可穿戴外骨骼模态分析

I摘要穿戴式外骨骼系统的开发是为了争强人类的运动和承载能力，也可以作为人体康复机器人的一部分。它不同于普通的人类的增强装置，他要求自重小、携带便捷、结构紧凑、具有人机友好性而且易于穿脱。然而外骨骼中的背负系统则是其中最主要的一部分。外骨骼背负系统研究的主要内容如下:介绍人因工程的含义、基本原则，说明背负背垫系统的设计的思路，另一方面通过对内骨骼解剖运动学资料的分析，进一步对外骨骼背负系统的工作原理以及基本构型做了初步的探讨，并且对外骨骼背负系统的结构组成进行了初步的设计。在SolidWorks中建立了简易的人体模型以及人体外骨骼背负系统的模型，然后将简化的模型导入到Ansys-Workbench中，对背负系统的关键原件进行强度分析，最后对人体在穿戴外骨骼时受力的分布进行初步的仿真分析。关键词：有限元法，外骨骼，背负系统，人因工程，模态分析ABSTRACTThedevelopmentofthewearableexoskeletonsystemisusedforimprovehumanbody’smovementandcarryingcapacity,andcanalsobeusedasapartofourbody'srehabilitationrobot.Itisdifferentfromtheordinaryhumanenhancementdevice,heaskedfortheweightlight,carryconvenientandstructurecompactly,hastheman-machinefriendlyandeasytowearoff.While,thesuspensionsystemisoneofthemostimportantpartofit.ThroughtheintroductiontoclassicalmountaineeringbagwithTCSsystem,carryoutathoughtofhowtodesignthesuspensionsystem.Inthisthesis,asimplehumanbodymodelisestablishedandthehumanbodymodeloftheexoskeletonofsuspensionsysteminSolidWorks.ThesimplifymodelwasimportedintotheAnsys-Workbench,thestrengthanalysiswascarriedoutonthekeypartofsuspensionsystem,andfinallythepictureofstressdistributionthehumanbodywasintroducedwhilewearingexoskeletonaboutsimulationanalysis.Keywords:Finiteelementmethod，exoskeleton，suspensionsystem，ergonomicsModalanalysisIII目录第1章引言............................................................................................................11.1有限元法及其基本思想..................................................................................11.2有限元法的特点..............................................................................................21.3本文研究问题定义分析.................................................................................2第2章外骨骼背负系统有限元模态分析的准备工作..........................................372.1外骨骼背负系统机构的设计要求................................................................372.1.1人体背部压力承受范围..................................................................372.1.2外骨骼背负系统安全性设计要求..................................................392.2外骨骼背负系统的机构设计........................................................................392.1.2负重承载的功能以及结构设计......................................................392.1.2背垫系统功能及结构设计..............................................................422.2外骨骼背负系统有限元模态分析流程.......................................................432.3ANSYS基本介绍..........................................................................................452.2ANSYS瞬态动力学分析基本原理..............................................................46第3章外骨骼背负系统机构仿真与应力分析........................................................493.1人体与外骨骼背负系统简化模型的建立....................................................493.2背负系统零件接触行为分析........................................................................503.3导入简化模型...............................................................................................513.4设置材料属性...............................................................................................523.5创建接触对...................................................................................................533.6划分网格.......................................................................................................543.7施加约束和载荷...........................................................................................553.8求解结果及分析...........................................................................................55第5章总结............................................................................................................59参考文献......................................................................................................................381第1章引言1.1有限元法及其基本思想有限元法分析的概念可以追溯到20世纪40年代。1943年，Courant第一次在他的论文中，取定义在三角形分片上的连续函数，利用最小势能原理研究了St.Venant的扭转问题。此法发展很慢，过了近十年才再次有人用这些离散化的概念。1956年，Turner，Clough，Martin和Topp等人在他们的经典论文中第一次给出了用三角形单元求得的平面应力问题的真正解答。他们利用弹性理论的方程求出了三角单元的特性，并第一次介绍了今天人们熟知的确定单元特性的直接刚度法。他们的研究工作随同当时出现的数字计算机一起打开了求解复杂平面弹性问题的新局面。“有限元法”这个名称，第一次出现在1960年，当时Clough在一篇平面弹性问题的论文中应用过它。工程师们开始认识了有限元法的功效，此后有限元法在工程界获得了广泛的应用。到20世纪70年代以后，随着计算机和软件技术的发展，有限元法也随之迅速地发展起来，发表的有关论文犹如雨后春笋，期刊、专著也不断出现，学术交流频繁，可以说进入了有限元的鼎盛时期。到目前为止，有限元法已被应用于固体力学、流体力学、热导学、电磁学、声学、生物力学等各个领域；能进行由杆、梁、板、壳、块体等各类单元构成的弹性(线性和非线性)、弹塑性或塑性问题的求解，包括静力和动力问题；能求解流体场、温度场、电磁场等场分布问题的稳态和瞬态问题；还能求解水流管路、电路、润滑、噪声以及固体、流体、温度相互作用的问题。有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。它的基本概念使用比较简单的问题代替复杂问题，然后再进行求解。有限元方法的基本思路是：“化整为零，积零为整”。它的求解步骤是：将某一整体的结构看成由若干个单个的结构元件，即“有限元”或“单元”构成的物理组成体，这些单元在有限个连接点，即“节点”处互相连接。通过选用适当的形函数，对各单元作力学分析，建立单元本身节点位移与相应的节点力之间的关系，然后按照各单元在节点上的力平衡条件或变形协调条件，把单元组装成原整体结构，由此列出作为未知量的节点力或节点位移的方程组。求解该方程组，得到问题的解。因为实际问题被比较简单的问题所代替，所以这个解不是精确解，而是近似解。但是，如果形函数满足一定要求，随着单元数目的增加，解的精度会不断提高而最终收敛于问题的精确解。从理论上说，无限制地增加单元的数目可以使数值分析解最终收敛于问题的精确解，但是这却增加了计算机计算所耗费的时间。在实际工程应用中，只要所得的数据能够满足工程需要就够了。有限元分析方法的基本策略就是在分析的精度和分析的时间上找到一个最佳平衡点。1.2有限元法的特点对于复杂几何构型的适应性：由于单元在空间上可以适用一维、二维或三维的，而且每一种单元可以有不同的形状，同时各种单元可以采用不同的连接方式，所以，工程实际中遇到的非常复杂的结构或构造都可以离散为由单元组合体表示的有限元模型。对于各种物理问题的适用性：由于用单元内近似函数分片的表示全求解域的未知场函数，并未限制场函数所满足的方程形式，也未限制各个单元所对应的方程必须有相同的形式，因此它适用于各种物理问题，例如线弹性问题、弹塑性问题、粘弹性问题、动力问题、屈曲问题、流体力学问题、热传导问题、声学问题、电磁场问题