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下肢康复助行器械的结构设计与仿真分析

作　者: 蔡赵
导　师: 黄玲
学　校: 南京理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 康复助行器械 结构设计 连杆机构尺度综合 仿真分析
分类号: TH789
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 33次
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内容摘要


本文针对下肢截瘫患者设计了一种步态高度仿真的下肢康复助行器械,可以帮助下肢截瘫患者进行直立行走,防止肌肉萎缩。通过查阅国内外相关资料文献,在了解国内外下肢康复器械的关键技术以及发展现状的基础上,针对现有的下肢康复器械造价昂贵或者功能有限的现状,本文提出了一种结构简单、控制方便、步态准确的民用下肢康复器械设计方案。首先,本文对人体下肢的运动步态进行了研究,提出了运用连杆机构再现髋关节和膝关节运动规律的方案。结合方案,采用了连杆机构尺度综合的方法进行设计计算,利用MATLAB编程语言建立了平面四杆机构的数值图谱库,并结合模糊识别提取出了多组可实现其运动的杆组,经进一步优化确定了机构各杆尺寸。在得出设计尺寸的基础上,对腿部机构零件进行了总体布局,利用SolidWorks三维建模软件对各腿部机构零件进行建模并完成了整体装配,并针对设计的腿部机构提出了两种助行方案和各自对应的控制策略。最后,本文采用虚拟样机技术在ADAMS中针对单腿助行机构进行了运动学与动力学验证,分析了整个运动周期腿部机构的运动学性能、摆动期人机系统电机转矩情况以及摆动期腿部机构对人腿的作用力情况。由仿真结果可以看出,本文所设计的下肢康复助行器械具有较高的运动精度和安全性。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-7
1 绪论  7-15
  1.1 研究背景及意义  7-8
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  8-12
    1.2.1 国外研发概况  8-10
    1.2.2 国内发展概况  10-12
  1.3 下肢康复器械的技术难点分析  12-13
  1.4 课题的主要研究工作  13-15
2 总体方案  15-21
  2.1 人体步态研究  15-17
    2.1.1 人体步态特征分析  15-16
    2.1.2 人体步态轨迹分析  16-17
  2.2 下肢康复器械的设计方案  17-20
    2.2.1 下肢康复器械的设计要求  17-18
    2.2.2 康复器械的方案选择  18-20
    2.2.3 驱动方式的选择  20
  2.3 本章小结  20-21
3 基于机构尺度综合方法的仿生关节设计  21-37
  3.1 连杆机构尺度综合的现状概述  21-22
  3.2 建立四杆机构数值图谱库  22-26
    3.2.1 特征参数的提取  22-23
    3.2.2 平面四杆机构的数学模型及谐波分析  23-25
    3.2.3 建立四杆机构基本尺寸型及数值图谱库  25-26
  3.3 髋关节实现机构的设计计算  26-33
    3.3.1 提取髋关节角度函数的特征参数  26-27
    3.3.2 模糊识别确定最贴近的基本尺寸型  27-29
    3.3.3 优化所得基本尺寸型  29-33
  3.4 膝关节实现机构的设计计算  33-36
    3.4.1 膝关节实现机构的原理  33
    3.4.2 设计计算  33-36
  3.5 本章小结  36-37
4 下肢康复器械的设计  37-48
  4.1 人体尺寸参数确定  37-38
  4.2 材料的选择  38
  4.3 腿部结构设计  38-41
    4.3.1 髋关节与膝关节结构设计  38-40
    4.3.2 踝关节结构设计  40-41
  4.4 电机选择  41-43
    4.4.1 电机参数的确定  41-42
    4.4.2 电机类型的选择  42-43
  4.5 助行方案与控制系统概述  43-47
    4.5.1 人机-跑步机系统  43-44
    4.5.2 人机-减重车系统  44-47
  4.6 本章小结  47-48
5 单腿助行模型的分析与仿真  48-60
  5.1 运动学与动力学模型  48-53
    5.1.1 助行机构的运动学模型  48-50
    5.1.2 人腿的动力学模型  50-51
    5.1.3 助行机构的动力学模型  51-52
    5.1.4 人机系统的动力学模型  52-53
  5.2 基于虚拟样机技术的人机系统仿真分析  53-59
    5.2.1 虚拟样机技术概述  53
    5.2.2 下肢康复助行机构的运动学仿真  53-56
    5.2.3 人腿模型建模  56-57
    5.2.4 人机系统的动力学仿真  57-59
  5.3 本章小结  59-60
6 总结与展望  60-62
  6.1 本文研究的主要成果  60
  6.2 展望  60-62
致谢  62-63
参考文献  63-66

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 医药卫生器械 > 其他医疗器械
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