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1、摘 要穿戴式外骨骼系统的开发是为了争强人类的运动和承载能力，也可以作为人体康复机器人的一部分。它不同于普通的人类的增强装置，他要求自重小、携带便捷、结构紧凑、具有人机友好性而且易于穿脱。然而外骨骼中的背负系统则是其中最主要的一部分。外骨骼背负系统研究的主要内容如下:介绍人因工程的含义、基本原则，说明背负背垫系统的设计的思路，另一方面通过对内骨骼解剖运动学资料的分析，进一步对外骨骼背负系统的工作原理以及基本构型做了初步的探讨，并且对外骨骼背负系统的结构组成进行了初步的设计。在SolidWorks中建立了简易的人体模型以及人体外骨骼背负系统的模型，然后将简化的模型导入到Ansys-Workbenc
2、h中，对背负系统的关键原件进行强度分析，最后对人体在穿戴外骨骼时受力的分布进行初步的仿真分析。关键词：有限元法，外骨骼，背负系统，人因工程，模态分析ABSTRACTThe development of the wearable exoskeleton system is used for improve human bodys movement and carrying capacity, and can also be used as a part of our bodys rehabilitation robot. It is different from the ordinary hum
3、an enhancement device, he asked for the weight light, carry convenient and structure compactly, has the man-machine friendly and easy to wear off. While, the suspension system is one of the most important part of it.Through the introduction to classical mountaineering bag with TCS system, carry out
4、a thought of how to design the suspension system.In this thesis, a simple human body model is established and the human body model of the exoskeleton of suspension system in SolidWorks. The simplify model was imported into the Ansys-Workbench, the strength analysis was carried out on the key part of
5、 suspension system, and finally the picture of stress distribution the human body was introduced while wearing exoskeleton about simulation analysis.Keywords: Finite element method，exoskeleton，suspension system ，ergonomics Modal analysis目录第1章 引 言11.1有限元法及其基本思想11.2有限元法的特点21.3 本文研究问题定义分析2第2章 外骨骼背负系统有限
6、元模态分析的准备工作372.1外骨骼背负系统机构的设计要求372.1.1 人体背部压力承受范围372.1.2 外骨骼背负系统安全性设计要求392.2外骨骼背负系统的机构设计392.1.2 负重承载的功能以及结构设计392.1.2 背垫系统功能及结构设计422.2 外骨骼背负系统有限元模态分析流程432.3 ANSYS基本介绍452.2 ANSYS瞬态动力学分析基本原理46第3章 外骨骼背负系统机构仿真与应力分析493.1人体与外骨骼背负系统简化模型的建立493.2背负系统零件接触行为分析503.3 导入简化模型513.4 设置材料属性523.5 创建接触对533.6 划分网格543.7 施加约
7、束和载荷553.8 求解结果及分析55第5章 总 结59参考文献38第1章 引 言1.1有限元法及其基本思想 有限元法分析的概念可以追溯到20世纪40年代。1943年，Courant 第一次在他的论文中，取定义在三角形分片上的连续函数，利用最小势能原理研究了St.Venant 的扭转问题。此法发展很慢，过了近十年才再次有人用这些离散化的概念。1956 年，Turner，Clough，Martin 和 Topp 等人在他们的经典论文中第一次给出了用三角形单元求得的平面应力问题的真正解答。他们利用弹性理论的方程求出了三角单元的特性，并第一次介绍了今天人们熟知的确定单元特性的直接刚度法。他们的研究工
8、作随同当时出现的数字计算机一起打开了求解复杂平面弹性问题的新局面。 “有限元法”这个名称，第一次出现在 1960 年，当时 Clough 在一篇平面弹性问题的论文中应用过它。工程师们开始认识了有限元法的功效，此后有限元法在工程界获得了广泛的应用。到 20 世纪 70 年代以后，随着计算机和软件技术的发展，有限元法也随之迅速地发展起来，发表的有关论文犹如雨后春笋，期刊、专著也不断出现，学术交流频繁，可以说进入了有限元的鼎盛时期。到目前为止，有限元法已被应用于固体力学、流体力学、热导学、电磁学、声学、生物力学等各个领域；能进行由杆、梁、板、壳、块体等各类单元构成的弹性(线性和非线性)、弹塑性或塑性
9、问题的求解，包括静力和动力问题；能求解流体场、温度场、电磁场等场分布问题的稳态和瞬态问题；还能求解水流管路、电路、润滑、噪声以及固体、流体、温度相互作用的问题。 有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。它的基本概念使用比较简单的问题代替复杂问题，然后再进行求解。有限元方法的基本思路是：“化整为零，积零为整”。它的求解步骤是：将某一整体的结构看成由若干个单个的结构元件，即“有限元”或“单元”构成的物理组成体，这些单元在有限个连接点，即“节点”处互相连接。通过选用适当的形函数，对各单元作力学分析，建立单元本身节点位移与相应的节点力之间的关系，然后按照各单元在节点上的
10、力平衡条件或变形协调条件，把单元组装成原整体结构，由此列出作为未知量的节点力或节点位移的方程组。求解该方程组，得到问题的解。因为实际问题被比较简单的问题所代替，所以这个解不是精确解，而是近似解。但是，如果形函数满足一定要求，随着单元数目的增加，解的精度会不断提高而最终收敛于问题的精确解。从理论上说，无限制地增加单元的数目可以使数值分析解最终收敛于问题的精确解，但是这却增加了计算机计算所耗费的时间。在实际工程应用中，只要所得的数据能够满足工程需要就够了。有限元分析方法的基本策略就是在分析的精度和分析的时间上找到一个最佳平衡点。1.2有限元法的特点对于复杂几何构型的适应性：由于单元在空间上可以适用
11、一维、二维或三维的，而且每一种单元可以有不同的形状，同时各种单元可以采用不同的连接方式，所以，工程实际中遇到的非常复杂的结构或构造都可以离散为由单元组合体表示的有限元模型。对于各种物理问题的适用性：由于用单元内近似函数分片的表示全求解域的未知场函数，并未限制场函数所满足的方程形式，也未限制各个单元所对应的方程必须有相同的形式，因此它适用于各种物理问题，例如线弹性问题、弹塑性问题、粘弹性问题、动力问题、屈曲问题、流体力学问题、热传导问题、声学问题、电磁场问题等，而且还可以用于各类物理现象相互耦合的问题。建立于严格理论基础上的可靠性：因为用于建立有限元方程的变分原理或加权余量法在数学上以证明适微分
12、方程和边界条件的等效积分形式，所以只要原问题的数学模型是正确的，同时用来求解有限元方程的数值算法是稳定可靠的，则随着单元数的增加(即单元尺寸的缩小)或者是随着单元自由度数的增加(即插值函数阶次的提高)，有限元解的近似程度不断地被改进。如果单元是满足收敛准则的，则近似解最后收敛于原数学模型的精确解。适合计算机实现的高效性：由于有限元分析的各个步骤可以表达成规范化的矩阵形式，最后导致求解方程可以统一为标准的矩阵代数问题，特别适合计算机的编程和执行。随着计算机硬件技术的高速发展以及新的数值算法的不断出现，大型复杂问题的有限元分析已成为工程技术领域的常规工作。1.3 本文研究问题定义分析 本文研究的是
13、穿戴式的外骨骼背负系统的设计，就不得不将人的因素考虑在内，人在背负系统中起作用，那么背负系统就不仅仅要考虑其功能上的健全，结构上的刚度等问题，还必须考虑到人在穿戴背负系统时的安全性问题，以及舒适性问题。安全性问题即要求背负系统在非特殊情况下不会对人体造成伤害，同时结构上的刚度要有足够的富余，避免意外的发生；舒适性问题即要求人在背负的额定重物的时候，人体背部受力分布合理（腰部70%，背部20%，肩部10%），不能超过人体对于疼痛感忍受的阀值。我们将通过利用Ansys-Workbench有限元分析工具对骨骼系统进行分析评价，但是复杂的模型同时也会带来复杂的分析过程，因此我们在对模型进行受力分析之前
14、我们应该对现有的模型进行适当的简化，并建立起人体模型与外骨骼模型接触的虚拟状态机，最终达到能够简略的模拟人体在静态负重是的收到的压力分布图。与此同时，也将对一些重要的零部件和机构进行静态力学结构分析，以此来观测在人体额定负重情况下的结构强度要求。第2章 外骨骼背负系统有限元模态分析的准备工作2.1外骨骼背负系统机构的设计要求2.1.1 人体背部压力承受范围考虑外骨骼对人的接触压力，需要关注两点因素：压力分布和压力大小。前者体现了操作时的舒适性，而后者则关系操作者的安全。例如：当人皮肤表面承受的压力大于30mm汞柱时，会导致表面毛细血管血液不流通，会危及软组织的安全。当然，要精确地建立人机接触压
15、力与操作舒适性之间的关系是十分困难的，主要是目前还无法定量地定义舒适性的标准。目前，一些学者探索着利用表皮压力感受器来测量峰值压力、压力梯度及接触面积等参数，希望以此建立压力与舒适性的表达式。但是实验表明，表皮压力感受器对于压力刺激的反应并不取决于所施加的压力，而取决于整个施加压力的动态过程。一般来说，针对外骨骼对人的接触压力主要有两种方法：在具有较高压力承受能力的部位局部施加较大的压力或者将压力分散在尽可能大的范围以减小表皮承受的压强。后一种方法常常被证明可以很好地消除压痛并由此导致的伤害，但此方法并不能保证操作时的舒适性1。根据空间整合理论，随着压力接触面积增加,表皮压力感知器的数目也随之增加，但最终舒适感会变差。因此，另外有一些学者认为，压力大小超过一定范围时，将其集中施加于一点要远好于将其分散施加。在外骨骼背负系统的设计过程中则需要参考人体背部的压力疼痛值的研究结果。表2-1表列出了人体背部区域的压力疼痛阀值。在此把背部分为了图2-1颈肩区域，图2-2下腰部区域2。图2-1 肩颈区域分区 图2-2下腰部区域分区颈肩区域压力阀值（Kpa）下腰部区域压力阀值（Kpa）上斜方肌259.295.9左边区域4475229.3中斜方肌347.5103.5中间脊椎536.0269.5下斜方肌373.0121.1右边区域455.5258.2
