《穿戴式下肢外骨骼轻量化研究》

技术简介：

穿戴式下肢外骨骼作为一种新型的省力助力装置,在工业、农业、军事特别是医疗等领域中正逐渐发挥着重要作用。但是,传统下肢外骨骼存在体积较大、结构复杂、机构过重不便随意移动,机械效率低、损耗易引发机械故障等问题。轻量化设计不仅可以减轻下肢外骨骼的重量、减少材料的浪费、降低使用成本,同时也能提高机械效率、优化各项性能标,所以对穿戴式下肢外骨骼进行轻量化研究,为其进一步走向普及应用,具有很好的理论和现实意义。本文以穿戴式下肢外骨骼为研究对象,在满足性能和承载能力的前提下对其结构进行质量变轻及灵活性、穿戴舒适性等方面的优化设计,并基于响应面法进行结构优化,最后结合有限元模拟分析与结构仿真来验证下肢外骨骼的安全性能和机构强度。研究结果表明所提出的方法对轻量化下肢外骨骼是可行的,具有一定的实用价值。本文研究内容如下:(1)在虚拟机的研究基础上,进行结构改进,并在下肢外骨骼的三个主要传动副(髋关节、膝关节及踝关节)安装收缩装置,以满足不同体型的人群,再通过新型材料钛合金减轻整体质量,同时考虑舒适性和穿戴的方便,合理分配其关节转动范围及自由度,来配合人体关节协调,去掉多余零件,以达到轻量化设计目的。(2)按照运转简单、操作便捷以及质量轻、能耗低的要求,选用气压驱动作为穿戴式下肢外骨骼的动力源,并着手设计驱动方案,进行器件选择,以确保其气压驱动系统便宜和实用,整体装置的质量更轻。(3)提出了基于响应面的多目标优化方法,通过ANSYSWorkbench模块中的响应面优化模块,以质量、最大位移及最大极限应力为优化目标,以零件的尺寸作为设计变量,采用多目标遗传算法,得出最优方案,再根据优化后的尺寸进行建模仿真得出应力和应变云图,在保证下肢外骨骼强度和刚度的前提下,减轻了其质量。(4)利用ANSYSWorkbench软件,对穿戴式下肢外骨骼进行有限元仿真模拟分析,得出了所承载的最大极限应力及最大变形;进行了4种步态下的静力学分析,以满足结构的强度和刚度要求;通过对有无预应力条件下站立、双腿支撑姿势时,下肢外骨骼的前四阶振型的振动频率,得出其振动频率差异较为明显,不会产生“共振”现象,满足安全性要求。

研发人员：周扬驰