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程當中，是使用工具、操縱設備等進行一系列社會活動的主要載體，起著非常重要的作用。由于工具手柄的設計缺陷及手抓握操縱上的不當作業等各種原因，會引發對手部的傷害和意外狀況。長期以來，人們對手部的解剖結構、生理特性和運動性能及工具手柄的設計等都進行了大量的研究。工具手柄抓握時的手部姿態，人手在使用工具時，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價手部舒適性的一項重要指標。目前，對手部的壓力測試均采用實物樣機測試法，如通過貼有應變片的數據手套來實現。在工具手柄的開發設計中，采用實物樣機測試，需要反復試制與試驗，成本高、效率低且開發設計周期長。
本文為手部表面壓力測量尋求一種新的測試途徑，采用虛擬仿真測試技術，以獲得手柄手抓握時的手部表面壓力分布為目標，通過手抓握模型與工具手柄模型間的交互行為，最終獲得良好的實驗結果。
1 工具手柄的手抓握分析
1.1 手部結構簡述
手是人體的重要部位，其構成相當復雜，主要由上皮組織、肌肉組織、結締組織和神經系統、骨骼，以及皮膚等組成。骨骼之間由關節連接，肌肉附著在骨骼之上，皮膚又覆在肌肉等軟組織之外。手是一個多關節的系統，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，遠端接指骨。指骨共14塊，除拇指只有2節指骨外，其他四指分別有3節指骨，為近指骨、中指骨和遠指骨。人手由手腕、手掌、拇指及其他相鄰的四指組成，它們由關節相互連接，隨著各關節間的轉動，手的姿態也發生變化。
1.2 手部的運動約束
人手的運動主要有3種形態:伸屈、收展和旋轉。手部作為一個整體在空間運動中具有6個自由度，在手部模型中分析各手指的運動而不考慮手相對于人體的運動時，可以限定這6個自由度。拇指的運動關節TIJ有1個自由度，做伸屈運動，TMPJ和TMJ分別有2個自由度，做伸屈和外展運動;其他四指的運動關節DIJ和PIJ各有1個自由度，做伸屈運動，MPJ有2個自由度，做伸屈和外展運動;另外4個MCJ也各有1個自由度。因此，在分析手的抓握時，需要考慮25個自由度。
根據人手的運動特性，每根手指的運動都依附于手掌，單根手指上離手掌遠端的指段又從屬于離手掌較近的指段，手指的運動主要是圍繞關節的旋轉運動?？梢栽诟鱾€關節上建立一個局部坐標系，每根手指上的局部坐標系構成有從屬關系的多級坐標系。取關節的軸線方向為X軸方向，本關節到下一關節的連線方向為Y軸方向，Z軸方向根據右手定則來確定。在手沒有對外施加載荷和承受外部載荷的自由狀態下，手指的每個關節都有一定的運動角度范圍。
1.3 抓握準則
手指伸屈的實質是指關節的轉動，而關節的轉動又是由肌肉收縮引起，是較復雜的生理過程。因而在模擬工具手柄抓握中，需要對這一過程進行合理地簡化并加以控制。
1)將在抓握過程中僅有微小變動的骨骼固定。第2～5掌骨的變動微小，可以視為固定不動，減少了4個自由度。
2)將一些關節設為僅有繞X軸旋轉的自由度。抓握過程中，在一定的初始狀態下，五指主要做彎屈運動，收展運動較小，可以限制住關節MPJ、TMPJ及TMJ繞Y軸的6個自由度。
3)每節指段繞各自局部坐標系的X軸旋轉，建立每根手指上各指段轉角αi與時間t的函數關系，以實現手柄抓握的進程控制，函數關系為:αi=kit+α0i式中:ki為比例系數;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關節的轉動并不是獨立的，其與第2關節的轉動有一定的聯動關系，大致為一個線性的比例關系，即:α3=(2/3)α2
4)工具手柄抓握過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、施力部位和施力大小等，手指轉動程度會受手指指段與手柄曲面間擠壓產生的作用力影響而達到最大。
2 工具手柄手抓握有限元模型建立
2.1 手抓握的簡化處理
在最大限度不降低真實性的情況下，針對工具手柄抓握這一過程，對手抓握進行合理簡化。
1)考慮到手抓握過程中，手部受力對手部各個部位組織的影響程度，將模型簡化為只包含:骨骼部分、肌肉部分和指段間關節處連接部分。
2)建立的抓握手模型初始形態為即將抓握住手柄的形態。對手抓握模型的初始形態進行設定，使手部模型初始姿態不與手柄模型接觸，卻又即將抓握到手柄，減少手指大幅度彎曲，關節部位形變過大可能會對抓握的結果造成影響。
3)關節部位的簡化處理。在手柄手握獲得表面壓力分布及虛擬測量表面壓力時，連接關節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，外表則采用兩個指段的過渡連接形式。以食指第1、第2關節部位為例。
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入ABAQUS有限元分析軟件，進行網格劃分、材料特性設置等。
2.2.1 網格劃分
對于手柄抓握過程，既有手指彎曲時產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，應選取適用于大應變問題和接觸分析的結構化網格或掃掠網格，生成Hex單元網格。
但由于手抓握模型的幾何形狀較為復雜，無法整體使用結構化網格或掃掠網格，對手抓握模型部分采用自由網格劃分技術，生成Tet單元網格。綜合考慮，對模型的骨骼及手指部分采用掃掠網格，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)。不同網格單元類型的交界處由ABAQUS有限元分析軟件自動創建tie約束。
2.2.2 材料特性設置
設置骨骼及肌肉部分的楊氏模量為7300MPa、50MPa，泊松比為0.3、0.3，指段間關節處連接部分設置超彈性材料屬性等相關參數。
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入一個工具手柄模型，手柄手抓握前的有限元模型。之后設置邊界條件: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為0.05;手指抓握過程關節轉動的函數關系等，如食指3個關節的抓握進程為:α1=0.03t+0.2α2=0.03t+0.33α3=23α2
設置完成后進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，分析結果顯示的手部抓握接觸的應力分布位置，掌心前端及各個指段所受壓力較大，最大應力值為0.8108MPa。在實際的類似手柄手抓握中，使用透明玻璃杯進行手抓握，得到實際類似抓握中的手部受力位置。通過對仿真分析結果與實際抓握情形下的手部接觸受力區域進行一個定性的比較，可以得到以下結論:所建立的手柄手抓握模型通過虛擬仿真分析，得到的手部表面壓力分布位置與實際的類似手柄抓握情況中的手部受壓位置基本相符。
3 結語
本文通過簡要分析手部結構與運動特征，建立了在手柄手抓握情形下的抓握準則。在此基礎上，建立面向手柄抓握的手部有限元分析模型，采用虛擬仿真測試的方法，使用ABAQUS有限元分析軟件，通過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，為手部表面壓力測量尋求了一種新的虛擬測試途徑。
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