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[学位]

下肢外骨骼机器人含间隙铰接副机构的动力学与摩擦学耦合研究

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Author:

何胜利 (何胜利.)

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学位论文库

Abstract:

含间隙铰接副广泛存在于机器人、医疗器械、工程机械、航空航天及生物工程等领域中,铰接副的接触、摩擦磨损对机械结构的动态性能、定位精度、安全可靠性和使用寿命均有很大的影响。下肢外骨骼机器人作为重要的康复助行设备,主要结构可分为直驱式外骨骼系统和基于曲柄滑块机构的外骨骼系统,而直驱式外骨骼系统相对简单,因此本文以基于曲柄滑块机构的外骨骼系统为主要研究对象,进行含间隙铰接副系统的动力学与摩擦学耦合分析,相关研究成果对同类型机构的设计和研发具有重要的理论意义和社会经济价值。本文主要内容可分为以下三个部分:
进行了下肢外骨骼机器人含间隙铰接副机构的动力学分析。通过引入无质量杆——弹簧阻尼模型(Mass-Less Spring Damping model, MLSD),对含间隙铰接副曲柄滑块机构逆动力学进行了建模分析,采用摄动法对含间隙非线性动力学方程进行求解。分析了基于MLSD模型的含间隙曲柄滑块机构的正动力学,并与理想约束情况的动力学结果进行了对比,研究了间隙的存在对系统动力学的影响作用。进行了不同载荷、不同转速及不同初始间隙条件下MLSD算法与间隙杆算法的仿真分析,结果表明,初始间隙较大、转速较高时, MLSD模型则能够更好的反映含间隙铰接副中销轴和轴套的接触分离过程,动力学分析结果的准确度更高。
开展了高共形率接触表面压力分布模型的构建及动力学与摩擦学耦合研究。提出了非线性接触压力模型(Non-Linear Contact Pressure model, NLCP),该模型能够适用于不同共形率条件下的接触压力计算,且以非线性连续变化的方法描述了运动副元素的接触轮廓特征,符合含间隙铰接副的实际接触情况,压力分布计算结果精度较高。然后采用Archard磨损计算模型,结合MLSD模型,建立了基于MLSD&NLCP模型的含间隙铰接副动力学与摩擦学耦合分析框架,通过仿真与实验研究,验证了MLSD&NLCP算法的正确性,且仿真分析结果的精度较好。研究了系统转速、磨损次数、初始间隙及表面接触刚度等因素对含间隙系统的影响作用,结果表明,含间隙铰接副的磨损行为与曲柄转速、磨损次数等系统状态特征正相关;含间隙铰接副的磨损区域与系统初始间隙、接触刚度等系统接触特征负相关,且初始间隙越大,磨损峰值越大,而接触刚度越大,磨损峰值随系统转速的增加而减小。
进行了下肢外骨骼机器人含间隙机构的仿真分析与实验研究。在对下肢外骨骼机器人的基本结构形式研究的基础上,依据下肢外骨骼机器人实体样机,基于步态分析实验结果,设计搭建了基于曲柄滑块机构的下肢外骨骼机器人磨损分析实验台。设计并进行了不同初始间隙、不同速度及不同磨损次数下的磨损实验研究,通过与仿真结果的对比分析,验证了MLSD&NLCP算法能够有效的用于下肢外骨骼机器人含间隙机构的磨损分析,对下肢外骨骼机器人的安全可靠性及寿命预测具有重要意义。最后分析了间隙的存在对下肢外骨骼机器人系统性能的影响作用,并提出了下肢外骨骼机器人结构设计和控制系统设计的研究思路。
总的来说,本文针对含间隙铰接副系统动力学与摩擦学的耦合交互的基本问题,通过对含间隙铰接副系统的动力学求解、接触摩擦机理分析及动力学与摩擦学耦合机制研究,阐述了间隙对机械系统动态性能的影响作用,揭示了机械系统转速、磨损次数、初始间隙、接触表面刚度等因素对含间隙铰接副系统性能的影响规律,同时保证了算法工程应用的时效性要求,提高了算法的计算精度,相关理论成果对下肢外骨骼机器人的系统设计与可靠性计算具有重要研究意义。

Keyword:

动力学 含间隙铰接副 摩擦学 下肢外骨骼机器人

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学机械工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学硕士

Mentor: 谢友柏

Year: 2017

Language: Chinese

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30 Days PV: 29

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