基于有限元方法的下肢外骨骼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、下肢外骨骼安裝在人體下肢部分，與穿戴者的下肢運(yùn)動(dòng)相互耦合，是一種新型的的生機(jī)電一體化綜合系統(tǒng)，涵蓋了機(jī)械設(shè)計(jì)、感知、驅(qū)動(dòng)、控制和機(jī)器人等領(lǐng)域。它能為人體下肢提供力量，進(jìn)而可以輔助穿戴者的運(yùn)動(dòng)，從而增強(qiáng)人們運(yùn)動(dòng)時(shí)的能力，使得人體在背負(fù)重物或進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)動(dòng)時(shí)，疲勞感能得到降低。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴根據(jù)人體生物解剖學(xué)分析人體下肢各關(guān)節(jié)的生物結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理，得出人體髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)形式和參數(shù)，在此分析的基礎(chǔ)上初步設(shè)計(jì)

2、出外骨骼的結(jié)構(gòu)模型。采用SolidWorks軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)三維建模，主要包括外骨骼髖部、膝關(guān)節(jié)和腳踝部分的設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)裝置的布局等。另外，考慮到人體穿戴的安全性和舒適性，要增加一些自由度以契合人體運(yùn)動(dòng)，并設(shè)置限位結(jié)構(gòu)；⑵對(duì)下肢外骨骼機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的力學(xué)特性方面的計(jì)算和研究。由于下肢外骨骼為多體結(jié)構(gòu)，因此需要建立多體動(dòng)力學(xué)模型。為獲得站立、行走工作狀態(tài)下的相關(guān)力學(xué)數(shù)據(jù)，首先采用相關(guān)有限元分析方法，采用Ansys Workbench對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)

3、行有限元的靜力學(xué)分析，得出機(jī)構(gòu)在較危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)情況下的總變形量和等效應(yīng)力情況；然后采用五連桿模型推導(dǎo)出其動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型，分析出在一個(gè)行走步態(tài)周期中髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的力矩和功率情況，為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇提供依據(jù)；⑶進(jìn)行模態(tài)分析。由于外骨骼穿戴在人體上行走時(shí)，各部件可能出現(xiàn)各種形式的振動(dòng)，因此需要模態(tài)分析對(duì)外骨骼的機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，計(jì)算出行走運(yùn)動(dòng)各姿態(tài)下外骨骼機(jī)構(gòu)的前六階固有頻率，并選取一個(gè)較危險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，查看該姿態(tài)下外骨骼機(jī)構(gòu)的振動(dòng)形式，獲得最大振