大变形柔顺仿生足的刚度特性研究

发布时间：2017-04-19 19:13

  本文关键词：大变形柔顺仿生足的刚度特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 下肢假肢的仿生构形设计一直是拟人机器人与康复假肢研究的重要课题,而仿生足的研究与开发,近年来成为假体工程学研究领域的一个热点。本文通过测量、分析健康人体足部结构构形与步态特征,对典型的柔顺储能J/S型机构进行数学建模,并建立其伪刚体模型,进一步对其刚度特性进行分析和讨论,提出了大变形柔顺机构的静力学分析方法。 首先,结合解剖学、人体运动生物力学、假体工程学、测量学等相关知识,分析了足关节的构造及各部分(骨骼,肌肉,韧带)的运动功能,通过人体下肢的步态研究,探讨足部关节减振、抗冲击、储能和正常站立、行走时自稳定等方面的结构特征,得出人体步行时足关节的相关数据,为柔顺仿生足的深入研究提供了基础依据。 其次,基于MATLAB软件,对典型的柔顺储能J/S型机构进行数学建模,提出了基于曲率和刚度的柔顺机构片段的划分及优化方法,并基于伪刚体模型理论,建立了J/S型仿生足机构的伪刚体模型,对悬臂梁模型参数的选取做了进一步的研究。 在已建立的伪刚体模型基础上,运用影响系数法和虚功原理,推导出此机构的刚度矩阵,利用奇异值和瑞利商得出机构的刚度判定指标,对J/S型仿生足机构的刚度特性进行分析研究。 最后,基于SolidWorks软件对J/S型机构进行实体建模和静力变形分析,并与基于伪刚体模型法计算的变形结果进行对比分析,尤其通过大变形的分析,验证了此伪刚体模型的准确性。
【关键词】：大变形 柔顺机构 仿生足 伪刚体模型 运动影响系数 弹性储能 静力学
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP242;R314
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-22
• 1.1 概述11-12
• 1.2 仿生足的研究进展12-19
• 1.2.1 木胶脚12-13
• 1.2.2 聚胺酯假脚13
• 1.2.3 储能假脚13-19
• 1.2.4 智能假脚19
• 1.3 课题的来源19-20
• 1.4 课题研究的意义20
• 1.5 本文的主要研究内容20-22
• 第2章 足关节构成及其运动生物力学的研究22-37
• 2.1 概述22
• 2.2 人体足部的构成及特性22-27
• 2.2.1 足部肌肉、韧带、骨骼的组成22-25
• 2.2.2 踝关节的组成25-26
• 2.2.3 足部的其它关节26-27
• 2.3 足部的生物力学特征27-29
• 2.3.1 足部的运动特征27
• 2.3.2 足部的生物力学特征27-29
• 2.4 步态的生物力学参数29-34
• 2.4.1 步行的时间参数29-30
• 2.4.2 步行的空间参数30-31
• 2.4.3 步行的时-空参数31-34
• 2.5 步行的运动学及动力学特征34-36
• 2.5.1 步行的运动学特征34
• 2.5.2 步行的力学特征34-36
• 2.6 仿生足的结构特征36
• 2.7 本章小结36-37
• 第3章 全柔顺J/S 型仿生足的数学分析37-56
• 3.1 概述37
• 3.2 大变形柔顺机构的概念37-42
• 3.2.1 柔顺机构及其分类37-38
• 3.2.2 大变形柔顺机构38-40
• 3.2.3 大变形柔性铰链40-42
• 3.3 柔顺J 型仿生足的数学描述42-44
• 3.3.1 J 型机构形状曲线表达式42-44
• 3.3.2 J 型机构刚度曲线44
• 3.4 J 型柔顺机构柔顺段的划分方法44-52
• 3.4.1 基于各基本段的J 型机构段数的确定44-45
• 3.4.2 基于各基本段的J 型机构柔顺段的划分45-48
• 3.4.3 基于整体式的J 型机构柔顺段的划分48-50
• 3.4.4 考虑刚度变化时段长的优化50-52
• 3.5 S 型机构算例分析52-55
• 3.6 本章小结55-56
• 第4章 J/S 型仿生足伪刚体模型的建立56-67
• 4.1 概述56
• 4.2 伪刚体模型的概念56-57
• 4.3 J/S 型机构伪刚体模型的建立57-66
• 4.3.1 J/S 型机构柔顺段模型参数的选取58-64
• 4.3.2 J/S 型机构的伪刚体模型64-66
• 4.4 本章小结66-67
• 第5章 J/S 型仿生足的刚度特性和静力分析67-86
• 5.1 概述67
• 5.2 运动影响系数的概念67-69
• 5.3 基于影响系数法的刚度矩阵推导69-72
• 5.3.1 伪刚体模型机构的一二阶影响系数69-71
• 5.3.2 刚度矩阵的推导71-72
• 5.4 J/S 型机构刚度特性的研究72-78
• 5.4.1 相关概念72-74
• 5.4.2 步行过程的静刚度特性74-76
• 5.4.3 J/S 型机构方向刚度特性的研究76-78
• 5.5 J 型机构静力分析78-83
• 5.5.1 SolidWorks 非线性分析简介78-79
• 5.5.2 J 型机构的有限元模型79
• 5.5.3 J 型机构伪刚体模型的变形计算79-80
• 5.5.4 误差分析80-83
• 5.6 S 型机构静力分析83-85
• 5.6.1 S 型机构的有限元模型83
• 5.6.2 S 型机构伪刚体模型的变形计算83-84
• 5.6.3 误差分析84-85
• 5.7 本章小结85-86
• 结论86-87
• 附录 1 基于伪刚体模型法的 J 型机构变形数据87-89
• 附录 2 基于伪刚体模型法的 S 型机构变形数据89-90
• 参考文献90-96
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果96-97
• 致谢97-98
• 作者简介98

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  本文关键词：大变形柔顺仿生足的刚度特性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

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