基于ANSYS的助力外骨骼液压动力单元热分析

摘要

助力外骨骼是以人为控制主体，机械结构为动力主体，人机高度耦合的复杂力随动系统。助力外骨骼的出现拉开了人类解决人体有限体能和无限负重需求间矛盾的序幕，已成为国内外机器人研究的热点。助力外骨骼的续航能力由电池容量、机械效率和液压动力单元等决定。受冷却方法、体积和液压系统效率等限制，现有助力外骨骼液压动力单元面临严峻的温升问题，已严重影响了助力外骨骼的续航时间，解决现有液压动力单元的温升问题已成为当务之急。
　　论文以西南交通大学研制助力外骨骼实验样机为分析对象，为解决现有助力外骨骼液压动力单元温升问题，实现助力外骨骼长期可靠工作的目的，基于ANSYS对现有助力外骨骼液压动力单元进行热分析和优化，论文具体工作如下:
　　(1)依据运动生物力学和人类骨骼结构，建立人体运动学模型。从使用频率考虑，选取人类直立行走进行分析。对光学动作捕捉系统得到的数据频谱分析，采用傅里叶级数拟合法建立人体运动学模型并进行误差分析。
　　(2)利用人体运动学模型，对助力外骨骼液压动力单元能耗分析。基于人体运动学模型对人机耦合系统进行步态分析，得到助力外骨骼下肢柱塞缸瞬时运动状态，结合助力外骨骼液压系统参数，计算助力外骨骼液压系统功率分布。
　　(3)联合三维建模软件Pro/e和分析软件ANSYS对助力外骨骼液压动力单元进行热仿真和优化。依据助力外骨骼液压动力单元损失功率，采用ANSYS对其进行热仿真，利用分析结果对助力外骨骼液压动力单元结构优化并分析，得到满足散热要求的助力外骨骼液压动力单元。
　　(4)利用助力外骨骼液压动力单元热仿真结果，搭建实验验证助力外骨骼液压动力单元散热性能。在自然环境下，设计助力外骨骼液压动力单元温度实验，采用MATLAB软件分析助力外骨骼液压动力单元温度数据，得到助力外骨骼液压动力单元的时间和温度曲线。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 助力外骨骼研究背景

1．2 助力外骨骼发展进程

1．2．1 早期助力外骨骼

1．2．2 中期助力外骨骼

1．2．3 现代助力外骨骼

1．3 国内外助力外骨骼动力系统研究现状

1．3．1 助力外骨骼液压驱动系统研究现状

1．3．2 助力外骨骼气压驱动系统研究现状

1．3．3 助力外骨骼电机驱动系统研究现状

1．4 本文研究意义及内容

第二章 助力外骨骼运动学分析和建模

2．1 引言

2．2 助力外骨骼机械结构

2．3 人体下肢特征动作分析

2．4 人体下肢运动学参数采集

2．4．1 人体下肢模型简化

2．4．2 人体下肢运动学参数捕捉系统

2．4．3 基于非接触式运动捕捉系统的人体模型分析

2．5 人体下肢运动学模型及其误差分析

2．5．1 人体下肢运动学模型

2．5．2 人体下肢运动学拟合误差分析

2．6 本章小结

第三章 助力外骨骼液压系统能耗分析

3．1 引言

3．2 助力外骨骼液压系统

3．3 人机耦合系统直立行走步态分析

3．3．1 人机耦合系统直立行走支撑相步态分析

3．3．2 人机耦合系统直立行走摆动相步态分析

3．4 助力外骨骼液压系统能耗分析

3．5 本章小结

第四章 液压动力单元热仿真和优化

4．1 引言

4．2 液压动力单元热仿真分析

4．2．1 液压动力单元有限元模型构建

4．2．2 液压动力单元边界条件

4．2．3 液压动力单元热仿真结果分析

4．3 液压动力单元结构优化和分析

4．3．1 液压动力单元一般优化策略

4．3．2 液压动力单元结构优化

4．3．3 优化后的液压动力单元有限元模型和边界条件

4．3．4 优化后的液压动力单元热仿真结果分析

4．4 本章小结

第五章 液压动力单元热传递试验和分析

5．1 引言

5．2 液压动力单元热传递实验

5．2．1 液压动力单元热传递实验搭建

5．2．2 液压动力单元热传递实验结果

5．3 优化后液压动力单元热传递实验

5．3．1 优化后液压动力单元热传递实验搭建

5．3．2 优化后液压动力单元热传递实验结果

5．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文