基于虛擬樣機技術的外骨骼結構承載系統(tǒng)仿真研究.pdf

1、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，主要起增強人體承載的功能。外骨骼的結構承載系統(tǒng)的研究是其開發(fā)過程的第一步。結構承載系統(tǒng)作為外載荷的傳輸媒介，能實現外骨骼的根本功能。外骨骼承載結構的強度決定外骨骼能否實現其承載要求，其動力學參數亦是與之相連接的液壓系統(tǒng)的重要設計參數。本論文通過研究人體主要關節(jié)的構成及幾種典型的運動姿態(tài)，利用ANSYS軟件，對設計出的外骨骼結構承載系統(tǒng)

2、進行結構靜強度分析。結合拉格朗日方程分析理論、Matlab軟件和ADAMS柔性體模塊，對其承載結構進行了系統(tǒng)的動力學研究。并最終通過建立外骨骼承載結構的虛擬樣機仿真模型，得到用于液壓系統(tǒng)設計的系列外骨骼動力學參數。
　　 本文的主要工作內容如下:
　　 1.研究了人體主要關節(jié)的構成、自由度分布，并結合外骨骼的功能實現要求，研究了人體對于外骨骼影響較大的四種典型運動姿態(tài)。
　　 2.研究了外骨骼結構承載系統(tǒng)各子系統(tǒng)

3、的功能要求，并基于安全性、舒適性及柔順性等設計原則，仿生設計了外骨骼的結構承載系統(tǒng)。
　　 3.應用SolidWorks軟件建立了外骨骼承載結構的三維模型，同時采用ANSYS軟件，進行了系統(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。根據分析結果，提出了系統(tǒng)的改進建議。
　　 4.應用第二類拉格朗日方程分析理論，建立了外骨骼承載結構的動力學分析模型，利用Matlab軟件求解，得到了各關節(jié)角加速度、關節(jié)角度、關節(jié)

4、處力矩及關節(jié)處液壓缸受力值等動力學參數，為液壓系統(tǒng)提供理論設計參數。
　　 5.應用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、瞬時功率及做功曲線，為液壓系統(tǒng)設計及優(yōu)化提供準確的參數。
　　 本文將人體關節(jié)結構及運動姿態(tài)研究、有限元分析法、拉格朗日方程分析理論和虛擬樣機技術相結合，對外骨骼的承載結構進行了系統(tǒng)的設