机械手抓取力对人肢体的生物力学影响研究
发布时间：2021-05-19 12:20
“重度失能”老人和事故灾害造成的残疾患者在日益增多,这对护理和康复工作提出了更高的要求。护理人员需要经常对这些长期卧床的患者进行翻身、移乘和按摩等护理以防压疮等疾病的产生,并且需要帮助患者按期进行康复训练。因此,研究一种模仿人手抓取人肢体并进行操控的机械手,对减轻护理人员的工作负担,以及设计具有通用性和结构紧凑的仿人机器人具有重要意义。与其他机械手不同,人肢体被抓取时的安全性和舒适性是仿人护理机械手的设计和控制中需要首先考虑的问题。影响抓取人肢体的安全性和舒适性的主要参数是抓取力在人肢体内部产生的极值应力、应变和平均应力、应变等。本文采用生物力学方法,分析机械手不同的抓取力对人肢体的生物力学影响,为机械手爪的结构设计和关节控制提供了理论指导。本文通过CT扫描图像利用MIMICS重建人体小腿三维几何模型并利用Geomagic Studio光滑地处理该模型,再利用HyperMesh、ABAQUS等软件建立小腿有限元模型。小腿有限元模型的皮肤组织和骨骼组织采用线弹性材料模型,肌肉组织采用Odgen超弹性材料模型。在ABAQUS中,采用tie约束将皮肤组织与肌肉组织、肌肉组织与骨骼组织连接起来...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABASTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景和意义
1.2 研究现状
1.2.1 护理与康复机器人
1.2.2 生物有限元分析在人机工程学中的应用
1.3 研究内容
第2章 面向抓取力影响分析的小腿有限元建模
2.1 人体小腿解刨结构
2.2 小腿有限元模型的建立
2.2.1 基于CT扫描数据的小腿三维几何模型建立
2.2.2 三维模型网格划分与关键问题的处理
2.3 小腿生物材料特性设定
2.4 本章小结
第3章 小腿有限元模型验证及抓取仿真分析
3.1 小腿模型验证实验
3.1.1 实验方法
3.1.2 实验结果
3.2 抓取仿真分析
3.2.1 抓取分析与约束条件
3.2.2 应力和应变的分析结果
3.2.3 接触应力分析结果
3.2.4 表面剪切应力分析结果
3.3 本章小结
第4章 二指二关节机械手抓取分析
4.1 机械手模型的建立和仿真分析的约束条件
4.1.1 二指二关节机械手指模型的建立
4.1.2 仿真分析约束条件
4.2 不同关节角度对小腿生物力学影响与分析
4.2.1 应力和应变分析结果
4.2.2 表面剪切应力分析结果
4.2.3 接触应力分析结果
4.3 不同的抓取位置对小腿生物力学分析的影响与分析
4.3.1 应力应变分析结果
4.3.2 表面剪切应力和接触应力分析结果
4.3.3 分析讨论
4.4 机械手垫片材料对小腿生物力学的影响与分析
4.4.1 应力应变分析结果
4.4.2 表面剪切应力和接触应力分析结果
4.5 机械手指长度对小腿生物力学的影响与分析
4.5.1 应力应变分析结果
4.5.2 表面剪切应力和接触应力分析结果
4.6 本章小结
第5章 基于血氧指标和主观舒适性评价的实验验证
5.1 实验用机械手实物模型的设计制造
5.2 组织血氧检测实验
5.2.1 近红外血氧检测法简介
5.2.2 机械手作用下组织血氧检测实验
5.2.3 实验数据处理及分析
5.3 主观舒适性评价实验
5.4 讨论
5.5 本章小结
总结与展望
参考文献
攻读硕士学位期间的研究成果
致谢
学位论文评阅及答辩情况表
【参考文献】：
期刊论文
[1]并联踝康复机器人的设计与运动性能评价[J]. 李剑锋,张凯,张雷雨,张子康,左世平. 机械工程学报. 2019(09)
[2]柔性可穿戴腕部动力手套的设计与分析[J]. 姚建涛,李海利,曹开彬,陈新博,周盼,赵永生. 机械工程学报. 2018(19)
[3]康复机器人研究与应用进展[J]. 王秋惠,魏玉坤,刘力蒙. 包装工程. 2018(18)
[4]中国失能老人问题探究——兼论失能评估工具在中国长期照护服务中的发展方向[J]. 彭希哲,宋靓珺,茅泽希. 新疆师范大学学报(哲学社会科学版). 2018(05)
[5]医疗康复机器人研究进展及趋势[J]. 李光林,郑悦,吴新宇,胡颖,方鹏,熊璟,夏泽洋,王灿. 中国科学院院刊. 2015(06)
[6]滚珠折叠式手术转运床板的设计[J]. 郭赤,兰天飚,李涛,郑诗强,苏东东. 中国医学装备. 2014(11)
[7]抓取梯形包装盒的柔性机械手结构优化设计[J]. 熊强,章军,王芳,朱飞成. 包装工程. 2014(11)
[8]手康复机器人钢丝绳–绳套传动系统中的摩擦补偿[J]. 王启申,李继婷. 机器人. 2014(01)
[9]基于汽车与行人碰撞载荷特点的下肢长骨建模[J]. 张冠军,曹立波,官凤娇,孙光永,Yang King H. 力学学报. 2011(05)
[10]人体就座时臀-腿部软组织应力分布的研究[J]. 张宇红,王欣,洪军,邱志惠,韩英,陈娟. 西安交通大学学报. 2008(05)
博士论文
[1]坐卧式下肢康复机器人机构设计与协调控制研究[D]. 冯永飞.燕山大学 2018
[2]基于人体有限元模型的汽车前碰撞中驾驶员下肢损伤生物力学研究[D]. 蒋小晴.湖南大学 2014
[3]面向行人下肢碰撞保护的汽车前端结构快速优化设计研究[D]. 黄俊.清华大学 2013
[4]一种伤员换乘转运机器人的设计研究[D]. 侍才洪.中国人民解放军军事医学科学院 2010
[5]步行康复训练助行腿机器人系统[D]. 冯治国.上海大学 2009
[6]基于sEMG信号的外骨骼式机器人上肢康复系统研究[D]. 李庆玲.哈尔滨工业大学 2009
[7]手臂康复机器人系统研究[D]. 杨勇.哈尔滨工程大学 2009
硕士论文
[1]转运护理机器人系统的设计与研究[D]. 贺雪峰.燕山大学 2017
[2]中国50百分位男性人体有限元模型建立及应用[D]. 施龙利.清华大学 2017
[3]基于后冲击下人体响应分析的客车座椅结构研究[D]. 王金清.天津科技大学 2016
[4]人体肌肉组织的生物力学建模及其有限元仿真[D]. 安贤俊.哈尔滨理工大学 2015
[5]中国人体50百分位小腿有限元模型开发及骨折特性研究[D]. 杜现平.湖南大学 2015
[6]基于典型交通事故的颅脑损伤力学机制研究[D]. 冯成建.第三军医大学 2013
[7]驾驶员—座椅压力分布模拟研究[D]. 杜晓明.吉林大学 2012
[8]可穿戴式下肢康复机器人的本体设计和步态规划[D]. 陈磊.西华大学 2012
[9]非线性优化问题的精确罚函数算法研究[D]. 魏大松.重庆大学 2007
[10]人体下肢有限元动力学分析模型的建立和验证[D]. 方海峰.湖南大学 2004
本文编号：3195761
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABASTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景和意义
1.2 研究现状
1.2.1 护理与康复机器人
1.2.2 生物有限元分析在人机工程学中的应用
1.3 研究内容
第2章 面向抓取力影响分析的小腿有限元建模
2.1 人体小腿解刨结构
2.2 小腿有限元模型的建立
2.2.1 基于CT扫描数据的小腿三维几何模型建立
2.2.2 三维模型网格划分与关键问题的处理
2.3 小腿生物材料特性设定
2.4 本章小结
第3章 小腿有限元模型验证及抓取仿真分析
3.1 小腿模型验证实验
3.1.1 实验方法
3.1.2 实验结果
3.2 抓取仿真分析
3.2.1 抓取分析与约束条件
3.2.2 应力和应变的分析结果
3.2.3 接触应力分析结果
3.2.4 表面剪切应力分析结果
3.3 本章小结
第4章 二指二关节机械手抓取分析
4.1 机械手模型的建立和仿真分析的约束条件
4.1.1 二指二关节机械手指模型的建立
4.1.2 仿真分析约束条件
4.2 不同关节角度对小腿生物力学影响与分析
4.2.1 应力和应变分析结果
4.2.2 表面剪切应力分析结果
4.2.3 接触应力分析结果
4.3 不同的抓取位置对小腿生物力学分析的影响与分析
4.3.1 应力应变分析结果
4.3.2 表面剪切应力和接触应力分析结果
4.3.3 分析讨论
4.4 机械手垫片材料对小腿生物力学的影响与分析
4.4.1 应力应变分析结果
4.4.2 表面剪切应力和接触应力分析结果
4.5 机械手指长度对小腿生物力学的影响与分析
4.5.1 应力应变分析结果
4.5.2 表面剪切应力和接触应力分析结果
4.6 本章小结
第5章 基于血氧指标和主观舒适性评价的实验验证
5.1 实验用机械手实物模型的设计制造
5.2 组织血氧检测实验
5.2.1 近红外血氧检测法简介
5.2.2 机械手作用下组织血氧检测实验
5.2.3 实验数据处理及分析
5.3 主观舒适性评价实验
5.4 讨论
5.5 本章小结
总结与展望
参考文献
攻读硕士学位期间的研究成果
致谢
学位论文评阅及答辩情况表
【参考文献】：
期刊论文
[1]并联踝康复机器人的设计与运动性能评价[J]. 李剑锋,张凯,张雷雨,张子康,左世平. 机械工程学报. 2019(09)
[2]柔性可穿戴腕部动力手套的设计与分析[J]. 姚建涛,李海利,曹开彬,陈新博,周盼,赵永生. 机械工程学报. 2018(19)
[3]康复机器人研究与应用进展[J]. 王秋惠,魏玉坤,刘力蒙. 包装工程. 2018(18)
[4]中国失能老人问题探究——兼论失能评估工具在中国长期照护服务中的发展方向[J]. 彭希哲,宋靓珺,茅泽希. 新疆师范大学学报(哲学社会科学版). 2018(05)
[5]医疗康复机器人研究进展及趋势[J]. 李光林,郑悦,吴新宇,胡颖,方鹏,熊璟,夏泽洋,王灿. 中国科学院院刊. 2015(06)
[6]滚珠折叠式手术转运床板的设计[J]. 郭赤,兰天飚,李涛,郑诗强,苏东东. 中国医学装备. 2014(11)
[7]抓取梯形包装盒的柔性机械手结构优化设计[J]. 熊强,章军,王芳,朱飞成. 包装工程. 2014(11)
[8]手康复机器人钢丝绳–绳套传动系统中的摩擦补偿[J]. 王启申,李继婷. 机器人. 2014(01)
[9]基于汽车与行人碰撞载荷特点的下肢长骨建模[J]. 张冠军,曹立波,官凤娇,孙光永,Yang King H. 力学学报. 2011(05)
[10]人体就座时臀-腿部软组织应力分布的研究[J]. 张宇红,王欣,洪军,邱志惠,韩英,陈娟. 西安交通大学学报. 2008(05)
博士论文
[1]坐卧式下肢康复机器人机构设计与协调控制研究[D]. 冯永飞.燕山大学 2018
[2]基于人体有限元模型的汽车前碰撞中驾驶员下肢损伤生物力学研究[D]. 蒋小晴.湖南大学 2014
[3]面向行人下肢碰撞保护的汽车前端结构快速优化设计研究[D]. 黄俊.清华大学 2013
[4]一种伤员换乘转运机器人的设计研究[D]. 侍才洪.中国人民解放军军事医学科学院 2010
[5]步行康复训练助行腿机器人系统[D]. 冯治国.上海大学 2009
[6]基于sEMG信号的外骨骼式机器人上肢康复系统研究[D]. 李庆玲.哈尔滨工业大学 2009
[7]手臂康复机器人系统研究[D]. 杨勇.哈尔滨工程大学 2009
硕士论文
[1]转运护理机器人系统的设计与研究[D]. 贺雪峰.燕山大学 2017
[2]中国50百分位男性人体有限元模型建立及应用[D]. 施龙利.清华大学 2017
[3]基于后冲击下人体响应分析的客车座椅结构研究[D]. 王金清.天津科技大学 2016
[4]人体肌肉组织的生物力学建模及其有限元仿真[D]. 安贤俊.哈尔滨理工大学 2015
[5]中国人体50百分位小腿有限元模型开发及骨折特性研究[D]. 杜现平.湖南大学 2015
[6]基于典型交通事故的颅脑损伤力学机制研究[D]. 冯成建.第三军医大学 2013
[7]驾驶员—座椅压力分布模拟研究[D]. 杜晓明.吉林大学 2012
[8]可穿戴式下肢康复机器人的本体设计和步态规划[D]. 陈磊.西华大学 2012
[9]非线性优化问题的精确罚函数算法研究[D]. 魏大松.重庆大学 2007
[10]人体下肢有限元动力学分析模型的建立和验证[D]. 方海峰.湖南大学 2004
本文编号：3195761
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