外骨骼框架生物力学设计及强度分析

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1、医用生物力学第29卷第6期2014年12月504JournalofMedicalBiomechanics，Vol．29No．6，Dec．2014文章编号:1004-7220(2014)06-0504-07外骨骼框架生物力学设计及强度分析aba何旅洋，张志强，郑百林(同济大学a．航空航天与力学学院;b．医学院，上海200092)摘要:目的依据人体运动学分析，设计一套模仿人体下肢生理结构和运动特点的外骨骼机械结构，研究外骨骼在步行过程中两个不同时相下的生物力学特性，为外骨骼的设计与优化提供研究基础。方法首先根据下肢步态分析，应用三维建模软件进行外骨骼机械结构的设

2、计，在生成实体模型后利用有限元软件进行装配、网格划分以及单元属性赋值，并建立各个构建之间的面-面接触关系，模拟分析外骨骼的应力分布情况。结果在1kN载荷下，双腿站立(工况1)的最大应力为91．45MPa，胫骨竖直(工况2)最大应力为154．55MPa，分别发生在后背支架和髋部，与设计前的传力机制分析结果一致。结论外骨骼在不同工况下应力分布有明显不同。由于在计算中没有考虑到步行过程中可能产生的冲击等不确定因素，在设计优化外骨骼时需要考虑并乘以一定的安全系数。关键词:外骨骼;步态;有限元分析;力学特性中图分类号:Ｒ318．01文献标志码:ABiomechanic

3、sdesignandstrengthanalysisofexoskeletonframeabaHELü-yang，ZHANGZhi-qiang，ZHENGBai-lin(a．SchoolofAerospaceEngineeringandAppliedMechanics，b．SchoolofMedicine，TongjiUniversity，Shanghai200092，China)Abstract:ObjectiveTodesignmechanicalstructureofexoskeletonwhichsimulatesphysiologicalstruc

4、tureandkinematiccharacteristicsoflowerlimbsaccordingtokinematicsanalysisofhumanbody，andinvestigatebiome-chanicalpropertiesofexoskeletonundertwodifferentphasesofhumangaitperiod，soastoprovidereferencesforsuchexoskeletondesignandoptimization．MethodsBasedonclinicalgaitanalysisoflowerli

5、mbs，theme-chanicalstructureofexoskeletonwasfirstestablishedbyusing3Dmodelingsoftware．Thenthephysicalmodelwasassembled，meshedandmaterializedby3Dmodelingsoftware，andsurfacetosurfacecontactrelationshipbetweeneachcomponentwasalsoconstructedtosimulateandanalyzethestressdistributionsofex

6、oskeleton．ＲesultsUndertheloadof1kN，themaximumstressofdoublestance(calculatingconditionI)was91．45MPaandthemaximumstressofverticaltibia(calculatingconditionII)was154．55MPa，occurringatthebacksupportandhip，respectively，andsuchresultswereinaccordancewiththeanalysisresultsofforcetransmis

7、sionmecha-nismgotbeforedesign．ConclusionsThestressdistributionsofexoskeletonunderdifferentcalculatingconditionswereobviouslydifferent．Someuncertainfactorssuchassomeshockcausedduringthewalkingperiod，whichhavenotbeentakenintoaccountinthecalculation，shouldbeconsideredforthedesignandop

8、timizationofexo-skeletonan