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关节机构的结构设计与分析

作　者: 李强
导　师: 秦现生
学　校: 西北工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 人体膝关节关节机构气动人工肌肉
分类号: TH112
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 556次
引　用: 4次
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-5
目录  5-8
第一章绪论  8-15
  1.1 概述  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-13
    1.2.1 关节的结构研究  9-11
    1.2.2 仿生肌肉的研究  11-13
    1.2.3 存在问题  13
  1.3 选题意义及其主要研究内容  13-15
    1.3.1 选题意义  13-14
    1.3.2 研究内容  14-15
第二章人体膝关节的结构与功能分析  15-24
  2.1 人体膝关节的结构  15-18
    2.1.1 股骨下端的结构  15-16
    2.1.2 胫骨平台的结构  16-17
    2.1.3 髌骨的结构  17
    2.1.4 关节囊和韧带的结构  17-18
    2.1.5 半月板的结构  18
  2.2 人体膝关节各组成部分的生理功能  18-21
    2.2.1 股骨和胫骨的生理功能  18-19
    2.2.2 髌骨的生理功能  19
    2.2.3 关节囊和韧带的生理功能  19-20
    2.2.4 膝交叉十字韧带的生理功能  20
    2.2.5 半月板的生理功能  20-21
  2.3 人体膝关节的运动与其肌肉力  21-22
    2.3.1 人体膝关节的主要运动  21
    2.3.2 人体膝关节的肌肉力  21-22
  2.4 关节结构设计的生物基础  22-23
  2.5 本章小结  23-24
第三章关节机构的结构设计  24-37
  3.1 关节机构的设计要求  24
  3.2 关节机构的结构设计  24-28
    3.2.1 仿股骨结构设计  24-26
    3.2.2 仿胫骨结构设计  26-27
    3.2.3 两种设计方案的比较分析  27-28
  3.3 关节机构的参数设计  28-35
    3.3.1 关节机构基本参数  28-30
    3.3.2 主体结构的计算  30-35
  3.4 本章小结  35-37
第四章关节机构的三维建模与静力学分析  37-53
  4.1 概述  37
  4.2 关节机构三维实体建模  37-39
  4.3 关节机构的组成与功能分析  39-42
  4.4 关节仿生肌肉附着点的设计  42-43
  4.5 关节机构的稳定性分析  43-44
  4.6 关节机构的限位分析  44-45
  4.7 关节十字轴的有限元分析  45-48
    4.7.1 有限元模型的建立  45-46
    4.7.2 施加载荷与求解  46-47
    4.7.3 结果分析  47-48
  4.8 关节轴叉的有限元分析  48-50
    4.8.1 有限元模型的建立  48-49
    4.8.2 载荷施加与求解  49
    4.8.3 结果分析  49-50
  4.9 关节轴叉危险部位的有限元分析  50-52
    4.9.1 有限元模型的建立  51
    4.9.2 载荷施加与求解  51-52
    4.9.3 结果分析  52
  4.10 本章小结  52-53
第五章关节机构的运动学和动力学分析  53-81
  5.1 关节机构的运动学仿真  53-62
    5.1.1 关节机构虚拟样机建立  53-54
    5.1.2 关节机构的运动学分析  54-62
  5.2 人体膝关节的动力学仿真  62-70
    5.2.1 人体膝关节模型的建立  62-63
    5.2.2 人体膝关节软组织建立  63-64
    5.2.3 人体膝关节的动力学仿真  64-66
    5.2.4 人体膝关节的动力学分析  66-70
  5.3 关节机构的动力学分析  70-79
    5.3.1 关节机构驱动器的选择  70-71
    5.3.2 气动人工肌肉的力学特性  71-73
    5.3.3 气动人工肌肉输出力数学模型  73-75
    5.3.4 基于气动人工肌肉的关节机构的动力学仿真  75-76
    5.3.5 关节机构的动力学分析  76-79
  5.4 关节机构与人体膝关节的动力学仿真的比较分析  79-80
  5.5 本章小结  80-81
第六章总结与展望  81-83
  6.1 总结  81-82
  6.2 展望  82-83
参考文献  83-87
攻读硕士期间发表论文  87-88
致谢  88-89

关节机构的结构设计与分析

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