检索结果-南通市图书馆

在线全文

同方学位论文库

学校读者我要写书评

暂无评论

用于下蹲时重力支撑的下肢外骨骼设计和分析

用于下蹲时重力支撑的下肢外骨骼设计和分析

作者：崔家硕华中科技大学

学位级别：硕士

长时间保持站立或某种角度蹲姿容易对人体肌肉造成损伤,轻则造成肌肉持续疼痛,重则引发职业性肌肉骨骼疾病(WMSDs)。在美国WMSDs占所有职业疾病的65%,我国某些职业如装配工WMSDs发病率高达90%,WMSDs给人类健康造成巨大威胁。为了预防WM... 详细信息

长时间保持站立或某种角度蹲姿容易对人体肌肉造成损伤,轻则造成肌肉持续疼痛,重则引发职业性肌肉骨骼疾病(WMSDs)。在美国WMSDs占所有职业疾病的65%,我国某些职业如装配工WMSDs发病率高达90%,WMSDs给人类健康造成巨大威胁。为了预防WMSDs或缓解患者肌肉的疼痛,本文设计了一种新型重力支撑下肢外骨骼,用于支撑人体下蹲时的部分体重,以达到减小关节力,从而分担部分肌肉力的功效。首先以人体为研究对象,将躯干、大腿、小腿和足部等效为等质量刚性杆,将髋、膝和踝关节等效为铰链,建立了人体四杆模型,利用Vicon运动捕捉系统实验测量的人体下蹲过程中关节角度,结合模型计算关节内力,解决了关节内力难以直接测量的难题。模型计算与实验测量的足底压力结果一致,证明人体四杆模型的正确性。通过模型计算人体保持某种蹲姿时各个关节力,为结构设计奠定理论基础。基于关节内力的计算结果,设计开发了一种质量轻、造价低、功耗低、穿戴舒适且可以自动控制膝关节自锁的重力支撑外骨骼。在外骨骼机构设计方面,将人体膝关节视为铰链,分析并设计了棘轮自锁及其控制机构;为了使外骨骼能够适用于身高范围在1.5.8米的人群,设计了长度调节机构。针对自锁控制问题,设计了基于膝关节角度变化驱动的控制系统,用于解放用户双手;为了计算控制系统功耗大小,模拟了装配工人穿戴外骨骼工作的场景,计算结果表明:外骨骼每次充满电可供装配线工人使用5天。在此基础上,对外骨骼穿戴舒适性进行仿真分析,将外骨骼和人体肌肉骨骼系统分析软件Opensim中的Gait2392型下肢肌肉骨骼模型耦合,分析比较人体穿戴外骨骼前后(外骨骼不自锁)正常行走和下蹲时肌肉力和肌肉代谢的变化。仿真结果中的肌肉力和肌肉代谢大小基本不变,表明外骨骼对人体行走和下蹲运动影响较小,外骨骼结构设计合理。此外,利用Opensim证实了人机膝关节同轴下肢重力支撑外骨骼穿戴更加舒适,验证了文中外骨骼结构设计的合理性。最后,制作了实物样机,并通过实验分析其性能。利用Vicon运动捕捉系统,分析外骨骼对人体行走步态的影响,实验结果证明:外骨骼对人体行走步态影响较小;利用AMTI OR60测力板测量人体下蹲时足底压力,联合Opensim软件计算外骨骼支撑人体时肌肉力和肌肉代谢大小的变化,计算结果表明:人体穿戴外骨骼保持90度蹲姿时,足底压力减少65.16%,股直肌肌肉力减少54.05%,股外侧肌肌肉力减少32.8%;实验测定外骨骼支撑人体时肌肉肌电信号的变化,结果表明:外骨骼支撑人体90度蹲姿时,股直肌和股外侧肌肌电幅值分别降低93.2%和88.96%。仿真和实验结果表明设计的外骨骼能够支撑人体下蹲时部分体重,实现减少肌肉力的目的,且对人体下肢运动影响较小。

关键词：下肢外骨骼重力支撑人体步态 Opensim仿真肌肉力肌电信号

在线全文

同方学位论文库

学校读者我要写书评

暂无评论

被动式机械外骨骼构型设计及优化

被动式机械外骨骼构型设计及优化

作者：陈龙凯上海工程技术大学

学位级别：硕士

在工业装配领域,工人常常需要保持半蹲姿势或者全蹲姿势才能触碰到装配工件的重要部件,长时间保持这种姿态工作,则会增加膝关节的负担,轻度可能导致肌肉疼痛,严重可能导致职业性肌肉骨骼疾病（WMSDs）。为了降低肌肉骨骼类疾病的发生,... 详细信息

在工业装配领域,工人常常需要保持半蹲姿势或者全蹲姿势才能触碰到装配工件的重要部件,长时间保持这种姿态工作,则会增加膝关节的负担,轻度可能导致肌肉疼痛,严重可能导致职业性肌肉骨骼疾病（WMSDs）。为了降低肌肉骨骼类疾病的发生,本文设计一款被动式机械外骨骼,该外骨骼旨在为保持某些固定蹲姿工作的工人提供重力支撑,减轻膝关节的负担,从而分担部分肌肉力。首先,以人体下肢为分析对象,根据生物学需求建立人体坐标系,分析人体下肢各关节的运动形式以及运动角度范围。查阅国家发布相关的人体身高数据文件得知人体下肢的具体尺寸范围,从OpenSim社区获取人体下肢行走周期内各关节运动角度数据,为下文外骨骼机器人的结构设计提供理论依据。其次,对被动式外骨骼机器人进行结构设计。分析国内外外骨骼机器人锁紧机构的现状,综合考虑穿戴者的使用需求,设计出一种新型的锁紧机构,采用齿轮之间的啮合力来实现外骨骼膝关节的锁紧,可以实现膝关节的任意位置锁紧,同时设计回复装置,使其能够为人体提供重力支撑,结构紧凑,便于使用。对设计外骨骼机器人主要受力零件进行强度校核,采用拓扑优化的方法进行轻量化设计,优化后的外骨骼重量明显减轻。再次,将所设计的外骨骼模型简化为人体三杆模型,构建人体下肢的运动学模型,基于D-H参数和解析法建立外骨骼运动学方程。分别求解下肢的运动学正解和逆解,与OpenSim社区提供的运动学数据进行比对分析,对所建立的运动学模型进行验证。基于蒙特卡洛法求解外骨骼模型的工作空间,MATLAB可视化结果显示外骨骼工作空间满足人体下肢的运动需求。构建人体模型的动力学模型,基于拉格朗日函数法求解出各杆件的受力情况,通过ADAMS构建仿真模型,仿真数据与动力学求解数据进行比对,验证了动力学模型构建的准确性。通过测量ADAMS中的膝关节力矩,结果证明外骨骼机器人可以为人体提供重力支撑。最后,本章利用生物力学软件OpenSim,将设计的外骨骼与人体肌肉骨骼模型进行耦合仿真分析。通过编辑OpenSim中的人体肌肉骨骼模型文件,将所设计的外骨骼机器人与人体肌肉骨骼进行耦合,主要计算分析耦合模型与人体骨骼模型在行走与下蹲两种状态下,人体下肢主要受力肌肉的肌肉力变化情况。通过穿戴外骨骼前后的仿真结果数据对比分析,得出无论是行走还是下蹲过程中,人体下肢主要受力肌肉的肌肉力变化都很小,同样可以说明穿戴该外骨骼对人体的行走与下蹲影响很小,外骨骼设计适宜人体穿戴,不会对人体有额外的负担。

关键词：外骨骼机器人结构设计重力支撑运动学分析耦合分析

主被动结合搬运助力外骨骼设计及控制策略研究

在线全文

同方学位论文库

学校读者我要写书评

暂无评论

主被动结合搬运助力外骨骼设计及控制策略研究

作者：王盟苏州大学

学位级别：硕士

在物流、建筑、工业领域,从业者需要长时间从事体力劳动,常年的高强度负荷导致工人罹患肌肉、骨骼疾病风险急剧增加。随着中国老龄化问题加剧,如何延长工人的职业寿命并减轻职业病发生率成为亟待解决的社会课题。研究证明,助力外骨骼可... 详细信息

在物流、建筑、工业领域,从业者需要长时间从事体力劳动,常年的高强度负荷导致工人罹患肌肉、骨骼疾病风险急剧增加。随着中国老龄化问题加剧,如何延长工人的职业寿命并减轻职业病发生率成为亟待解决的社会课题。研究证明,助力外骨骼可以提高穿戴者的运动能力,减少人体肌肉、骨骼受力,从而降低工人肌肉、骨骼疾病发生率。当前大多数搬运外骨骼助力位置多为腰部,鲜有研究围绕搬运过程中腰部受力及膝盖压迫问题进行综合探讨。因此,本课题设计髋关节主动、膝关节被动式搬运助力外骨骼,可为穿戴者腰部提供助力,并通过外骨骼大腿杆、膝关节将部分人体及物体重量直接传至地面,实现重力传递,减轻人体和重物重量对膝盖压迫,论文的主要内容如下:分析应用场景并结合轻量化、舒适性、实用性等设计目标,确定了主被动结合、单向力矩传递、重力支撑的总体外骨骼设计方案。基于人体解剖学及生物力学特征,围绕人机相容性构型,确立外骨骼整体布局及自由度分配;依据整体布局及模块化思路详细设计了髋关节、腰背部支撑、膝关节、足底压力鞋;对关键零部件进行有限元仿真分析,确保满足强度要求。搭建以STM32微控制器为核心的外骨骼传感控制系统。基于对人体搬运过程意图分析,设计包含惯性测量单元、足底压力传感器、髋部扭力传感器的人体意图识别模块;基于外骨骼实时控制需求,设计了以髋部一体化无刷电机为主、膝部直流减速电机为辅的伺服驱动模块;基于传感控制系统硬件及接口资源,开展外骨骼嵌入式软件系统设计,搭建可挂载多设备的CAN、IIC通信链路。建立基于有限状态向量机的意图识别上层控制策略和基于导纳模型的跟随及助力底层控制算法。分析人体行走及蹲起的规律,对足底压力信息融合,设计模糊推理算法识别人体行走相位,基于背部惯性测量单元姿态设计搬运相位判断规则;结合模糊推理算法及惯性测量单元姿态设计有限状态向量机相位切换规则,实现不同相位识别,为后续外骨骼精确控制奠定基础。基于拉格朗日方程对外骨骼支撑及摆动相位动力学模型进行推导与建模,建立人机背部导纳模型,设计了以导纳控制为外环、PD位置控制为内环的跟随及助力运动控制算法;建立导纳参数调整规则控制人机误差,并通过Matlab仿真验证变导纳参数下外骨骼跟随及助力控制效果。设计实验对搬运助力外骨骼系统进行跟随及助力效果评估。开展机构运动实验对外骨骼机构功能合理性进行验证;开展单关节跟随及外骨骼跟随实验确认外骨骼在摆动相位下的跟随效果;开展行走支撑、搬运助力实验确认外骨骼在助力模式下控制算法实用性;最后设计穿戴外骨骼前后重力支撑及呼吸效率对比实验,对外骨骼支撑效率及助力效率进行量化评价。对比实验结果证明,穿戴外骨骼可实现良好的支撑及助力效果,可实现腰部助力、减轻膝盖压迫的设计目标。

关键词：外骨骼主被动结合重力支撑助力导纳控制

CFETR真空室预研件的结构分析与优化研究

在线全文

同方学位论文库

学校读者我要写书评

暂无评论

CFETR真空室预研件的结构分析与优化研究

作者：俞志伟中国科学技术大学

学位级别：硕士

中国聚变工程实验堆（CFETR）是一个全超导托卡马克装置,为国际热核聚变实验堆（ITER）与聚变示范电站（DEMO）之间搭建技术桥梁。真空室（VV）作为维持托卡马克稳定运行的核心部件,其结构性能对装置的安全运行有着直接的影响。重力支... 详细信息

中国聚变工程实验堆（CFETR）是一个全超导托卡马克装置,为国际热核聚变实验堆（ITER）与聚变示范电站（DEMO）之间搭建技术桥梁。真空室（VV）作为维持托卡马克稳定运行的核心部件,其结构性能对装置的安全运行有着直接的影响。重力支撑部件是承载真空室及其内部部件重力和各种机械载荷的关键部件。中国聚变工程实验堆真空室预研件（CFETR VV mock-up）的建造即为了研究真空室的加工制造,力学分析等关键问题。开展CFETR真空室预研件重力支撑结构设计和真空室所处工况的分析评估,并利用Isight软件进行重力支撑弹性板的结构优化,主要工作内容如下:1.通过对核聚变发展和托卡马克装置的调研,介绍可控核聚变的背景及发展。随后介绍真空室部件在聚变反应中的功能并综述了全国各大托卡马克装置的发展现状,指出论文的研究内容和意义。2.比较不同设计方案的优劣之后,确定CFETR真空室预研件重力支撑的结构设计方案。利用CATIA三维软件创建真空室及其重力支撑详细结构模型和简化模型,选用316L（N）作为真空室的材料并分析其材料特性。3.对真空室展开仿真分析,包括单工况分析和组合工况分析,得到各工况下真空室整体及其重力支撑的位移和应力分布情况。经过应力评定,真空室及其重力支撑部件的设计符合设计标准。载荷最大的组合工况为BK+SL-2工况,将该工况作为后续重力支撑结构优化的环境工况。4.对重力支撑弹性板进行多目标优化设计,灵敏度分析显示质量的最大正效应设计参数是弹性板的高度,板间的间隙同样影响整体重量最大,数量则和弹性板的厚度最相关,从1000个样本点中获得CFETR真空室重力支撑预研件最优的设计结构参数。与初始设计结构方案对比,优化后的设计方案不改变真空室整体的结构性能,但质量降低了 37%,表明此优化具有较好的效果。优化后重力支撑弹性板的高度为1180mm,厚度为40mm,板间间隙为70mm,数量为13块,均布于上下档板之间。本文研究设计的真空室重力支撑结构满足使用要求,结构简单,可承担真空室运行下的各种工况载荷。本文的设计结构与研究方法为CFETR后续的研发奠定了数据基础,也同样适用于托卡马克其他支撑部件,为同类支撑部件提供一定的借鉴。

关键词：托卡马克真空室预研件重力支撑结构分析优化设计

在线全文

同方学位论文库

学校读者我要写书评

暂无评论

可穿戴式下肢无动力外骨骼设计与优化

可穿戴式下肢无动力外骨骼设计与优化

作者：刘贺伟中国计量大学

学位级别：硕士

针对需长期站立或蹲坐进行工作因此易受职业相关肌肉骨骼疾患(WMSDs)及静脉曲张疾病影响的人群,如流水线工人、教师、护工等职业人群,本文设计了一款可穿戴式无动力下肢外骨骼,同时具有辅助行走功能与重力支撑功能,通过了解国内外研究... 详细信息

针对需长期站立或蹲坐进行工作因此易受职业相关肌肉骨骼疾患(WMSDs)及静脉曲张疾病影响的人群,如流水线工人、教师、护工等职业人群,本文设计了一款可穿戴式无动力下肢外骨骼,同时具有辅助行走功能与重力支撑功能,通过了解国内外研究现状得到外骨骼的设计要求与测试方法。基于解剖学知识对人体下肢各关节的运动进行了描述,根据人体正常行走时的周期性变化进行了步态划分,基于Open Pose人体位姿识别算法分析人体正常行走视频,得到人体下肢各关节在矢状面内的角度变化。本文针对髋关节助力装置与重力支撑装置分别提出多个设计方案,在综合比较产品结构、储能原件、锁定方式、工艺性、可靠性等因素后选择出最优方案,对受力较大的零件进行静力学分析验证其可靠性,最终将两装置融合得出总体方案。将人体行走模型简化为五连杆机构,建立人体在矢状面内的下肢运动学模型,代入参数后解得外骨骼末端的步高数据,将其与Open Pose分析人体行走视频所得踝关节高度进行比较,验证了外骨骼与人体的匹配性。建立简化的人体七连杆动力学模型,利用欧拉-拉格朗日方程建立各行走步态的动力学模型,解得人体下肢外骨骼髋关节力矩随时间变化的曲线,与利用Opensim分析行走步态所得髋关节力矩进行比较初步验证外骨骼的助力功能,并将人机耦合模型导入Adams中进行动力学分析,通过比较穿戴外骨骼前后人体的力矩数据验证外骨骼的理论助力效果。在完成三维模型的基础上制作了实物样机,并通过两类多组实验分别验证了外骨骼助力行走及支撑人体体重的能力。通过对行走前后心率及血氧等生理参数的比较,证明了助力行走单元的有效性;通过实验员在穿戴外骨骼、仅靠自身力量、正常坐座椅三种坐姿情况下,进行保持不同坐姿角度时腿部肌肉表面肌电信号强度的比较,分析验证了重力支撑功能的有效性,数据分析结果表明:30°和90°坐姿时,相较于仅靠自身保持坐姿时的股直肌功率均值强度分别减少了10.8%和18.4%,股外侧肌功率均值强度减少49.4%和24.36%,胫骨前肌功率均值强度减少了47.2%和73.76%。

关键词：肌肉骨骼疾患无动力髋关节助力重力支撑动力学