仿生下肢外骨骼机器人关键零件可靠性分析

摘要

仿生下肢外骨骼机器人是机器人领域里新兴的研究热点，它是一种结合了机械、电子、控制、计算机技术、传感技术和医学科学技术的可穿戴的设备。下肢外骨骼机器人在结构设计上模仿了人体骨骼的结构和自由度，其运动方式建立在人体步态研究的基础上，可以给穿戴者提供支撑、助力、保护等。下肢外骨骼机器人是直接穿戴在人体上的，主要服务于下肢瘫痪的残障人士，帮助他们重新站立行走，其可靠性和安全性是非常重要的。
　　通过查阅国内外相关的文献资料，了解国内外科研机构对下肢外骨骼机器人的研究历程，发现大多数的研究方向为结构和控制方面的设计，而对机器人最重要的可靠性却少有研究，因为机器人一旦发生失效，轻则停机，重则会使人受伤，因此提出对外骨骼机器人关键零部件可靠性分析，保证机器人安全平稳的运行。
　　本文分析了下肢外骨骼机器人的结构和功能，通过对结构件进行受力分析，确定下肢外骨骼机器人关键零部件为弧齿锥齿轮、腰部支撑杆件、髋关节连杆和膝关节连杆。利用应力-强度干涉理论对下肢外骨骼机器人的关键零件弧齿锥齿轮进行了研究和理论计算，获得齿根弯曲应力和齿面接触应力的可靠度。利用有限元分析软件对弧齿锥齿轮，腰部支撑件，膝关节连杆，髋关节连杆进行了应力、应变、位移和疲劳分析，得到这些关键零件的变形和应力等情况，符合设计要求。
　　本文重点研究了针对弧齿锥齿轮的加速寿命试验的设计，设计了加速寿命试验台的方案，利用Miner损伤累积假说确定加速寿命试验的时间；设计了转动惯量轮盘，电机通过齿轮带动惯性轮盘加速旋转，利用刚体绕定轴转动的运动微分方程就能确定齿轮间作用力的大小；设计并校核了轴和键的刚度和强度，并选型了三款轴承，设计了桌架，利用SolidWorks对试验平台进行3D建模，出工程图，加工制造。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究概况

1.3 本文研究内容

第二章 下肢外骨骼机器人结构分析

2.1 下肢外骨骼组成与工作原理

2.2 下肢外骨骼机器人的机械结构分析

2.3 下肢外骨骼的受力分析

2.4 本章小结

第三章 外骨骼机器人锥齿轮传动可靠度计算

3.1概述

3.2应力-强度干涉模型

3.2 弧齿锥齿轮传动的几何计算

3.3 弧齿锥齿轮的强度计算

3.4 弧齿锥齿轮的可靠度计算

3.5 本章小结

第四章 下肢外骨骼机器人关键零件仿真分析

4.1 有限元分析

4.2 有限元模型建立

4.3 有限元计算结果及分析

4.4 本章小结

第五章 弧齿锥齿轮加速寿命试验方案设计

5.1加速寿命试验概述

5.2加速寿命试验类型

5.3试验时间与应力的关系

5.4试验应力施加方法

5.5弧齿锥齿轮步进应力加速寿命试验

5.6.试验台设计及零件强度校核

5.7本章小结

第六章 结论和展望

6.1 本文研究内容总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果