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面向假肢膝关节的微纳米磁流变液阻尼器及其性能研究

孙璐婵  
【摘要】:全球每年交通意外、自然灾害频发,这些不可预测的事故造成肢体残疾患者大幅增加而人类对医学、生物学的研究还未能达到使肢体再生的地步,因此,假肢成为了下肢截肢者恢复其正常行走功能的重要工具。磁流变阻尼器因其具有灵活性好、结构简单、稳定并且能在小功率的情况下输出连续可控阻尼力的优点,在具备减振功能的智能假肢膝关节领域具备广阔的应用前景。现有的研究中,磁流变假肢膝关节中的磁流变阻尼器体积较大,较为笨重,步态识别和穿戴者舒适度没有保障,且理论研究还未能很好的实现实际应用化。因此,面向假肢膝关节性能要求的磁流变阻尼器的研究具有重要的理论意义和应用价值。本文通过向传统的磁流变液中添加纳米磁性颗粒研制出了一种性能更好的新型微纳米磁流变液,对其产生可控阻尼效应的机理进行了研究,并通过初步实验,验证了微纳米磁流变液在外加磁场作用下的可控阻尼性能和饱和磁场强度;基于假肢膝关节的实际应用标准和磁流变阻尼器的工作模式,对磁流变阻尼器进行了结构设计和磁路设计,研制了一种面向假肢膝关节的微纳米磁流变液阻尼器。基于设计的阻尼器结构和参数,提出了以微纳米磁流变液阻尼器的体积和功耗作为主要优化目标,利用多目标遗传算法得到了多目标优化后的阻尼器的各部分参数最优解解集,再以阻尼可调系数作为次要优化目标,对解集进行二次优化得到最优解;根据优化后的微纳米磁流变液阻尼器的尺寸参数建立模型,采用ANSYS对不同电流下的阻尼器工作间隙内部磁场进行仿真研究,并验证了阻尼器内部的磁感应线分布的合理性,得到了工作间隙中磁感应强度与电流的变化关系;搭建了微纳米磁流变液阻尼器性能测试平台,对阻尼器在不同电流和不同温度下的阻尼力进行了实验测试和数据分析,得到了阻尼力随电流和温度变化的关系曲线,实验结果表明研制的微纳米阻尼器输出阻尼符合设计要求,并为后续的控制识别提高步态质量奠定了研究基础。


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