基于虚拟样机技术的外骨骼结构承载系统仿真研究

发布时间：2017-07-02 23:09

  本文关键词：基于虚拟样机技术的外骨骼结构承载系统仿真研究

  更多相关文章： 外骨骼 结构承载系统 有限元分析 动力学 虚拟样机

【摘要】：外骨骼作为近年来新兴的热门研究对象,通过模拟人体的骨骼、关节和肌肉,为人体装备额外的金属外骨骼及动力源,主要起增强人体承载的功能。外骨骼的结构承载系统的研究是其开发过程的第一步。结构承载系统作为外载荷的传输媒介,能实现外骨骼的根本功能。外骨骼承载结构的强度决定外骨骼能否实现其承载要求,其动力学参数亦是与之相连接的液压系统的重要设计参数。本论文通过研究人体主要关节的构成及几种典型的运动姿态,利用ANSYS软件,对设计出的外骨骼结构承载系统进行结构静强度分析。结合拉格朗日方程分析理论、Matlab软件和ADAMS柔性体模块,对其承载结构进行了系统的动力学研究。并最终通过建立外骨骼承载结构的虚拟样机仿真模型,得到用于液压系统设计的系列外骨骼动力学参数。 本文的主要工作内容如下： 1.研究了人体主要关节的构成、自由度分布,并结合外骨骼的功能实现要求,研究了人体对于外骨骼影响较大的四种典型运动姿态。 2.研究了外骨骼结构承载系统各子系统的功能要求,并基于安全性、舒适性及柔顺性等设计原则,仿生设计了外骨骼的结构承载系统。 3.应用SolidWorks软件建立了外骨骼承载结构的三维模型,同时采用ANSYS软件,进行了系统的双腿站立、单腿站立、单膝下跪三种姿态下的有限元分析。根据分析结果,提出了系统的改进建议。 4.应用第二类拉格朗日方程分析理论,建立了外骨骼承载结构的动力学分析模型,利用Matlab软件求解,得到了各关节角加速度、关节角度、关节处力矩及关节处液压缸受力值等动力学参数,为液压系统提供理论设计参数。 5.应用ADAMS柔性体模块,建立了大、小腿及液压缸为柔性体,其余部位为刚形体的动力学仿真模型,得到了双腿下蹲、单膝下跪姿态极限工况下液压缸的受力、轴向移动速率、瞬时功率及做功曲线,为液压系统设计及优化提供准确的参数。 本文将人体关节结构及运动姿态研究、有限元分析法、拉格朗日方程分析理论和虚拟样机技术相结合,对外骨骼的承载结构进行了系统的设计、静力学及动力学理论分析和仿真分析,为外骨骼承载结构的优化及液压系统的设计提供了重要参数。
【关键词】：外骨骼 结构承载系统 有限元分析 动力学 虚拟样机
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R314;TP391.9
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 目录9-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 课题研究背景和意义11
• 1.2 国内外研究之现状11-16
• 1.2.1 国外外骨骼技术研究现状11-14
• 1.2.2 国内外骨骼技术的研究现状14-16
• 1.3 本论文的主要研究内容及技术路线16-18
• 第2章 外骨骼结构承载系统拟人化设计18-25
• 2.1 人体主要关节结构研究18-19
• 2.2 人体的典型运动姿态研究19-20
• 2.3 外骨骼机械结构的拟人化设计20-24
• 2.3.1 背架子系统20-21
• 2.3.2 髋部承载子系统21-22
• 2.3.3 下肢承载子系统22-23
• 2.3.4 传感靴子系统23
• 2.3.5 外骨骼机械系统整体结构23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第3章 外骨骼结构承载系统有限元分析25-36
• 3.1 有限元法中的线弹性力学原理探究25-27
• 3.2 有限元法的软件实现27
• 3.3 外骨骼结构承载系统有限元计算27-31
• 3.3.1 计算工况的选择28
• 3.3.2 有限元模型的建立28-29
• 3.3.3 单元类型的选择和网格划分29-30
• 3.3.4 边界条件和载荷施加30-31
• 3.4 有限元计算结果31-35
• 3.5 本章小结35-36
• 第4章 外骨骼结构承载系统动力学理论分析36-55
• 4.1 达朗伯原理及动力学普遍方程36-38
• 4.1.1 达朗伯原理36-37
• 4.1.2 动力学普遍方程37-38
• 4.2 拉格朗日第二类方程理论分析38-40
• 4.3 外骨骼蹲起运动姿态的完整约束动力学模型40-46
• 4.3.1 结构承载系统内各刚体动能分析41-42
• 4.3.2 结构承载系统内各刚体重力势能分析42-43
• 4.3.3 结构承载系统内液压缸弹性势能分析43
• 4.3.4 结构承载系统模型的拉格朗日函数43-46
• 4.4 外骨骼蹲起运动姿态的完整约束动力学模型求解46-53
• 4.4.1 外骨骼系统的拉格朗日动力学微分方程数值解47-49
• 4.4.2 基于微分方程数值解的外骨骼动力学参数求解49-53
• 4.5 本章小结53-55
• 第5章 外骨骼结构承载系统虚拟样机的建立与仿真55-68
• 5.1 引言55
• 5.2 虚拟样机技术55
• 5.3 ADAMS软件及其建模方法简介55-59
• 5.3.1 ADAMS软件简介55-56
• 5.3.2 ADAMS系统动力学建模方法56-59
• 5.4 ADAMS外骨骼刚-柔混合仿真模型的建立59-61
• 5.4.1 ANSYS柔性体有限元模型的建立59-60
• 5.4.2 柔性体模态中性文件的生成60-61
• 5.5 两种工况下模型的约束和驱动的施加61-63
• 5.6 仿真结果分析63-67
• 5.6.1 单膝下跪工况仿真结果分析63-65
• 5.6.2 起蹲工况仿真结果分析65-66
• 5.6.3 单膝下跪工况中动力学理论结果与仿真结果的比较分析66-67
• 5.7 本章小结67-68
• 结论和展望68-71
• 1. 全文研究内容和结论总结68-70
• 2. 今后研究工作的展望70-71
• 致谢71-72
• 参考文献72-76
• 附录76-80
• 攻读硕士学位期间发表的论文80

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 秦洪德;石丽丽;;船体双层底结构优化的粒子群优化算法[J];大连海事大学学报;2009年04期

2 赵南;程文明;邬钱涌;;穿戴式外骨骼膝关节三铰点机构优化设计[J];机械工程与自动化;2012年01期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 张佳帆;基于柔性外骨骼人机智能系统基础理论及应用技术研究[D];浙江大学;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 尹军茂;穿戴式下肢外骨骼机构分析与设计[D];北京工业大学;2010年

2 赵南;基于虚拟样机技术的助力系统仿真研究[D];西南交通大学;2012年

  本文关键词：基于虚拟样机技术的外骨骼结构承载系统仿真研究

  更多相关文章： 外骨骼 结构承载系统 有限元分析 动力学 虚拟样机

，

本文编号：511605