关节机构的结构设计与分析

发布时间：2020-07-11 23:10

【摘要】：关节机构广泛应用于假肢、仿生机器人等领域，采用仿生学的方法研究新型关节机构具有重要的研究意义。本文以人体膝关节为设计原型，研究关节机构的结构设计与仿真：第一，针对传统关节机构在结构和驱动方式存在的不足，提出了以人体膝关节为仿生原型，设计关节机构。对人体膝关节的结构、功能和驱动机理进行分析，为关节机构的设计提供理论基础。第二，在广泛查阅国内外对关节机构研究现状的基础上，结合对人体膝关节结构和驱动机理的研究，初步设计本文的关节机构；分别采用结构仿生和功能仿生两种方法，提出关节机构的概念设计，对两种方案进行比较分析和优选，并对优选的机构进行详细设计。第三，采用UG建立了关节机构的三维几何零件模型和装配模型；指出了关节机构的组成、各零件的作用及关键部位；分析关节机构的自由度、干涉情况和运动幅度；建立关节机构的有限元模型，采用了ANSYS对关节的强度进行校核。第四，利用人体建模软件Life.Mod建立了人体下肢数据模型，对人体膝关节进行运动学分析，并选择了一对对抗性的气动人工肌肉作为该关节的驱动力，采用了ADAMS2005对关节进行动力学分析，分析结果表明该关节具有人体膝关节的基本功能。通过本文对人体膝关节驱动机理、关节机构的结构设计和分析的研究，为设计新一代关节机构的提供一定的理论基础和参考数据，研究成果还可以应用于仿生装置、护理机器人、航天设备中。
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TH112
【图文】：

t图,手指关节,齿轮传动,手臂

睿从母忿搜‘加t图1一2滚动式人工膝关节””’图卜3人_仁关节l5]a)后面观b)前面观在机器人中常模拟人的肩关节、肘关节和腕关节。通常模拟人的肩、肘、腰关节的自由度只有1个。若需要增加自由度，就要采用多个气缸、液压缸或齿轮齿条、丝杠、螺母等结构实现关节的运动。其驱动装置大都采用电机驱动，常需要各种齿轮、链、皮带传动或其他减速装置，以获取较大的转矩。如齿轮传动手臂关节t川如图l一4和手指关节〔跄〕如图1一5采用丝杠、连杆、齿轮机构，实现关节的运动。图1一4齿轮传动手臂关节‘川图l一5手指关节!2止’.2.2仿生肌肉的研究根据生物肌肉的驱动机理研究仿生肌肉，国内外长期以来开展了大量的研究，

人工肌肉,灵巧手

西北工业大硕士学论文第一章绪论图1一7人工肌肉灵巧手[25]图1一8人工肌肉仿生手臂国在国内哈工大的隋立明博士〔川、北京航空航天大学刘荣〔27]、华中科技大学李宝仁〔‘2刃、南京理工大学卫玉芬、李小宁〔s0]以及北京理工大学彭光正〔川对PllA的特性及其数学模型进行了研究，上海交通大学田社平对PMA自适应预测控制的研究，浙江大学张立彬研制了气动柔性球关节〔32]。.2.3存在问题从以上国内外研究的现状可以看出，对关节进行了大量的研究工作，取得了不少阶段性成果，同时也存在与之相关的问题未得到解决。从上述关节国内外的研究现状可知仿生关节主要应用在人工关节、假肢和仿生机器人中。目前的的人工关节摩擦面磨损严重、而由颗粒引起的异物反应会缩短人工关节的使用寿命。从假肢的研究现状可知目前的假肢可以帮助残疾人恢复一定的活动能力，但无法模拟人体健康运动、不能很好地适应复杂环境，只是简单的模拟人体的运动。从关节在机器人的应用现状可知，应用在机器人.上的关节通常采用的电机驱动，需要减速机构。其机械结构普遍采用齿轮一连杆机构，使得在机器人的关节处集中了大量的机械零件

股骨下端,膝关节,侧位,图象

2.1人体膝关节的结构人体膝关节主要由股骨下端、胫、胖骨上端、骸骨、关节囊、前后十字交叉韧带和胫骨内外侧副韧带组成如图2一l、2一2所示。股骨内侧散股骨外侧裸裸间隆起胫骨图2一1膝关节x线正位图象[33】骸骨股骨内侧裸胫骨粗隆股骨图2一2膝关节x位侧位图象133! 2.1.1股骨下端的结构股骨端粗大，并旋转向两端延长成为股骨解，在额状面及矢壮面均凸隆，外侧裸较内侧裸宽大，前面较突出，内侧裸则较狭长。股骨裸的前后径较横径大，两侧比较之下，以外侧骸的前后径较大。股骨外侧裸的前后轴线垂直向前，但内侧

【引证文献】