基于有限元方法的下肢外骨骼結構優(yōu)化設計.pdf

1、下肢外骨骼安裝在人體下肢部分，與穿戴者的下肢運動相互耦合，是一種新型的的生機電一體化綜合系統(tǒng)，涵蓋了機械設計、感知、驅動、控制和機器人等領域。它能為人體下肢提供力量，進而可以輔助穿戴者的運動，從而增強人們運動時的能力，使得人體在背負重物或進行長時間的運動時，疲勞感能得到降低。
　　本研究主要內容包括：⑴根據人體生物解剖學分析人體下肢各關節(jié)的生物結構和運動機理，得出人體髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)的運動形式和參數，在此分析的基礎上初步設計

2、出外骨骼的結構模型。采用SolidWorks軟件進行結構三維建模，主要包括外骨骼髖部、膝關節(jié)和腳踝部分的設計、驅動裝置的布局等。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動，并設置限位結構；⑵對下肢外骨骼機構進行靜態(tài)和動態(tài)的力學特性方面的計算和研究。由于下肢外骨骼為多體結構，因此需要建立多體動力學模型。為獲得站立、行走工作狀態(tài)下的相關力學數據，首先采用相關有限元分析方法，采用Ansys Workbench對機構進

3、行有限元的靜力學分析，得出機構在較危險運動情況下的總變形量和等效應力情況；然后采用五連桿模型推導出其動力學的數學模型，分析出在一個行走步態(tài)周期中髖關節(jié)、膝關節(jié)的力矩和功率情況，為驅動系統(tǒng)的選擇提供依據；⑶進行模態(tài)分析。由于外骨骼穿戴在人體上行走時，各部件可能出現各種形式的振動，因此需要模態(tài)分析對外骨骼的機構進行研究，計算出行走運動各姿態(tài)下外骨骼機構的前六階固有頻率，并選取一個較危險的運動姿態(tài)，查看該姿態(tài)下外骨骼機構的振動形式，獲得最大振