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Solidworks人体骨骼三维模型图
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&&&&&&&&&优胜模具培训学院 Copyright @2004- All Right Reserved可穿戴下肢康复外骨骼结构设计及有限元分析--《长春理工大学》2014年硕士论文
可穿戴下肢康复外骨骼结构设计及有限元分析
【摘要】：本文研究可穿戴下肢康复外骨骼机器人,查阅国内外相关研究资料,分析得出当前下肢康复外骨骼普遍存在结构笨重、康复训练单一、不能广泛适用的问题。使用三维动态捕捉系统采集正常人体下肢运动数据,分析下肢运动机理,依据人体工程学,结合人机系统的设计要求,采用拟人化设计与现代机械设计方法,设计一款结构轻便,具有全方位康复训练功能,广泛适用的可穿戴下肢康复外骨骼机器人。
本文完成下肢外骨骼的结构设计,使用SolidWorks软件绘制外骨骼零部件三维实体模型,并进行虚拟装配；利用ANSYS软件对下肢外骨骼进行静力特性分析,分析外骨骼的刚度和强度是否满足设计要求；对外骨骼进行模态分析,得到外骨骼的固有频率和振型,提出基固有频率和振型变化的损伤识别法对外骨骼进行损伤识别,为外骨骼的安全检测、设备的维护打下理论基础。
【关键词】：
【学位授予单位】：长春理工大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：TP242【目录】：
摘要4-5ABSTRACT5-9第一章 绪论9-21 1.1 引言9 1.2 选题的目的和意义9-10 1.3 国内外研究现状和发展趋势10-20
1.3.1 国外研究现状10-16
1.3.2 国内研究现状16-19
1.3.3 当前下肢康复外骨骼机器人存在的问题19-20 1.4 本文所研究的主要内容20 1.5 本章总结20-21第二章 人体下肢生理结构与行走步态分析21-35 2.1 人体下肢生理结构分析21-24
2.1.1 人体解剖学21-22
2.1.2 人体下肢骨骼结构22-24
2.1.3 人体主要尺寸24 2.2 下肢行走步态分析24-26 2.3 下肢行走参数采集26-29
2.3.1 人体下肢运动数据采集26-27
2.3.2 采集数据的分析27-29 2.4 人体下肢步态规划29-34
2.4.1 零力矩点(ZMP)步态规划法29-30
2.4.2 基于ZMP的可穿戴下肢康复外骨骼步态规划30-34 2.5 本章总结34-35第三章 可穿戴下肢康复外骨骼结构设计35-46 3.1 下肢康复外骨骼总体结构设计原则35-36 3.2 选取下肢康复外骨骼材料36 3.3 设计下肢康复外骨骼尺寸36-37 3.4 外骨骼各关节的结构设计37-39
3.4.1 髋关节的结构设计37-38
3.4.2 膝关节的结构设计38-39
3.4.3 踝关节的结构设计39 3.5 下肢外骨骼其它部件的结构设计39-41
3.5.1 外骨骼穿戴靴的结构设计39
3.5.2 外骨骼腰带的结构设计39-40
3.5.3 外骨骼连杆的结构设计40-41
3.5.4 背架的结构设计41 3.6 下肢各关节受力分析41-43
3.6.1 髋关节力学分析41-42
3.6.2 膝关节力学分析42
3.6.3 踝关节力学分析42
3.6.4 人体下肢各关节的质量和质心相对位置42-43
3.6.5 下肢各关节的力矩与功率43 3.7 驱动系统的选择43-45
3.7.1 驱动方式分析43-44
3.7.2 电动机的选择44-45
3.7.3 供能系统的选择45 3.8 本章总结45-46第四章 可穿戴下肢外骨骼静力特性分析46-62 4.1 有限元分析基本理论46-50
4.1.1 有限元基本理论46-50
4.1.2 有限元方法基本步骤50 4.2 ANSYS软件介绍50-51 4.3 下肢外骨骼静力分析51-61
4.3.1 ANSYS静力分析51-53
4.3.2 下肢康复外骨骼三维模型的简化53-54
4.3.3 下肢外骨骼网格的划分54-55
4.3.4 创建接触55-56
4.3.5 定义载荷56
4.3.6 约束的加载56-57
4.3.7 求解结果及分析57-61 4.4 本章总结61-62第五章 可穿戴下肢外骨骼动力特性分析62-68 5.1 模态分析理论基础62 5.2 下肢外骨骼模态分析62-63 5.3 下肢外骨骼结构模态分析63-65
5.3.1 求解结果63-65
5.3.2 结果分析65 5.4 基于固有频率和振型变化的损伤识别法65-67
5.4.1 损伤识别方法66-67 5.5 本章总结67-68总结68-69展望69-70致谢70-71参考文献71-73
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SolidWorks2011全球用户大会——SolidWorks能做什么：令人惊奇和令人崩溃的创新设计
SolidWorks2011全球用户大会——SolidWorks能做什么：令人惊奇和令人崩溃的创新设计
13:40:10&&作者：朱辉杰&&来源：
　　在中国旧历新年即将到来之际，2011年度的SolidWorks全球用户大会（SolidWorks WORLD 2011）拉开了帷幕。本次设计盛会在美国南部城市圣安东尼奥（San Antonio）举行，在会议期间，超过4000名来自全球各地的SolidWorks用户涌入这座城市，倏忽间打破了这个以旅游休闲闻名于世的城市的宁静。
《CAD/CAM与制造业信息化》杂志和智造网记者第六次应邀参加了SolidWorks全球用户大会，并将在随后的几天，对会议进行追踪报道。
本篇：SolidWorks2011全球用户大会——SolidWorks与令人惊奇的创新设计
　　创新设计的灵魂是创新的思维，而SolidWorks提供了表述和加速创新的工具，用户利用SolidWorks完成了很多令人惊奇的设计——SolidWorks公司创始人、传奇工程师、公司第一任CEO Joh Hirschtick在第二天的主题大会上发表演讲时说。
　　Joh向大家介绍了使用SolidWorks完成的三个“惊奇”设计。
　　触觉式机械人
　　Barrett技术公司的创始人和CEO Bill Townsend向与会者介绍了他们使用SolidWorks设计的一系列触觉机械臂产品，由于“触觉式”机械臂产品包含复杂的机电结构，需要完成各种高难度的仿生运动，并且工程师还要应付大量的线缆，致使机器人的空间运动收到了很大限制，这对工程设计提出了很大的挑战。SolidWorks在三维结构设计、运动模拟和关键电控部件(触觉传感器)的设计方面，给工程师提供了极大的便利。
　　Barrett技术公司1990年诞生于麻省理工学院的人工智能实验室，这家公司的主要产品就是“触觉式”机械人，这种触觉式机械人的特点就是通过特殊的“集成线缆电路”，减少机器人的外接线缆数量，以便完成高难度的复杂运动，并对外界的“刺激”给出准确、及时的反馈，从而完成高精密工业领域用户的需求。
　　SolidWorks公司创始人、传奇工程师、公司第一任CEO Joh Hirschtick和Barrett技术公司的创始人和CEO Bill Townsend是老朋友，他们共同介绍了利用SolidWorks 设计的“触觉式”机械臂产品，大屏幕上展示了Barrett公司的工程师正在“训练”机械人运动轨迹
　　“触觉式”机械臂的奥秘就是这个小小的集成线缆器，而这个装置是采用SolidWorks设计的
　　结合三维设计的骨外科植入物设计
　　MAKO Surgical公司的创始人Rony Abovitz带来了工程学和医学相结合的惊人设计——利用三维工程技术提高外科植入物的符合度和效能。MAKO Surgical公司的工程师和外科医生配合，利用SolidWorks三维设计软件、逆向工程技术和三维打印机，为骨关节老化磨损或外伤病人提供特殊的医学植入物和相应的手术装置，帮助他们重新拥抱生活。
　　传统的医学植入物由于很难完全贴合每个病人的骨质特点，因此使用寿命有限，病人的实际使用感受也比较差，而采用SolidWorks三维技术设计的植入物和植入装置，可以根据每个病人的骨骼特点进行定制，外科治愈率大大提高。利用这项技术，MAKO Surgical公司已经成功帮助超过6000名的病人恢复肢体能力。其中一名接受了这种治疗并成功恢复站立、行走和奔跑能力的病人Samuel Brooks来到了现场，他在台上轻快地行走、单脚跳跃、下蹲起立，在接受治疗前，他的右腿膝关节因软骨劳损，甚至无法完全弯曲和伸直。
　　MAKO Surgical公司的Rony Abovitz正在介绍如何利用三维设计软件和医用扫描技术完成骨外科植入物的设计工作
　　Samuel Brooks紧紧地拥抱Rony Abovitz，因为Rony Abovitz公司的技术帮助Samuel重新获得站立、行走的能力
　　采用“集众”模式完成的汽车设计
　　LOCAL MOTOR是一家非常年轻、非常特别的汽车设计、制造公司，他的特别来源于这家公司所采用的Co-CREATE设计、制造模式。用户不仅可以通过LOCAL MOTOR的网站平台提交订单，还可以全程参与汽车的设计和制造。这种参与不仅仅是选择一下颜色而已，材料、减震悬架、发动机、变速箱……几乎所有的汽车部件都采用这种基于网络的“集辞广义”模式完成设计和制造，用户可以随时从网站上下载设计模型并进行修改，设计模型完全是开放的，然后再上传回网站平台。开源(OPEN SOURCE)和集众(Co-CREATE)是这家汽车公司的特色，而SolidWorks三维工程平台提供了无限的可能性。
　　LOCAL MOTOR公司的工程师正在介绍如何利用LM平台完成开源、集众设计任务
　　LM公司采用集众、开源模式设计、制造的原型车
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请问化石是怎么形成的?
化石是怎么形成的?在什么样的条件下才能形成化石?
化石是埋藏在地层里的古代生物的遗物。最常见的化石是由牙齿和骨骼形成的。古代动物死后，尸体的内脏、肌肉等柔软的组织很快便会腐烂，牙齿和骨骼因为有机质较少，无机质较多，却能保存较长的时间。如果尸体恰好被泥沙掩埋，与空气隔绝，腐烂的过程便会放慢。泥沙空隙中有缓慢流动的地下水。水流一方面溶解岩石和泥沙内的矿物质，另一方面将水中过剩的矿物质沉淀下来或成为晶体，随着水流会逐渐渗进埋在泥沙中的骨内,填补牙齿和骨骼有机质腐烂后留下的空间。如果条件合适，由外界渗进骨内的矿物质在牙齿和骨骼腐烂解体之前能有效地替代骨骼原有的有机质，牙齿和骨骼便完好地保存成为化石。由于化石中的大量矿物质是极为细致地慢慢替代其中的有机质，所以能完整地保存牙齿和骨骼原来的形态，连电子显微镜才能看清的组织形态都能原样保存。天长日久，骨骼的重量不断增加，由原来的牙齿和骨头变成了还保存牙齿和骨头原有的外形和内部结构的石头，这个过程被称作“石化过程”。
除了牙齿和骨骼外，有的动物的粪便也能成化石。例如，有的肉食动物吃肉时是连着碎骨一起吞下的，粪便里有许多没有被消化掉的碎骨，碎骨不容易腐烂，所以也能成为化石。脚印也能成为化石
化石是埋藏在地层里的古代生物的遗物。最常见的化石是由牙齿和骨骼形成的。古代动物死后，尸体的内脏、肌肉等柔软的组织很快便会腐烂，牙齿和骨骼因为有机质较少，无机质较多，却能保存较长的时间。如果尸体恰好被泥沙掩埋，与空气隔绝，腐烂的过程便会放慢。泥沙空隙中有缓慢流动的地下水。水流一方面溶解岩石和泥沙内的矿物质，另一方面将水中过剩的矿物质沉淀下来或成为晶体，随着水流会逐渐渗进埋在泥沙中的骨内,填补牙齿和骨骼有机质腐烂后留下的空间。如果条件合适，由外界渗进骨内的矿物质在牙齿和骨骼腐烂解体之前能有效地替代骨骼原有的有机质，牙齿和骨骼便完好地保存成为化石。由于化石中的大量矿物质是极为细致地慢慢替代其中的有机质，所以能完整地保存牙齿和骨骼原来的形态，连电子显微镜才能看清的组织形态都能原样保存。天长日久，骨骼的重量不断增加，由原来的牙齿和骨头变成了还保存牙齿和骨头原有的外形和内部结构的石头，这个过程被称作“石化过程”。
除了牙齿和骨骼外，有的动物的粪便也能成化石。例如，有的肉食动物吃肉时是连着碎骨一起吞下的，粪便里有许多没有被消化掉的碎骨，碎骨不容易腐烂，所以也能成为化石。脚印也能成为化石。人或动物踩在泥沙上，造成脚印。泥沙干后，脚印又被另外的物质填满。两种物质都被后来渗进去的矿物质石化后保存下来，但是两种物质的性质不同，软硬不同，容易风化或破坏的程度也不同。一种物质被风化或破坏后，另一种物质便表现为脚印化石。
过的古生物，如果在死后能被泥沙迅速埋藏，尸骨就会在沉积的泥沙中保存下来，再经过千百万年的石化作用就可以形成化石。从地层中挖掘到的古生物化石，可以成为我们人类了解遥远地质年代生物进化过程的最可靠证据。吉林大学古生物学与地层学研究中心主任孙革教授解释说，现在的黑龙江流域中下游在6500万年前曾是一个巨大的湖泊，周围有许多大小河流注入，可谓气候湿润、水草丰美，而嘉荫县地区就位于这个湖泊的边缘。因此这里非常适合恐龙等生物的栖息繁衍。在距黑龙江省省会哈尔滨市东北部约550公里处，有一个名叫嘉荫的边境小县。浩浩黑龙江水从县边静静南流，茂密的森林将全县紧紧包围。如果没有100年前的一次偶然发现，嘉荫县也许至今还不为人们所知。1902年，俄国的一位上校军官偶然在嘉荫县的龙骨山上发现了一些动物骨骼化石，感觉很特别，于是将其掘出并带回俄国。这些化石一经出现，立刻引起了一些古生物学家的关注，经过反复研究鉴定，化石最终被确定为恐龙化石。
我国学者将其命名为&满洲龙&，这就是中国的第一具有科学研究价值的恐龙化石。
这具恐龙化石被装架好后，陈列在今天的俄罗斯圣彼得堡地质博物馆内。
自第一具恐龙化石被发现以来，嘉荫县已先后出土了10具恐龙化石，这里也因此获得了&中国恐龙之乡&的美名。
农民挖沙挖出一堆骨头
1991年的夏天，刚被任命为嘉荫县科技副县长的原黑龙江省地矿厅工程师刘春山在乌拉嘎地区下乡调研时，听人说当地的农民在挖沙子时挖出了一个大骨头堆。骨头堆的发现地有二十多米高，地层一层层的非常清晰，而骨头化石就在地层中部地带埋藏着。听到这些信息，刘春山凭着多年的工作经验，马上意识到这些&骨头&有些不寻常，于是立即赶赴当地进行实地考察。
在采沙坑上，刘春山看到了一些露出地层的巨大骨骼化石。
&那些露出的骨骼非常特别，巨大、黑褐色，不像以往看到的任何普通化石，我马上联想到了恐龙骨。&时至今日，刘春山想起当时的情景仍历历在目。随后，当时的黑龙江省地矿厅又请来了国际著名恐龙学家董枝明，他进一步鉴定后认定，这些化石是鸭嘴龙的化石。
嘉荫县又发现了恐龙化石！这条消息一经传出，就引起了人们极大的兴趣。但由于当时恐龙化石发掘的技术条件还不够成熟，地矿部门决定暂缓，等待时机成熟后再行动。
考古专家前往挖掘
2002年7月，黑龙江省国土资源局地质博物馆派出于庭相、余福林、海树林、周忠立等四位工程师，再次对乌拉嘎地区进行深入调查，并决定对当地恐龙进行发掘。在当地人的帮助下，专家小组掀开了一块近40平方米的地层，于是这批恐龙化石赫然显现在世人面前。
由于部分骨骼化石被风化得比较厉害，专家对所有已暴露出地表的化石进行了抢救性保护，用石膏和胶为其涂抹了保护层。
专家们还对与恐龙化石同时发现的大量植物化石和一些水生动物化石也进行了细心保护。
据悉，黑龙江省有关部门已决定，明年将把这些恐龙化石掘出地层，以利保护和供科学家研究，之后，还将在周边范围内进行更大规模的发掘行动，以图更大的新的发现。
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