本文關(guān)鍵詞：基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的外骨骼結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng)仿真研究

  更多相關(guān)文章： 外骨骼 結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng) 有限元分析 動力學(xué) 虛擬樣機(jī)

【摘要】：外骨骼作為近年來新興的熱門研究對象,通過模擬人體的骨骼、關(guān)節(jié)和肌肉,為人體裝備額外的金屬外骨骼及動力源,主要起增強(qiáng)人體承載的功能。外骨骼的結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng)的研究是其開發(fā)過程的第一步。結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng)作為外載荷的傳輸媒介,能實(shí)現(xiàn)外骨骼的根本功能。外骨骼承載結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度決定外骨骼能否實(shí)現(xiàn)其承載要求,其動力學(xué)參數(shù)亦是與之相連接的液壓系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)參數(shù)。本論文通過研究人體主要關(guān)節(jié)的構(gòu)成及幾種典型的運(yùn)動姿態(tài),利用ANSYS軟件,對設(shè)計(jì)出的外骨骼結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析。結(jié)合拉格朗日方程分析理論、Matlab軟件和ADAMS柔性體模塊,對其承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的動力學(xué)研究。并最終通過建立外骨骼承載結(jié)構(gòu)的虛擬樣機(jī)仿真模型,得到用于液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系列外骨骼動力學(xué)參數(shù)。 本文的主要工作內(nèi)容如下： 1.研究了人體主要關(guān)節(jié)的構(gòu)成、自由度分布,并結(jié)合外骨骼的功能實(shí)現(xiàn)要求,研究了人體對于外骨骼影響較大的四種典型運(yùn)動姿態(tài)。 2.研究了外骨骼結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng)各子系統(tǒng)的功能要求,并基于安全性、舒適性及柔順性等設(shè)計(jì)原則,仿生設(shè)計(jì)了外骨骼的結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng)。 3.應(yīng)用SolidWorks軟件建立了外骨骼承載結(jié)構(gòu)的三維模型,同時(shí)采用ANSYS軟件,進(jìn)行了系統(tǒng)的雙腿站立、單腿站立、單膝下跪三種姿態(tài)下的有限元分析。根據(jù)分析結(jié)果,提出了系統(tǒng)的改進(jìn)建議。 4.應(yīng)用第二類拉格朗日方程分析理論,建立了外骨骼承載結(jié)構(gòu)的動力學(xué)分析模型,利用Matlab軟件求解,得到了各關(guān)節(jié)角加速度、關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)處力矩及關(guān)節(jié)處液壓缸受力值等動力學(xué)參數(shù),為液壓系統(tǒng)提供理論設(shè)計(jì)參數(shù)。 5.應(yīng)用ADAMS柔性體模塊,建立了大、小腿及液壓缸為柔性體,其余部位為剛形體的動力學(xué)仿真模型,得到了雙腿下蹲、單膝下跪姿態(tài)極限工況下液壓缸的受力、軸向移動速率、瞬時(shí)功率及做功曲線,為液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供準(zhǔn)確的參數(shù)。 本文將人體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動姿態(tài)研究、有限元分析法、拉格朗日方程分析理論和虛擬樣機(jī)技術(shù)相結(jié)合,對外骨骼的承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、靜力學(xué)及動力學(xué)理論分析和仿真分析,為外骨骼承載結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了重要參數(shù)。
【關(guān)鍵詞】：外骨骼 結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng) 有限元分析 動力學(xué) 虛擬樣機(jī)
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：R314;TP391.9
【目錄】：

• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 目錄9-11
• 第1章 緒論11-18
• 1.1 課題研究背景和意義11
• 1.2 國內(nèi)外研究之現(xiàn)狀11-16
• 1.2.1 國外外骨骼技術(shù)研究現(xiàn)狀11-14
• 1.2.2 國內(nèi)外骨骼技術(shù)的研究現(xiàn)狀14-16
• 1.3 本論文的主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線16-18
• 第2章 外骨骼結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng)擬人化設(shè)計(jì)18-25
• 2.1 人體主要關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)研究18-19
• 2.2 人體的典型運(yùn)動姿態(tài)研究19-20
• 2.3 外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)的擬人化設(shè)計(jì)20-24
• 2.3.1 背架子系統(tǒng)20-21
• 2.3.2 髖部承載子系統(tǒng)21-22
• 2.3.3 下肢承載子系統(tǒng)22-23
• 2.3.4 傳感靴子系統(tǒng)23
• 2.3.5 外骨骼機(jī)械系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)23-24
• 2.4 本章小結(jié)24-25
• 第3章 外骨骼結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng)有限元分析25-36
• 3.1 有限元法中的線彈性力學(xué)原理探究25-27
• 3.2 有限元法的軟件實(shí)現(xiàn)27
• 3.3 外骨骼結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng)有限元計(jì)算27-31
• 3.3.1 計(jì)算工況的選擇28
• 3.3.2 有限元模型的建立28-29
• 3.3.3 單元類型的選擇和網(wǎng)格劃分29-30
• 3.3.4 邊界條件和載荷施加30-31
• 3.4 有限元計(jì)算結(jié)果31-35
• 3.5 本章小結(jié)35-36
• 第4章 外骨骼結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng)動力學(xué)理論分析36-55
• 4.1 達(dá)朗伯原理及動力學(xué)普遍方程36-38
• 4.1.1 達(dá)朗伯原理36-37
• 4.1.2 動力學(xué)普遍方程37-38
• 4.2 拉格朗日第二類方程理論分析38-40
• 4.3 外骨骼蹲起運(yùn)動姿態(tài)的完整約束動力學(xué)模型40-46
• 4.3.1 結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng)內(nèi)各剛體動能分析41-42
• 4.3.2 結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng)內(nèi)各剛體重力勢能分析42-43
• 4.3.3 結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng)內(nèi)液壓缸彈性勢能分析43
• 4.3.4 結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng)模型的拉格朗日函數(shù)43-46
• 4.4 外骨骼蹲起運(yùn)動姿態(tài)的完整約束動力學(xué)模型求解46-53
• 4.4.1 外骨骼系統(tǒng)的拉格朗日動力學(xué)微分方程數(shù)值解47-49
• 4.4.2 基于微分方程數(shù)值解的外骨骼動力學(xué)參數(shù)求解49-53
• 4.5 本章小結(jié)53-55
• 第5章 外骨骼結(jié)構(gòu)承載系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的建立與仿真55-68
• 5.1 引言55
• 5.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)55
• 5.3 ADAMS軟件及其建模方法簡介55-59
• 5.3.1 ADAMS軟件簡介55-56
• 5.3.2 ADAMS系統(tǒng)動力學(xué)建模方法56-59
• 5.4 ADAMS外骨骼剛-柔混合仿真模型的建立59-61
• 5.4.1 ANSYS柔性體有限元模型的建立59-60
• 5.4.2 柔性體模態(tài)中性文件的生成60-61
• 5.5 兩種工況下模型的約束和驅(qū)動的施加61-63
• 5.6 仿真結(jié)果分析63-67
• 5.6.1 單膝下跪工況仿真結(jié)果分析63-65
• 5.6.2 起蹲工況仿真結(jié)果分析65-66
• 5.6.3 單膝下跪工況中動力學(xué)理論結(jié)果與仿真結(jié)果的比較分析66-67
• 5.7 本章小結(jié)67-68
• 結(jié)論和展望68-71
• 1. 全文研究內(nèi)容和結(jié)論總結(jié)68-70
• 2. 今后研究工作的展望70-71
• 致謝71-72
• 參考文獻(xiàn)72-76
• 附錄76-80
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文80

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 秦洪德;石麗麗;;船體雙層底結(jié)構(gòu)優(yōu)化的粒子群優(yōu)化算法[J];大連海事大學(xué)學(xué)報(bào);2009年04期

2 趙南;程文明;鄔錢涌;;穿戴式外骨骼膝關(guān)節(jié)三鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];機(jī)械工程與自動化;2012年01期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 張佳帆;基于柔性外骨骼人機(jī)智能系統(tǒng)基礎(chǔ)理論及應(yīng)用技術(shù)研究[D];浙江大學(xué);2009年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 尹軍茂;穿戴式下肢外骨骼機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)[D];北京工業(yè)大學(xué);2010年

2 趙南;基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的助力系統(tǒng)仿真研究[D];西南交通大學(xué);2012年

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本文編號：511605