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大变形柔顺仿生足的刚度特性研究

张建锐  
【摘要】: 下肢假肢的仿生构形设计一直是拟人机器人与康复假肢研究的重要课题,而仿生足的研究与开发,近年来成为假体工程学研究领域的一个热点。本文通过测量、分析健康人体足部结构构形与步态特征,对典型的柔顺储能J/S型机构进行数学建模,并建立其伪刚体模型,进一步对其刚度特性进行分析和讨论,提出了大变形柔顺机构的静力学分析方法。 首先,结合解剖学、人体运动生物力学、假体工程学、测量学等相关知识,分析了足关节的构造及各部分(骨骼,肌肉,韧带)的运动功能,通过人体下肢的步态研究,探讨足部关节减振、抗冲击、储能和正常站立、行走时自稳定等方面的结构特征,得出人体步行时足关节的相关数据,为柔顺仿生足的深入研究提供了基础依据。 其次,基于MATLAB软件,对典型的柔顺储能J/S型机构进行数学建模,提出了基于曲率和刚度的柔顺机构片段的划分及优化方法,并基于伪刚体模型理论,建立了J/S型仿生足机构的伪刚体模型,对悬臂梁模型参数的选取做了进一步的研究。 在已建立的伪刚体模型基础上,运用影响系数法和虚功原理,推导出此机构的刚度矩阵,利用奇异值和瑞利商得出机构的刚度判定指标,对J/S型仿生足机构的刚度特性进行分析研究。 最后,基于SolidWorks软件对J/S型机构进行实体建模和静力变形分析,并与基于伪刚体模型法计算的变形结果进行对比分析,尤其通过大变形的分析,验证了此伪刚体模型的准确性。


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