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多轴人工膝关节的设计与研究

作　者: 唐成铭
导　师: 王宏
学　校: 东北大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 多轴膝 运动学分析 动力学分析 动态仿真
分类号: R318.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


下肢假肢设计中,人工膝关节的设计是重中之重,不但因为它的功能与结构最为复杂,而且因为它对整个人工下肢的运动性能影响最大。目前国外具有的假肢设计水平很高,国外的大公司已经有多款性能优秀的产品投入使用,并逐渐出现垄断的趋势。而我国对下肢假肢开发设计的研究较少,技术水平与国外差距很大,各地的假肢厂多无设计开发现代下肢假肢的能力,因为这个原因,我国残疾人只能选择购买昂贵的国外产品。因此,设计出具有自主知识产权的下肢假肢,具有重要的现实意义和社会意义。要想研制出性能优良的人工膝关节,需要人们做大量的工作,其中结构设计的工作是至关重要的,它是集思考、绘图、计算于一体的设计过程,对整个设计的成败起着举足轻重的作用。但是,由于种种原因,国内还缺乏关于人工膝关节结构的较为完整的设计研究工作。针对这个问题,本文提出了一个较为完整的设计过程。本文首先分析了人行走的运动特征,并从中得出了对人工膝关节的功能要求。其次,对人工膝关节的选型方案进行了比较论证。在拟定方案后,对人工腿进行了运动学与动力学分析。之后,在PRO/E环境下对人工膝关节进行了具体的结构设计,最后在ADAMS环境下对人工膝关节进行了动态仿真,分析了阻尼与助伸力等参数对人工腿运动情况的影响,并探讨了人工膝关节的一种智能控制方案。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章 引言  10-12
第2章 下肢假肢的分类  12-16
  2.1 传统下肢假肢的分类  12-13
  2.2 传统假肢与智能假肢  13-16
第3章 人体步态分析  16-20
  3.1 人体步态分析概述  16
  3.2 人体步态的统一性与多样性  16-17
  3.3 下肢假肢的站立相与摆动相分析  17-18
    3.3.1 站立相与摆动相的定义  17
    3.3.2 摆动相时下肢假肢应具有的一些运动学特点  17-18
  3.4 摆动相时膝盖的生理结构与特点  18-20
第4章 膝关节结构选型  20-24
  4.1 人工膝关节的综合功能要求  20
  4.2 人工膝关节选型  20-24
    4.2.1 人工膝关节运动功能模块  21-22
    4.2.2 人工膝关节锁止功能模块  22-23
    4.2.3 人工膝关节摆动期的控制模块  23
    4.2.4 辅助伸展功能模块  23
    4.2.5 缓冲减震功能模块  23
    4.2.6 限位功能模块  23-24
第5章 人工膝关节的运动学分析  24-34
  5.1 人工膝关节主结构运动分析的目的  24
  5.2 主结构尺寸参数的确定  24-26
  5.3 人工膝关节运动分析的具体过程  26-34
第6章 人工膝关节的动力学分析  34-44
  6.1 动力学分析的意义和步骤  34
  6.2 常用的动力学建模方法  34-37
  6.3 典型的下肢简化模型  37-38
  6.4 承重期的动力学分析  38-40
  6.5 离地摆动时的动力学分析  40-42
  6.6 气压缸与液压缸的输出力矩  42-44
第7章 三维模型的建立与装配  44-54
  7.1 Pro/E软件的简介  44-45
  7.2 三维装配模型及其分解视图  45-46
  7.3 三维模型的设计过程  46-51
    7.3.1 总体尺寸的确立  46
    7.3.2 运动功能的设计  46-47
    7.3.3 锁止机构(上连杆组件)的设计  47-48
    7.3.4 辅助伸展机构的设计  48-49
    7.3.5 限位与缓冲措施  49-50
    7.3.6 气/液压阻尼器的设计  50-51
  7.4 坐姿腿长的设计  51-54
第8章 多轴人工膝关节的动态仿真  54-68
  8.1 ADAMS软件介绍  54-56
  8.2 导入模型  56-57
  8.3 人工下肢的自由摆动与二级摆模型  57-59
    8.3.1 无控制力矩的小腿模型的仿真过程  57-59
    8.3.2 不受控腿运动的分析结论  59
  8.4 装有多轴膝的假腿的动态仿真  59-68
    8.4.1 设定迈步初始条件  59-61
    8.4.2 多轴膝腿的仿真过程  61-62
    8.4.3 测量结果  62-64
    8.4.4 其他的仿真结论  64-68
第9章 结论与展望  68-70
  9.1 本次设计的新颖之处  68
  9.2 本次设计的不足之处  68-69
  9.3 今后的工作与展望  69-70
参考文献  70-74
致谢  74

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中图分类: > 医药、卫生 > 基础医学 > 医用一般科学 > 生物医学工程 > 人工脏器与器官
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