可穿戴上肢外骨骼关键零部件设计及优化

发布时间：2020-10-25 22:12

　　 可穿戴外骨骼应用广泛,不管是在军事上还是在日常生活中,均可发挥重要作用。特别是我国老年人口逐年增多,老年人的身体机能不足;同时,有很大一部分因各种原因失去正常机能的人,不能完全适应日常的生活。可穿戴外骨骼能够帮助他们实现正常的生活。但现在的外骨骼重量大、价格高、维护困难,极大的阻碍了其的推广应用。动力关节作为外骨骼的重要部分,为外骨骼提供驱动力,至关重要。现在没有统一和通用的模块。因此本文设计一个通用、成本低、维护简单的动力关节对外骨骼的发展和使用具有重要的意义。首先对国内外可穿戴外骨骼动力关节驱动方式进行分析,对电机驱动、液压驱动和气压驱动三种驱动系统的易用性、重量、效率、输出能力、成本、可靠性和可控性等方面定性分析并选取电机和齿轮减速箱作为动力关节的驱动。接着根据减速箱输入输出参数和齿轮安全系数对关节进行齿轮材料的选取。根据动力关节传动要求和特点,对关节输出末级传动采用行星方式,相比传统方式提高了传动效率、减小了整体体积。并利用MATLAB软件对齿轮传动以传动比、齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度和齿宽等为约束,以转动惯量和重量为目标进行优化,为以后的应用和控制提供最佳的机械特性。同时对优化后的齿轮进行在模拟啮合情况下有限元分析,校核齿轮的强度和刚度。利用分析得到的应力云图和位移云图,对齿轮内部应力和位移较小的部分进行移除,以减小整体的惯量和质量,达到进一步优化的目的。最后对动力关节箱体进行几何造型设计,并分别对行星架和输出摇臂的各种受力情况进行有限元分析,得到应力和位移云图,并通过设计洞察功能来检查箱体的整体受力情况以保证在各种情况下箱体的安全性能。根据对齿轮传动和箱体的设计制作了试样进行实验,实验结果表明,外骨骼的关键零部件动力关节的机械设计能够满足强度和刚度的要求。
【学位单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：R318.17
【部分图文】：

图 1.1 Hardiman 外骨骼 图 1.2 Hardiman 手臂Fig. 1.1 Hardiman Exoskeleton Fig. 1.2 Hardiman’ARM2000 年，美国国防部高级研究计划局为了帮助战士、消防员和救灾人员提供 5000万美元，加州伯克利大学接受并研制了伯克利下肢外骨骼系统（BLEEX）如图 1.3 所示。系统仍然采用液压驱动[5]。穿上伯克利外骨骼能够轻松背起 90Kg 的负重，灵活的行走。

图 1.1 Hardiman 外骨骼 图 1.2 Hardiman 手臂Fig. 1.1 Hardiman Exoskeleton Fig. 1.2 Hardiman’ARM2000 年，美国国防部高级研究计划局为了帮助战士、消防员和救灾人员提供 5000万美元，加州伯克利大学接受并研制了伯克利下肢外骨骼系统（BLEEX）如图 1.3 所示。系统仍然采用液压驱动[5]。穿上伯克利外骨骼能够轻松背起 90Kg 的负重，灵活的行走。

iman 外骨骼 图 1.2 Hardiman Exoskeleton Fig. 1.2 Hardiman’高级研究计划局为了帮助战士、消防员接受并研制了伯克利下肢外骨骼系统（BL。穿上伯克利外骨骼能够轻松背起 90Kg
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1 赵恒;可穿戴上肢外骨骼关键零部件设计及优化[D];西华大学;2016年

本文编号：2856032