可穿戴上肢外骨骼关键零部件设计及优化

摘要

可穿戴外骨骼应用广泛，不管是在军事上还是在日常生活中，均可发挥重要作用。特别是我国老年人口逐年增多，老年人的身体机能不足；同时，有很大一部分因各种原因失去正常机能的人，不能完全适应日常的生活。可穿戴外骨骼能够帮助他们实现正常的生活。但现在的外骨骼重量大、价格高、维护困难，极大的阻碍了其的推广应用。动力关节作为外骨骼的重要部分，为外骨骼提供驱动力，至关重要。现在没有统一和通用的模块。因此本文设计一个通用、成本低、维护简单的动力关节对外骨骼的发展和使用具有重要的意义。
　　首先对国内外可穿戴外骨骼动力关节驱动方式进行分析，对电机驱动、液压驱动和气压驱动三种驱动系统的易用性、重量、效率、输出能力、成本、可靠性和可控性等方面定性分析并选取电机和齿轮减速箱作为动力关节的驱动。
　　接着根据减速箱输入输出参数和齿轮安全系数对关节进行齿轮材料的选取。根据动力关节传动要求和特点，对关节输出末级传动采用行星方式，相比传统方式提高了传动效率、减小了整体体积。并利用MATLAB软件对齿轮传动以传动比、齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度和齿宽等为约束，以转动惯量和重量为目标进行优化，为以后的应用和控制提供最佳的机械特性。同时对优化后的齿轮进行在模拟啮合情况下有限元分析，校核齿轮的强度和刚度。利用分析得到的应力云图和位移云图，对齿轮内部应力和位移较小的部分进行移除，以减小整体的惯量和质量，达到进一步优化的目的。
　　最后对动力关节箱体进行几何造型设计，并分别对行星架和输出摇臂的各种受力情况进行有限元分析，得到应力和位移云图，并通过设计洞察功能来检查箱体的整体受力情况以保证在各种情况下箱体的安全性能。根据对齿轮传动和箱体的设计制作了试样进行实验，实验结果表明，外骨骼的关键零部件动力关节的机械设计能够满足强度和刚度的要求。

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1 绪论

1.1 论文题目背景及意义

1.2 国内外相关研究工作的现状

1.3 本文研究的主要内容

2 可穿戴外骨骼关键零部件总体方案设计分析

2.1 可穿戴外骨骼驱动系统分析及选择

2.2 传动参数确定

2.3 齿轮传动构型设计

2.4 本章小结

3 齿轮传动的优化

3.1 齿轮传动多目标模型的建立

3.2 基于MATLAB优化的实现

3.3 优化结果对比与分析

3.4 本章小结

4 齿轮有限元分析及结构优化

4.1 齿轮受力计算

4.2 平行传动级齿轮分析

4.3 行星传动级齿轮分析

4.4 本章小结

5 动力关节造型设计及分析

5.1 动力关节的几何造型和实体装配

5.2 动力关节的有限元分析

5.3 实验

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及科研成果

致谢