基于ADAMS的助老起升装置运动学仿真研究

摘 要:

针对老年人在如厕时由于膝关节老化而难以站立的问题，设计了一种基于虚拟样机技术的自动化助老起升 装置。首先基于机械原理完成核心机构和装置的设计，然后利用 CＲE O完成三维模型的建立，再在多体动力学 ADAMS 软件中建立该虚拟样机的运动学模型，通过测量指定点的位移、速度、加速度等运动学参数的变化曲线完成仿真 分析，最后在实验室制造出物理样机进行实际验证，该研究结果为后续批量生产提供理论研究依据。

关键词: 虚拟样机; ADAMS; 四连杆机构; 运动学仿真

0 引 言

伴随着社会的不断进步和发展，人口老龄化的问 题也在不断加剧，并逐渐成为当今社会的主要问题之 一。经调查，我国每年约有 4 000 万老人会因地滑摔 倒，其中发生在卫生间里的摔倒事故占 50%，而摔倒 的主要原因是如厕后突然起身导致脆弱的膝盖无法 承受身体的重量而摔倒，摔倒问题严重影响了老年人 及其家人的身心健康与生活质量［1］。

国内外已经有 一些学者开始研究相关的产品，市场上已经有一些对 应的产品，但是这些产品还存在实用性不强、结构冗 余、制造成本较贵等问题。雷中贵等采用 Vicon 系统 对老年人从坐姿状态到站立状态进行采样分析，获取 了能使老年人顺利起身站立的安全速度，但未提及采 用的具体的自动化辅助站立装置［2］。

董绪斌等研究 了老年人坐、卧姿态，通过 ANSYS 有限元技术完成了 助老床椅一体化的机械系统设计，此设计虽然可以满 足基本功能，但是未对机械结构进行优化设计，设计 成本还有降低的可能性［3］。

王淑坤等利用 CATIA 软 件和 ADAMS 软件对一种助老智能轮椅进行了运动 分析，并通过 ANSYS 软件对关键零部件进行了静力 学分析，以探究其最大受力和应变，但未体现出整体 结构的疲劳寿命分析，缺少直接投入生产和使用的依 据［4］。

芮进通过 ANSYS 软件设计了一种多功能轮椅 结构，并对其进行了静力学分析和拓扑优化设计，但 未体现出装置在受力状态下的最大变形，整个装置的 刚度有待进一步探究［5］。

针对上述情况，笔者拟基于人体工学与机械原理 设计一款自动化机械起升装置，其核心部件是利用电 动推杆带动四连杆机构实现人体的起升; 通过在 ADAMS 软件中对虚拟样机进行运动学仿真，得出该装 置的运动参数符合人体工程学，从而为助老机械的研 发提供一定的参考和借鉴。

1 助老起升装置三维模型的建立

1．1 设计要求 根据起升装置的使用条件和基本的设计要求，在保 证老年人的安全性条件下，确定基本的设计要求如下。

1) 考虑到一般老年人的体重，最大起升人体重 量为 100 kg，起升板的安全速度不大于 72．8 mm /s，工 作状态结构的最大变形不超过 0．3 mm，以保证整体 的结构强度和刚度［6］。

2) 依据人体工学确定基本框架尺寸，并设定合 适的起升工作角度。

3) 在保证设计标准的情况下严格控制成本，整 体框架采用铝合金型材 6063－T5，连杆机构采用 45 钢材料，厚度 5 mm，起升板厚度为 7 mm。

4) 装置在收缩状态时，起升板处于水平面，且 板的前端可以由铝合金框架提供支撑。

5) 基于机械原理确定核心连杆机构，如图 1 所 示; 当 DF 驱动连杆机构完成起升动作且起升板与水 平面夹角 θ 为 16°时，可保证老年人站起时的平衡。

1．2 建立三维模型

利用图解法确定各杆件长度，完成核心机构的尺 寸设计。根据装置的使用环境及人体标准工位尺寸， 确定该装置的其他构件尺寸及主体框架结构，在 CＲOE3．0 中，根据实际模型尺寸进行 1 ∶ 1 建模，其三 维实体模型如图 2 所示。

2 ADAMS 虚拟样机的运动学仿真分析

利用多体动力软件 ADAMS 对装置进行运动学 及动力学仿真分析。

2．1 模型导入

首先在 CＲOE 中对建立好的装配模型进行简化， 在保证模拟真实工况的前提下，省去螺栓、角件等零 件，后续用布尔操作来代替［7］。然后将简化后的模 型另存为 ADAMS 软件可识别的．x_t 文件，并导入到 ADAMS2018，完成基本的单位设置。

此模型中的材料种类较多，见表 1。主体框架为 锌铝合金 6063－T5，起升板和连杆材料为普通 45 钢。

由于三维模型结构较为复杂，需对 28 个零件模 型进行布尔操作，以便优化结构组成，如将主体铝合 金框架合为一组，其余对称零件分别合为一组，一共 分为 6 组零件。

2．2 连接设置

由于此产品需进行运动分析，故设置完模型后需 进行运动副连接设置，根据 ADAMS 软件运动库内 容，装配体主要由旋转副、移动副、固定副组成，具体 类型及相关构件信息见表 2。

2．3 施加载荷与驱动

起升板在静止状态下额定载荷为 1 000 N，但是 在运动过程中，根据受力分析，其额定载荷为一个时 间函数，即 F = 1 000 cos( 8t) ，其中 t 为运动时间。由 于推杆的行程为 40 mm，额定速度为 10 mm /s，在电 动推杆中施加类型为 translational 的驱动［8］，其位移 函数为 Function = 10* time，图像如图 3 所示。

2．4 仿真设置

最后进入 Simulation 模块，根据模型的实际运动 情况对仿真时长及步数进行设置，进而得到相关运动 参数曲线，自此完成 ADAMS 环境下模型的设置，如 图 4 所示。

2．5 仿真分析结果

进入 Simulation 模块进行仿真，时间为 4 s，步数 为 100，进行交互式仿真，设定竖直方向为 X 向，水平 方向为 Z 向，取起升板后缘( 起升侧) 中心点 MAＲKEＲ_59 为观测点，从而在后处理模块 PostProcessor 中 获得起升板在竖直方向( X 向) 和水平方向( Y 向) 的 位移、速度和加速度曲线［9］，如图 5～7 所示。

由图得: 在 0～ 4 s 的运动时间段，起升板在变化 载荷的作用下，在竖直方向的速度由 40 mm /s 降为 22．5 mm /s，在水平方向的速度由 2．5 mm /s 降为 0。 起升板在竖直方向的加速度由 15 mm /s 2 降 为 2．5 mm /s 2 ，在水平方向的加速度由 2 mm /s 2 降为 0。 其最大速度和加速度均在阈值允许范围之内，这表明 该虚拟样机的核心连杆机构设计合理，运动参数能满 足安全性的要求［10］。

仿真无误后，设计人员按照 1 ∶ 1 比例在实验室内完成物理样机的装配制造，如图 8 所示。在实验中 对该样机的起升角度、起升速度、起升加速度、承受重 量、基本功能进行测试，虽然起升角度、起升速度与设 计参数存在不超过 0．35%的误差，但考虑到装配及测 量存在误差，且物理样机在实际环境中也能正常工 作，因此反映出通过 ADAMS 软件进行运动学分析是 准确且可靠的。

3 结 语

文章基于 CＲOE 软件完成助老如厕辅助机械装 置的三维设计，然后在 ADAMS 软件中模拟真实工 况，对虚拟样机进行运动学仿真，得出关键部位的位 移、速度和加速度变化曲线，从而验证了该装置的运 动可行性，此研究为同类助老机械装置的数字化设计 提供一定参考和借鉴。

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