基于ANSYS的携行式外骨骼背架结构研究.pdf

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1、机械设计与制造第l0期1l6MachineryDesign&Manufacture2012年10月文童编号：1001—3997(2012)10一O116一O3基于ANSYS的携行式外骨骼背架结构研究刘放程文明邬钱涌(西南交通大学机械工程研究所，成都610031)ResearchofBackShelfinPortableExOskeIetOnBasedonANSYSLIUFang，CHENGWen-ming，WUQian—yong(MechanicalEngineeringResearchInstituteofSouthwestJiaotongUniversity，Che

2、ngdu610031，China)l【摘要】以PPS材料制作的携行式外骨骼系统背架结构为研究对象，以60kg为承载负荷，对背}架结构的无支撑弯曲、人体支撑弯曲、人体支撑侧摆三种工况进行有限元分析，并获得背架结构在各工}况下的整体应力分布及特定路径下的应力和变形分布。经分析得知，在无支撑弯曲工况下背架结构将}产生巨大的集中应力与变形，因此应尽量避免在该工况下进行运动。背架结构在人体支撑弯曲和侧摆}工况下所得的应力分布和变形较为理想，背架结构完全能够满足在这两种工况下进行长期运动。关键词：携行式外骨骼；背架结构；人体支撑l【Abstract】Aintingatfinitee

3、lementanalysisfor船portableexoskeleton’sbackshelfwhichismade；byPPSandloaded60kgpayloadtoanalyzethewholestructure’sstressdistribution，estressandd厂0卜；mationdistributionunderthespecifcpath．eanalysisisdividedintothreeparts，whicharebendingwith●nosupport，bendingwithhumansupportandswayingwithhum

4、ansupport．Accordingtotheanalysisresults，；bendingwithnosupportshouldbeavoided，becauseitcausesthelargestressanddistortioninbackshelf．{Astobackshelf，stressdistributionanddistortionundertheconditionofbendingwithhumansupportandswayingwithhumansupportisrelativelyideal，SObackshelfcanllymeetthes

5、etwoconditionsunder》long-termmovement；KeyWords：PortableExoskeleton；BackShelf；HumanSupport中图分类号：TH16；TH122文献标识码：A1引言弹性模量小、屈服强度低、质地柔软、密度小，用塑料制成的背架虽质量轻、穿戴较舒适，但是强度和刚度无法达到要求。携行式外骨骼系统是一种新型的、人机一体化的机械装置，是一种基于人机耦合系统理论的智能化机械装备。该外骨骼系统可以供士兵、登山者、野外活动者等人群穿戴，并且给穿戴者提供支撑、减重、关节保护、增强负重运动能力等效果。携行式外骨骼系统可以将整体

6、负重的80qd~至地面，人体只承受20％的负重，并且能够保证至少60kg的单人负重量。伴随科学技术水平的不断进步和发展，携行式外骨骼系统已经被越来越多的高校、科研单位所研究，随着研究的深入，携行式外骨骼系统被不断地创新、完善。现如今对于携行式外骨骼系统的研究主要集中于机构学、仿生学、控制系统、信(a)(b)号处理等邻域。但是对于携行式外骨骼系统背架结构研究甚少。图1美军HULC和背架结构2背架结构聚苯硫醚(PPS)，是一种新型高性能热塑性树脂，具有机械2．1背架结构外形强度高、耐高温、耐化学药品性、难燃、热稳定性好、电性能优良等背架结构需承受(30～90)kg不等的重量

7、，而且需要在承载和优点。在电子、汽车、机械及化工领域均有广泛应用。背架结构的卸载后能够很好的回复原状态，并且背架结构需要具有一定的柔材料即选用聚苯硫醚(PPS)，其密度为1．35g／cm，弹性模量为韧性使人体与其接触时不会感觉不适。基于美军HULC系统的背4250MPa，屈服强度(100—1000)MPa不等，屈服拉应变为15％。架结构图1(a)所示和我国军队所使用的背架，自行研制了背架3背架结构无支撑弯曲分析的基本结构形状，如图1(b)所示。携行式外骨骼系统中背架与下部刚体结构是固结的，因此2-2背架结构材料选取在人体未穿戴或人体与外骨