm。根据第三强度理论：

强度条件：

在施加重力的模型中，最大总变形出现在主轴部位。其中45#钢的屈服强度为355Mpa，分析可知在该应力状态下，使用45#钢可以满足工作需要。

图1 应力云图

图2 应变云图

4 结论

通过对主轴的应力、应变分析，得到已知输入扭矩和人体重力作用下，主轴能够满足受压以及强度使用。由轴的最大应力应变可以判断轴发生应力集中，是在轴的尺寸发生突变处，符合预估实际情况。因此使用有限元分析软件，进行仿真分析对生产工作有积极作用。