工具手柄的手抓握有限元模型建立及研究
2014/11/13 14:36:52
0 引言
手在日常生活與工作過(guò)程當(dāng)中，是使用工具、操縱設(shè)備等進(jìn)行一系列社會(huì)活動(dòng)的主要載體，起著非常重要的作用。由于工具手柄的設(shè)計(jì)缺陷及手抓握操縱上的不當(dāng)作業(yè)等各種原因，會(huì)引發(fā)對(duì)手部的傷害和意外狀況。長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)手部的解剖結(jié)構(gòu)、生理特性和運(yùn)動(dòng)性能及工具手柄的設(shè)計(jì)等都進(jìn)行了大量的研究。工具手柄抓握時(shí)的手部姿態(tài)，人手在使用工具時(shí)，手部所受壓力分布狀況直接影響著人手使用工具的舒適性，手部壓力分布位置及大小是評(píng)價(jià)手部舒適性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前，對(duì)手部的壓力測(cè)試均采用實(shí)物樣機(jī)測(cè)試法，如通過(guò)貼有應(yīng)變片的數(shù)據(jù)手套來(lái)實(shí)現(xiàn)。在工具手柄的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，采用實(shí)物樣機(jī)測(cè)試，需要反復(fù)試制與試驗(yàn)，成本高、效率低且開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)。
本文為手部表面壓力測(cè)量尋求一種新的測(cè)試途徑，采用虛擬仿真測(cè)試技術(shù)，以獲得手柄手抓握時(shí)的手部表面壓力分布為目標(biāo)，通過(guò)手抓握模型與工具手柄模型間的交互行為，最終獲得良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
1 工具手柄的手抓握分析
1.1 手部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述
手是人體的重要部位，其構(gòu)成相當(dāng)復(fù)雜，主要由上皮組織、肌肉組織、結(jié)締組織和神經(jīng)系統(tǒng)、骨骼，以及皮膚等組成。骨骼之間由關(guān)節(jié)連接，肌肉附著在骨骼之上，皮膚又覆在肌肉等軟組織之外。手是一個(gè)多關(guān)節(jié)的系統(tǒng)，手部骨架由27塊骨骼組成，分為腕骨、掌骨和指骨三部分。腕骨由鉤骨、月骨、三角骨等8塊構(gòu)成。掌骨共5塊，由拇指(thumb)向小指(pinky)依次為第1～5掌骨，近端接腕骨，遠(yuǎn)端接指骨。指骨共14塊，除拇指只有2節(jié)指骨外，其他四指分別有3節(jié)指骨，為近指骨、中指骨和遠(yuǎn)指骨。人手由手腕、手掌、拇指及其他相鄰的四指組成，它們由關(guān)節(jié)相互連接，隨著各關(guān)節(jié)間的轉(zhuǎn)動(dòng)，手的姿態(tài)也發(fā)生變化。
1.2 手部的運(yùn)動(dòng)約束
人手的運(yùn)動(dòng)主要有3種形態(tài):伸屈、收展和旋轉(zhuǎn)。手部作為一個(gè)整體在空間運(yùn)動(dòng)中具有6個(gè)自由度，在手部模型中分析各手指的運(yùn)動(dòng)而不考慮手相對(duì)于人體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以限定這6個(gè)自由度。拇指的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)TIJ有1個(gè)自由度，做伸屈運(yùn)動(dòng)，TMPJ和TMJ分別有2個(gè)自由度，做伸屈和外展運(yùn)動(dòng);其他四指的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)DIJ和PIJ各有1個(gè)自由度，做伸屈運(yùn)動(dòng)，MPJ有2個(gè)自由度，做伸屈和外展運(yùn)動(dòng);另外4個(gè)MCJ也各有1個(gè)自由度。因此，在分析手的抓握時(shí)，需要考慮25個(gè)自由度。
根據(jù)人手的運(yùn)動(dòng)特性，每根手指的運(yùn)動(dòng)都依附于手掌，單根手指上離手掌遠(yuǎn)端的指段又從屬于離手掌較近的指段，手指的運(yùn)動(dòng)主要是圍繞關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?？梢栽诟鱾€(gè)關(guān)節(jié)上建立一個(gè)局部坐標(biāo)系，每根手指上的局部坐標(biāo)系構(gòu)成有從屬關(guān)系的多級(jí)坐標(biāo)系。取關(guān)節(jié)的軸線方向?yàn)閄軸方向，本關(guān)節(jié)到下一關(guān)節(jié)的連線方向?yàn)閅軸方向，Z軸方向根據(jù)右手定則來(lái)確定。在手沒(méi)有對(duì)外施加載荷和承受外部載荷的自由狀態(tài)下，手指的每個(gè)關(guān)節(jié)都有一定的運(yùn)動(dòng)角度范圍。
1.3 抓握準(zhǔn)則
手指伸屈的實(shí)質(zhì)是指關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，而關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)又是由肌肉收縮引起，是較復(fù)雜的生理過(guò)程。因而在模擬工具手柄抓握中，需要對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行合理地簡(jiǎn)化并加以控制。
1)將在抓握過(guò)程中僅有微小變動(dòng)的骨骼固定。第2～5掌骨的變動(dòng)微小，可以視為固定不動(dòng)，減少了4個(gè)自由度。
2)將一些關(guān)節(jié)設(shè)為僅有繞X軸旋轉(zhuǎn)的自由度。抓握過(guò)程中，在一定的初始狀態(tài)下，五指主要做彎屈運(yùn)動(dòng)，收展運(yùn)動(dòng)較小，可以限制住關(guān)節(jié)MPJ、TMPJ及TMJ繞Y軸的6個(gè)自由度。
3)每節(jié)指段繞各自局部坐標(biāo)系的X軸旋轉(zhuǎn)，建立每根手指上各指段轉(zhuǎn)角αi與時(shí)間t的函數(shù)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)手柄抓握的進(jìn)程控制，函數(shù)關(guān)系為:αi=kit+α0i式中:ki為比例系數(shù);α0i為指段初始位置角度;i=1，2，3。
其中，手指(不包括拇指)第3關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)并不是獨(dú)立的，其與第2關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)有一定的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，大致為一個(gè)線性的比例關(guān)系，即:α3=(2/3)α2
4)工具手柄抓握過(guò)程中手指與手柄接觸，手指指段與手柄曲面交互作用到一定程度即視為抓握成功。手柄抓握后，手部表面貼合手柄曲面，肌肉組織等產(chǎn)生一些擠壓形變，其形變位置及程度取決于抓握方式、手柄曲面形態(tài)、施力部位和施力大小等，手指轉(zhuǎn)動(dòng)程度會(huì)受手指指段與手柄曲面間擠壓產(chǎn)生的作用力影響而達(dá)到最大。
2 工具手柄手抓握有限元模型建立
2.1 手抓握的簡(jiǎn)化處理
在最大限度不降低真實(shí)性的情況下，針對(duì)工具手柄抓握這一過(guò)程，對(duì)手抓握進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。
1)考慮到手抓握過(guò)程中，手部受力對(duì)手部各個(gè)部位組織的影響程度，將模型簡(jiǎn)化為只包含:骨骼部分、肌肉部分和指段間關(guān)節(jié)處連接部分。
2)建立的抓握手模型初始形態(tài)為即將抓握住手柄的形態(tài)。對(duì)手抓握模型的初始形態(tài)進(jìn)行設(shè)定，使手部模型初始姿態(tài)不與手柄模型接觸，卻又即將抓握到手柄，減少手指大幅度彎曲，關(guān)節(jié)部位形變過(guò)大可能會(huì)對(duì)抓握的結(jié)果造成影響。
3)關(guān)節(jié)部位的簡(jiǎn)化處理。在手柄手握獲得表面壓力分布及虛擬測(cè)量表面壓力時(shí)，連接關(guān)節(jié)部位不是主要的表面受壓部分，骨與骨之間的連接采用類似鉸鏈連接的方式，外表則采用兩個(gè)指段的過(guò)渡連接形式。以食指第1、第2關(guān)節(jié)部位為例。
2.2 有限元模型的建立
綜合前述的分析，使用三維建模軟件建立手抓握模型的幾何形狀，然后將建立的幾何模型導(dǎo)入ABAQUS有限元分析軟件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分、材料特性設(shè)置等。
2.2.1 網(wǎng)格劃分
對(duì)于手柄抓握過(guò)程，既有手指彎曲時(shí)產(chǎn)生的手模型較大變形，又有手模型與手柄模型之間的抓握接觸，應(yīng)選取適用于大應(yīng)變問(wèn)題和接觸分析的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格或掃掠網(wǎng)格，生成Hex單元網(wǎng)格。
但由于手抓握模型的幾何形狀較為復(fù)雜，無(wú)法整體使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格或掃掠網(wǎng)格，對(duì)手抓握模型部分采用自由網(wǎng)格劃分技術(shù)，生成Tet單元網(wǎng)格。綜合考慮，對(duì)模型的骨骼及手指部分采用掃掠網(wǎng)格，線性縮減積分單元(C3D8R)，手掌及虎口位置采用修正的二次Tet單元(C3D10M)。不同網(wǎng)格單元類型的交界處由ABAQUS有限元分析軟件自動(dòng)創(chuàng)建tie約束。
2.2.2 材料特性設(shè)置
設(shè)置骨骼及肌肉部分的楊氏模量為7300MPa、50MPa，泊松比為0.3、0.3，指段間關(guān)節(jié)處連接部分設(shè)置超彈性材料屬性等相關(guān)參數(shù)。
2.3 手柄手抓握仿真分析
在ABAQUS有限元分析軟件中，在已建立手抓握模型文件中導(dǎo)入一個(gè)工具手柄模型，手柄手抓握前的有限元模型。之后設(shè)置邊界條件:將手部腕骨、掌骨及手柄固定;手部模型與手柄模型的表面接觸摩擦因數(shù)為0.05;手指抓握過(guò)程關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的函數(shù)關(guān)系等，如食指3個(gè)關(guān)節(jié)的抓握進(jìn)程為:α1=0.03t+0.2α2=0.03t+0.33α3=23α2
設(shè)置完成后進(jìn)行手柄手抓握的有限元仿真分析，手柄手抓握后的抓握姿態(tài)，分析結(jié)果顯示的手部抓握接觸的應(yīng)力分布位置，掌心前端及各個(gè)指段所受壓力較大，最大應(yīng)力值為0.8108MPa。在實(shí)際的類似手柄手抓握中，使用透明玻璃杯進(jìn)行手抓握，得到實(shí)際類似抓握中的手部受力位置。通過(guò)對(duì)仿真分析結(jié)果與實(shí)際抓握情形下的手部接觸受力區(qū)域進(jìn)行一個(gè)定性的比較，可以得到以下結(jié)論:所建立的手柄手抓握模型通過(guò)虛擬仿真分析，得到的手部表面壓力分布位置與實(shí)際的類似手柄抓握情況中的手部受壓位置基本相符。
3 結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)簡(jiǎn)要分析手部結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)特征，建立了在手柄手抓握情形下的抓握準(zhǔn)則。在此基礎(chǔ)上，建立面向手柄抓握的手部有限元分析模型，采用虛擬仿真測(cè)試的方法，使用ABAQUS有限元分析軟件，通過(guò)手抓握模型與手柄模型間的交互作用，獲得了較為理想的手柄手抓握情形下的手部表面壓力分布狀況，為手部表面壓力測(cè)量尋求了一種新的虛擬測(cè)試途徑。
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- HL.A005 固定調(diào)節(jié)支撐腳
- 材質(zhì)：
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- HL.22040 調(diào)節(jié)表盤(pán)手輪
- 材質(zhì)：膠木
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- HL.11280 手柄桿
- 材質(zhì)：鐵
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- HL.41118 鉸鏈
- 材質(zhì)：鋅合金
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- HL.41138 鉸鏈
- 材質(zhì)：鋅合金
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- HL.42030 固定調(diào)節(jié)支撐腳
- 材質(zhì)：尼龍或者鍍鋅鋼
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- HL.41126 鉸鏈
- 材質(zhì)：鋅合金
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- HL.41147 鉸鏈
- 材質(zhì)：鋅合金
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- HL.41106 鉸鏈
- 材質(zhì)：增強(qiáng)尼龍
