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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
        手在日常生活与工作过程当中,是使用工具、操纵设备等进行一系列社会活动的主要载体,起着非常重要的作用。由于工具手柄的设计缺陷及手抓握操纵上的不当作业等各种原因,会引发对手部的伤害和意外状况。长期以来,人们对手部的解剖结构、生理特性和运动性能及工具手柄的设计等都进行了大量的研究。工具手柄抓握时的手部姿态,人手在使用工具时,手部所受压力分布状况直接影响着人手使用工具的舒适性,手部压力分布位置及大小是评价手部舒适性的一项重要指标。目前,对手部的压力测试均采用实物样机测试法,如通过贴有应变片的数据手套来实现。在工具手柄的开发设计中,采用实物样机测试,需要反复试制与试验,成本高、效率低且开发设计周期长。
        本文为手部表面压力测量寻求一种新的测试途径,采用虚拟仿真测试技术,以获得手柄手抓握时的手部表面压力分布为目标,通过手抓握模型与工具手柄模型间的交互行为,最终获得良好的实验结果。
1    工具手柄的手抓握分析
1.1    手部结构简述
        手是人体的重要部位,其构成相当复杂,主要由上皮组织、肌肉组织、结缔组织和神经系统、骨骼,以及皮肤等组成。骨骼之间由关节连接,肌肉附着在骨骼之上,皮肤又覆在肌肉等软组织之外。手是一个多关节的系统,手部骨架由27块骨骼组成,分为腕骨、掌骨和指骨三部分。腕骨由钩骨、月骨、三角骨等8块构成。掌骨共5块,由拇指(thumb)向小指(pinky)依次为第1~5掌骨,近端接腕骨,远端接指骨。指骨共14块,除拇指只有2节指骨外,其他四指分别有3节指骨,为近指骨、中指骨和远指骨。人手由手腕、手掌、拇指及其他相邻的四指组成,它们由关节相互连接,随着各关节间的转动,手的姿态也发生变化。
1.2    手部的运动约束
        人手的运动主要有3种形态:伸屈、收展和旋转。手部作为一个整体在空间运动中具有6个自由度,在手部模型中分析各手指的运动而不考虑手相对于人体的运动时,可以限定这6个自由度。拇指的运动关节TIJ有1个自由度,做伸屈运动,TMPJ和TMJ分别有2个自由度,做伸屈和外展运动;其他四指的运动关节DIJ和PIJ各有1个自由度,做伸屈运动,MPJ有2个自由度,做伸屈和外展运动;另外4个MCJ也各有1个自由度。因此,在分析手的抓握时,需要考虑25个自由度。
        根据人手的运动特性,每根手指的运动都依附于手掌,单根手指上离手掌远端的指段又从属于离手掌较近的指段,手指的运动主要是围绕关节的旋转运动。可以在各个关节上建立一个局部坐标系,每根手指上的局部坐标系构成有从属关系的多级坐标系。取关节的轴线方向为X轴方向,本关节到下一关节的连线方向为Y轴方向,Z轴方向根据右手定则来确定。在手没有对外施加载荷和承受外部载荷的自由状态下,手指的每个关节都有一定的运动角度范围。
1.3    抓握准则
        手指伸屈的实质是指关节的转动,而关节的转动又是由肌肉收缩引起,是较复杂的生理过程。因而在模拟工具手柄抓握中,需要对这一过程进行合理地简化并加以控制。
        1)将在抓握过程中仅有微小变动的骨骼固定。第2~5掌骨的变动微小,可以视为固定不动,减少了4个自由度。
        2)将一些关节设为仅有绕X轴旋转的自由度。抓握过程中,在一定的初始状态下,五指主要做弯屈运动,收展运动较小,可以限制住关节MPJ、TMPJ及TMJ绕Y轴的6个自由度。
        3)每节指段绕各自局部坐标系的X轴旋转,建立每根手指上各指段转角αi与时间t的函数关系,以实现手柄抓握的进程控制,函数关系为:αi=kit+α0i式中:ki为比例系数;α0i为指段初始位置角度;i=1,2,3。
        其中,手指(不包括拇指)第3关节的转动并不是独立的,其与第2关节的转动有一定的联动关系,大致为一个线性的比例关系,即:α3=(2/3)α2
        4)工具手柄抓握过程中手指与手柄接触,手指指段与手柄曲面交互作用到一定程度即视为抓握成功。手柄抓握后,手部表面贴合手柄曲面,肌肉组织等产生一些挤压形变,其形变位置及程度取决于抓握方式、手柄曲面形态、施力部位和施力大小等,手指转动程度会受手指指段与手柄曲面间挤压产生的作用力影响而达到最大。
2    工具手柄手抓握有限元模型建立
2.1    手抓握的简化处理
        在最大限度不降低真实性的情况下,针对工具手柄抓握这一过程,对手抓握进行合理简化。
        1)考虑到手抓握过程中,手部受力对手部各个部位组织的影响程度,将模型简化为只包含:骨骼部分、肌肉部分和指段间关节处连接部分。
        2)建立的抓握手模型初始形态为即将抓握住手柄的形态。对手抓握模型的初始形态进行设定,使手部模型初始姿态不与手柄模型接触,却又即将抓握到手柄,减少手指大幅度弯曲,关节部位形变过大可能会对抓握的结果造成影响。
        3)关节部位的简化处理。在手柄手握获得表面压力分布及虚拟测量表面压力时,连接关节部位不是主要的表面受压部分,骨与骨之间的连接采用类似铰链连接的方式,外表则采用两个指段的过渡连接形式。以食指第1、第2关节部位为例。
2.2    有限元模型的建立
        综合前述的分析,使用三维建模软件建立手抓握模型的几何形状,然后将建立的几何模型导入ABAQUS有限元分析软件,进行网格划分、材料特性设置等。
2.2.1    网格划分
        对于手柄抓握过程,既有手指弯曲时产生的手模型较大变形,又有手模型与手柄模型之间的抓握接触,应选取适用于大应变问题和接触分析的结构化网格或扫掠网格,生成Hex单元网格。
        但由于手抓握模型的几何形状较为复杂,无法整体使用结构化网格或扫掠网格,对手抓握模型部分采用自由网格划分技术,生成Tet单元网格。综合考虑,对模型的骨骼及手指部分采用扫掠网格,线性缩减积分单元(C3D8R),手掌及虎口位置采用修正的二次Tet单元(C3D10M)。不同网格单元类型的交界处由ABAQUS有限元分析软件自动创建tie约束。
2.2.2    材料特性设置
        设置骨骼及肌肉部分的杨氏模量为7300MPa、50MPa,泊松比为0.3、0.3,指段间关节处连接部分设置超弹性材料属性等相关参数。
2.3    手柄手抓握仿真分析
        在ABAQUS有限元分析软件中,在已建立手抓握模型文件中导入一个工具手柄模型,手柄手抓握前的有限元模型。之后设置边界条件:将手部腕骨、掌骨及手柄固定;手部模型与手柄模型的表面接触摩擦因数为0.05;手指抓握过程关节转动的函数关系等,如食指3个关节的抓握进程为:α1=0.03t+0.2α2=0.03t+0.33α3=23α2
        设置完成后进行手柄手抓握的有限元仿真分析,手柄手抓握后的抓握姿态,分析结果显示的手部抓握接触的应力分布位置,掌心前端及各个指段所受压力较大,最大应力值为0.8108MPa。在实际的类似手柄手抓握中,使用透明玻璃杯进行手抓握,得到实际类似抓握中的手部受力位置。通过对仿真分析结果与实际抓握情形下的手部接触受力区域进行一个定性的比较,可以得到以下结论:所建立的手柄手抓握模型通过虚拟仿真分析,得到的手部表面压力分布位置与实际的类似手柄抓握情况中的手部受压位置基本相符。
3    结语
        本文通过简要分析手部结构与运动特征,建立了在手柄手抓握情形下的抓握准则。在此基础上,建立面向手柄抓握的手部有限元分析模型,采用虚拟仿真测试的方法,使用ABAQUS有限元分析软件,通过手抓握模型与手柄模型间的交互作用,获得了较为理想的手柄手抓握情形下的手部表面压力分布状况,为手部表面压力测量寻求了一种新的虚拟测试途径。
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