下肢助行外骨骼髋关节串联弹性驱动器弹性单元优化设计研究

目的串联弹性驱动器是下肢助行外骨骼实现刚柔耦合的重要途径,其弹性单元的设计优劣直接决定了刚柔耦合性能的高低,研究一种应用于下肢助行外骨骼髋关节部位的扭转型串联弹性驱动器弹性单元优化设计方案。方法设计一款针对髋关节部位的特定环形弹性体。选择500～1 000 N·m/rad的刚度作为设计目标,弹性体在加载50 N·m扭矩时变形量定在5°以下,单片承载的设计。结合连接的谐波减速器外形尺寸,弹性元件的具体设计参数为:最大扭矩50 N·m,最大偏转3°,外圈直径69 mm,内圈直径20 mm,刚度954.93 N·m/rad。通过正常人体髋关节扭矩分析,确定髋关节弹性体技术指标,基于SolidWorks建立所设计弹性体三维模型,在ANSYS WORKBENCH中对弹性体厚度、单组弹性梁跨度、弹性梁宽度进行仿真优化。结果取安全系数为1.2,最大应力在1 100 MPa以下时,最终优化分析计算结果为t=13.89 mm,b=1.79 mm,α=88.3°。在该条件下,当输出扭矩为50 N·m时,弹性元件所受到的最大应力、最大柔性转角分别为1 060 MPa、3.049 3°,认为其满足设计要求。得到基于所建模型施加不同扭矩时得到的扭转角度。在等梯度不同扭矩的作用下,弹性体的柔性转角和对应的负载扭矩具有很好的线性关系,在不同负载下其刚度是一致的。由胡克定律k=T/θ,可得弹性元件刚度为:k=939.49 N·m/rad,符合预先设计目标。结论所得扭矩与扭转变形角度在MATLAB中用最小二乘法拟合,其刚度曲线呈线性,证明了仿真优化方案的可行性。