基于ANSYS的携行式外骨骼机械结构强度分析.pdf

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1、机械设计与制造第9期78MachineryDesign&Manufacture2012年9月文章编号：1001—3997(2012)09—0078—02基于ANSYS的携行式外骨骼机械结构强度分析刘放程文明赵南(西南交通大学机械工程研究所，成都610031)MechanicalStructureStrengthAnalysisofthePalrtableExoskeletonBasedonANSYSLIUFang，CHENGWen-ming，ZHAONan(ResearchInstituteofMechanicalEngineering，Southw

2、estJiaotongUniversity，Chengdu610031，China)；【摘耍】以携行式外骨骼为研究对象，采用Solidworks软件对机械结构进行三维实体建模，并实{}现构件的快速装配；使用ANSYS10．0软件，对外骨骼机械结构进行有限元分析，并根据计算结果，对机{l械结构设计提出了修改意见，为其强度校核及结构优化设计提供了理论依据。2i关键词：携行式外骨骼；有限元分析；机械结构设计{；【Abstract】BytakingthePortableExoskeleton砸theresearchobject，usingsoftwareSo

3、lidworkstoj》builda3Dmodelandtoachievecomponentossembly；thefiniteelementanalysisWOSachievedonsoftware{lANSYS10．O．Accordingtothecalcul~ionresults，solheadvisesformechanicalstructuredesignaregiven,!；whichprovides。theoreticalbasisforitsstrengthcheckingandstructuraloptimizationdesign

4、．《；KeyWords：PortableExoskeleton；FiniteElement；MechanicalStructureDesign!中图分类号：TH16文献标识码：A据拟人型机构设计方法，模拟人体大腿与髋部的连接形式，设置1引言万向节结构，来满足人在运动过程中，机械结构的自由度要求；人“身轻如燕、健步如飞”是人类最渴望的运动方式，但牛顿先在背负重物时，主要有背部肌肉和腿部肌肉提供动力，在进行机生阐述的万有引力却总是给我们的各种运动制造昔。近年来随械结构设计时，使用两组液压系统，来模拟人体肌肉的收缩和拉着“驴友”、“泊客”等户外运动及登山爱

5、好者越来越多，户外装备伸。通过上述分析，使用SolidWorks软件，建立外骨骼机械系统也越来越齐全，造成人体额外负重越来越大。特别是在军事领域，的三维模型，如图1所示。随着单兵作战对装备物资的品种和数量的增加，士兵携带的重量也相应增大。因此，不管在民用还是军事领域，能否为人体添加额外的携行机械装置为负重运动提供支撑和辅助，成为近期国内外研究的热点。携行式外骨骼是一种新型的具有可穿戴功能的机械装置，涉及机械、仿生、传感、控制和信息处理等多项技术，其基本思想是通过模拟人体骨骼系统为人装备额外的外骨骼系统，使负重通过外骨骼系统传递至鞋体，而后传至地面，以

6、此减轻人体对负重的承重。携行式外骨骼的机械结构设计合理与否，直接决4定了整个系统性能的优略，对其开展仿真分析具有极大的实用意义。通过其机械结构进行静力学分析和校核，为机械结构的进一图1携行式外骨骼三维模型步优化提供了理论依据。1．背负系统2傲部承载系统3．下肢承载系统4．传感靴系统2三维模型的建立和工况选择2．2运动工况选择和三维模型处理2．1携行式外骨骼机械结构携行式外骨骼的机械系统分为背负系统、髋部承载系统、下肢承载系统和传感靴系统。根据前文提到携行式外骨骼技术的基本思想，对其进行拟人型机构设计。所谓拟人型机构设计是以人体为依据，进行机构空间位形

7、设计，同时机构也能随人体的运动，呈现机构空间的动态性变化并与人体一致，因而其空间特陛是特定于人体，并且与人体j蚕动相适应。这类机构从属于人体，以自然状态下人体的运动为根本，机构运动较好地反映了人体的自然运动规律，从而保证了携行式外骨骼穿戴舒适性和运动协调等要求131。根图2单腿站立情况下的三维模型★来稿H~：2011-11-17★基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资『T1lJ1_x(百孚墓；第9期刘放等：基于ANSYS的携行式外骨骼机械结构强度分析79对机械结构进行强度计算时，选取其最危险状态作为计算通过仿真计算，得到了携行式外骨骼机械结构的不

8、同部位工况：32况：背负90kg重物，左腿离地，右腿竖直站立。根据工况的应力计算结果，如表1所示。需求，建立