基于串联弹性执行器的动力踝关节机构研究

发布时间：2017-04-16 09:20

  本文关键词：基于串联弹性执行器的动力踝关节机构研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本课题在国家自然科学基金《基于能量优化的外骨骼可控刚度串联弹性执行器研究》(51275170)、教育部国防科研专项经费资助计划(20108824)和教育部博士点基金(20100074110005)的资助下,开展了动力踝关节机构的设计、仿真及优化等研究工作。 人体助力、助残和康复机器人是机器人技术应用的一个重要领域,通过辅助支撑的方式增强人的自然体力或者改善人的肢体功能,使得人能够更好的适应自然环境。本课题研究的动力踝关节机构装置能够为行走提供额外动力。踝关节是人体一个非常灵活的关节,如何提高动力踝关节机构的仿生性能,使其更加逼真地实现人体踝关节的行为动作特性是意义重大而又充满挑战的研究课题。 在人体踝关节行走步态周期的基础上,对人体踝关节的生物机理进行分析研究,探索人体踝关节在行走过程中的动作特点及其固有生物特性。本课题分别建立了电机驱动与液压驱动的串联弹性执行器方案,采用Solidworks建立了两款串联弹性执行器三维模型并研究其工作机理。基于串联弹性执行器,建立了人体动力踝关节结构模型和传递函数模型,并在ADAMS/View中进行了刚体／柔体动力学仿真。对机构中的核心承载部件进行了有限元优化计算,基于MATLAB/Simulink对系统控制方案进行了探讨。 通过人体踝关节三维结构模型的仿真优化,改善了其仿生特性,有效提高了动力踝关节机构的性能。为后续研发具有仿生特性的动力踝关节机构样机提供了技术基础。
【关键词】：动力踝关节假肢 串联弹性 动力学 柔体仿真
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH789
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题研究背景及意义10-11
• 1.2 动力踝关节研究现状11-14
• 1.2.1 国外研究现状11-14
• 1.2.2 国内研究现状14
• 1.3 本课题主要的研究工作14-15
• 1.4 本章小结15-16
• 第2章 人体行走时的踝关节模型机理研究16-21
• 2.1 人体踝关节的结构模型16-17
• 2.2 脚踝关节综合体的正常生物特性17-18
• 2.3 正常人行走时的步态周期18-19
• 2.4 踝关节角度与踝关节转矩关系19-20
• 2.5 本章小结20-21
• 第3章 串联弹性执行器原理及其应用21-30
• 3.1 概述21-22
• 3.2 串联弹性执行器结构原理22-25
• 3.2.1 电机驱动的串联弹性执行器22-24
• 3.2.2 液压驱动的串联弹性执行器24-25
• 3.3 串联弹性执行器在机器人应用中的优势25-27
• 3.4 串联弹性执行器应用27-29
• 3.4.1 串联弹性执行器在行走机器人中的应用27-28
• 3.4.2 串联弹性执行器在机械手中的应用28-29
• 3.5 本章总结29-30
• 第4章 动力踝关节机构设计30-49
• 4.1 电机驱动与液压驱动的串联弹性执行器方案对比30-32
• 4.1.1 电机驱动方案优缺点31
• 4.1.2 液压驱动方案的优缺点31-32
• 4.1.3 串联弹性执行器驱动方案确立32
• 4.2 总体设计方案思路32-33
• 4.3 电机与滚珠丝杆副的选择33-41
• 4.3.1 电机的选型33-36
• 4.3.2 滚珠丝杠副的选择36-41
• 4.4 同步带转动系统设计41-43
• 4.4.1 同步带及带轮的组织结构41-42
• 4.4.2 同步带传动系统的设计与计算42-43
• 4.5 串联弹簧与并联弹簧设计与计算43-48
• 4.5.1 串联弹簧设计与计算44-47
• 4.5.2 并联弹簧的设计47-48
• 4.6 本章小结48-49
• 第5章 工程塑料在机构轻量化中的应用研究49-59
• 5.1 工程塑料聚醚醚酮树脂PEEK49-50
• 5.2 工程塑料聚苯硫醚PPS50-51
• 5.3 工程塑料PEEK与PPS的力学性能试验51-56
• 5.4 工程塑料在动力踝关节机构中的应用56
• 5.5 碳纤维缠绕增强液压缸56-58
• 5.6 本章小结58-59
• 第6章 动力踝关节机构力学分析及动力学仿真59-74
• 6.1 ANSYS静力学分析中的量纲问题59-61
• 6.2 动力踝关节机构核心承载部件的强度校核61-65
• 6.2.1 左右侧盖板采用不同材料制作时的有限元计算62-63
• 6.2.2 电机-滚珠丝杆安装架与足趾机构的分析计算63-65
• 6.3 动力踝关节机构的动力学仿真65-73
• 6.3.1 动力踝关节ADAMS仿真的前期准备工作65-66
• 6.3.2 ADAMS/View刚体动力学仿真66-70
• 6.3.3 ADAMS/View柔体仿真70-73
• 6.4 本章小结73-74
• 第7章 动力踝关节系统控制方法探讨74-81
• 7.1 动力踝关节机构系统传递函数模型74-75
• 7.2 PID控制方案探讨75-77
• 7.3 状态反馈控制方案探讨77-80
• 7.4 本章小结80-81
• 第8章 结论与展望81-83
• 8.1 研究结论81-82
• 8.2 后期工作展望82-83
• 参考文献83-87
• 攻读硕士学位期间科研成果87-88
• 致谢88

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

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1 刘洋;主动式踝关节假肢运动实现与步态信息获取的研究[D];武汉理工大学;2009年

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本文编号：310517