毕业设计-机械外骨骼.docx

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1、目录目录I1绪论31.1 选题背景31.1.1 仿生机械技术31.1.2 机械外骨骼31.1.3 三维设计技术31.2 选题的来源和依据41.3 选题的目的和意义61.4 主要任务与内容62总体设计方案73整体模型的设计与三维造型73.1 机械外骨骼的设计与三维造型总体设计思路83.2 机械外骨骼的设计与三维造型83.2.1 机械外骨骼“上肢”的设计与三维造型83.2.2 机械外骨骼“下肢”的设计与三维造型83.2.3 机械外骨骼“装配体”的设计与三维造型83.2.4 机械外骨骼的二维零件图设计94机械外骨骼的驱动104.1 机械外骨骼的驱动总体思路：IO4.2 机械外骨骼驱动的关键技术介绍I

2、O4.2.1 表面肌电信号104.2.2 表面肌电信号源和物理电信号源同时采用的原因114.2.3 气压驱动及动力源的选择114.2.4 空气驱动部件的确定114.3 机械外骨骼的机械运动部件的设计124.3.1 人体关节运动分析134.3.2 人体关节运动分析144.3.3 各关节运动学分析144.3.4 各关节运动学分析15(1)膝关节的运动学分析15(2)版关节的运动学分析155部分重要零件的设计与校核175.1 轴承的选择及校核175.2 连杆的计算与校核175.3 双头螺柱的校核186机械外骨骼材料的设计选择187做本课题时遇到的问题及解决方法18结论20致谢21参考文献22附录1:

3、机械外骨骼的设计与三维几何建模过程图24附录2:机械的零件图3653附录3:机械外骨骼的渲染效果图61仿生机械的三维设计机械外骨骼的设计1触1.1 选题背It1.1.1 仿生机械技术模仿生物的形态、结构和控制原理设计制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。研究仿生机械的学科称为仿生机械学，它是20世纪60年代末期由生物学、生物力学、医学、机械工程、控制论和电子技术等学科相互渗透、结合而形成的一门边缘学科。仿生机械研究的主要领域有生物力学、控制体和机器人。把生物系统中可能应用的优越结构和物理学的特性结合使用，人类就可能得到在某些性能上比自然界形成的体系更为完善的仿生机械。模仿生物的形态

4、、结构和控制原理设计制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。研究仿生机械的学科称为仿生机械学，它是20世纪60年代末期由生物学、生物力学、医学、机械工程、控制论和电子技术等学科相互渗透、结合而形成的一门边缘学科。在自然界中,生物通过物竞天择和长期的自身进化,已对自然环境具有高度的适应性。它们的感知、决策、指令、反馈、运动等机能和器官结构远比人类所曾经制造的机械更为完善。1.1.2 机械外骨骼机械外骨骼，其结构类似昆虫的外骨骼那样，能穿在人身上，给人提供保护、额外的幼力或能力，增强人体机能.如使腿残疾的人能自己上楼，让士兵能健步如飞、无障碍奔跑且不会疲劳、不会受伤.可以使用二段跳，机架

5、上面的手套具有粘性，可以吸附金属.它能够帮助人们跑得更快、跳得更高、能够携带更多更重的东西，并且帮助穿戴它的人在战场、建筑工地或者其它有危险的地方生存下来。1.1.3 三维设计技术三维设计是建立在平面和二维设计的基础上，让设计目标更立体化，更形象化的一种新兴设计方法，是新一代数字化、虚拟化、智能化设计的基础平台，在当前制造业全球化协作分工的大背景下，三维技术普及化是必然的趋势，三维设计技术在我国企业、院校得到广泛、深入地应用。计算机辅助设计（CAD）技术近年来发展迅猛，是当前网络信息时代的核心技术之一三维设计技术不仅仅是代替手工绘图的一种工具，而且包含了产品的方案决策、结构设计等，使用三维设计

6、技术更能反映实际产品的设计构造及制造过程，由于这项技术优势明显，世界多国制造企业都非常重视三维设计技术的应用，在欧洲、北美、日本等发达国家和地区，三维CAD技术不仅在航空、航天、汽车、船舶等高端制造业，而且在形形色色的民用消费品设计和制造中都得到了广泛应用。1.2 选题的来源和依据世界人口正在加速老化，从现在起到2050年之间，60岁以上的人口将从大约6亿增至20亿。而我国老龄化速度更快，据联合国预测，1990-2020年世界老龄人口平均年增速度为2.5%,同期我国老龄人口的递增速度为3.3%,世界老龄人口占总人口的比重从1995年的6.6%上升至2020年9.3%,同期我国由6.1%上升至1

7、1.5%,无论从增长速度和比重都超过了世界老龄化的速度和比重，到2020年我国65岁以上老龄人口将达1.67亿人，约占全世界老龄人口6.98亿人的24%,全世界四个人中就有一个是中国老年人。老龄化社会正不可避免的到来。这样的社会有两个严重问题就是劳动力的匮乏和越来越多的老年人需要年轻人来照顾。如今，我国第一代独生子女的父母已经开始步入老年。与自己多儿多女的父母不同，唯一的子女将承担赡养他们的重任。未来，更多的家庭将出现4个老年人、1对夫妇和1个孩子的“四二一”结构。这样在生活中就经常会遇到“人手不足”的尴尬。我们急需要使用一些新型的助力机器来解决这些问题。机械外骨骼，也许就是一种解决途径。老人

8、们穿上它可以提高自理能力：年轻人穿上它可以帮助更多的老人们。在生活中，我们需要一种机器用以辅助体弱者及中老年人运动，来都助这部分人提高他们的自理能力和改善他们的生活质量。为了提高综合应用所学专业知识的能力及团队协作的能力，课题来源于电影中经常遇到的未来设计一一“机械外骨骼”，指导老师们希望我们通过团队合作，充分利用三维设计的特点，设计出一套完整的机械外骨骼。现在我的课题有很多的同类课题研究，以下是研究水平的概述。国外的研究起步很早，在美国这个概念首次出现在1963年惊奇漫画上的虚构漫画英雄钢铁侠UronMan中。但在1690年，通用电气公司就研制了一种名为“哈迪曼1劭）”的可佩戴单兵装备，但仅

9、仅只能替代人的一只手。2001年，在美国高级研究计划局OM/SU的赞助下，加州的伯克莱大学、田纳西州的橡树岭国家实验室和盐湖城的SarCOS公司分别开始了对机器外甲的开发。D4R%的目标是为战士们设计一种可穿戴的机器外甲，能让士兵在双倍负重的情况下更快更久地行军，这种铠甲在提高力量和防御能力的同时又要保证灵活性，使穿着者仍旧能够匍匐过铁丝网或翻过战壕。三个团队的前期研究都取得了不错的成果，最终SareoS公司的XoS雀屏中选，进入了最后的研究阶段。目前的实验结果显示它正在步步地接近QARM的目标。XOS使用压力感应器来感知使用者的动作意图。安装在手或脚上的感应器以读取压力数据，计算机分析出用户

10、的动作意图并在使用者真正用力之前控制液压驱动的机械装备做出相应的运动。穿着XOS的实验者曾经连续500次举起200磅（90公斤）重的杠铃，而他最后放弃的理由不是疲倦，而是厌烦。2009年，最引人注目的是洛克希德马丁公司QCMeedMam力）开发的“人类负重外骨骼”（TheHumanUniversalLoadCarrier简称HULC）HULC系统的最大负重量可以达到90.7千克。HULC是一种模仿人体结构特点设计的外穿型机械骨骼，内部配备有液压传动装置和可像关节一样弯曲的结构设计，不但能够直立行进，还可完成下蹲和匍匐等多种相对复杂的动作。”ULC动力源为两块总重量3.6千克的锂聚合物电池。在一

11、次充满电后，HULC可保证穿着者以4.8公里/小时的速度背负90千克重物持续行进一个小时。而穿着HUZr的冲刺速度则可达到16公里/小时。相比之下国内从事机械外骨骼研究起步就要晚很多，并且没有多少个人或机构从事这方面的研究。我们要缩短差距还要有很长的一段路要走。在可预见的未来这项技术将改变我们的生活。我的设计方向是辅助老年人或者成年人行走以及简便的搬运重物。1.3 选题的目的和意义目的毕业设计的选题应充分体现所学专业的所在工作岗位，结合生活实际、生产实际等方面来选题，结合所学专业知识，反映专业知识的掌握情况；通过完成本次毕业设计，以提高自身的三维设计、二维设计的技术能力，以及分析解决实际生产中

12、有关的各类问题的能力。通过毕业设计应达到以下目的：第一，所学专业知识的综合应用与融会贯通：第二，锻炼独立工作能力、学习能力以及掌握新知识、新技能的能力：第三，培养踏踏实实的工作作风和独立解决生产问题的能力。意义本文以“机械外骨骼”的设计为实例，系统地掌握机械类小型机器的设计思路及设计步骤，以体现本专业的基本知识、基本技能的综合应用。同时系统研究了数字化条件下零件的造型设计、机械加工工艺的基本内容、实现途径及相关技术。希望设计的“机械外骨骼”不仅仅能满足一般工艺设备的要求，同时也能满足机械制造装备应具备的功能，符合工业工程的要求。此外本毕业设计是在已学习机制专业课程的基础上加入CAD/CAM的设

13、计，充分运用了计算机辅助设计和计算机辅助制造的功能，使得设计的过程更加高效，同时通过三维造型设计增加了制作的预知性与可行性，使学生在设计的过程中更好地掌握现代制造技术，并应用所学知识深入学习UG、Soildworks的三维造型、三维设计、AutoCAD的二维设计技能，更好地掌握CAD/CAM技术。1.3主要任务与内容主要任务（1）课题调研以及资料的查阅：与老师探讨课题实施计划。（2）撰写开题报告。3）机械外骨骼总体设计方案确定，机械外骨骼的总体设计思路及相关的三维造型结构的设计。（4）机械外骨骼中全套零件的二维图设计和三维造型图。（5）制定机械外骨骼中重要零件的机械加工工艺规程。（6）编写设计

14、说明书等，完成全套毕业设计资料主要内容（1）机械外骨骼的总体设计思路及设计方案。（2）机械外骨骼的三维造型与设计。（3）相关设计的数据计算。（4）机械外骨骼的总装配图、零件三维图、零件二维图的设计。（5）机械外骨骼中重要零件的机械加工工艺规程设计。2总体设计方案利用附着在人体上的机械来辅助体弱者及中老年人运动的。利用高压气瓶内的压缩空气驱动机械外骨骼,使用采集人体表面肌电信号（S1伤）的方式以及机械电控的方式控制机械外骨骼的运动。总体设计方案如下：（1）机械外骨骼的外型大小基本参照一个180CM的正常体形成年人。（本设计只参考成年男性体形，女性体形不在本次设计的考虑之内）（2）驱动部分设计的是

15、高压气瓶内的压缩空气，使用用采集人体表面肌电信号（S嫖修）的方式和物理按钮来控制机械外骨骼的运动。（3）要求能够辅助老人和体弱者短途行走和解决在日常生活中遇到的需要搬运70kg以下重物的问题。（4）利用UG和Soildworks的造型设计，最终完成一套完整的高精度模型一一“机械战甲”的设计。3整体模型的设计与三维造型3.1 机械外骨骼的设计与三维造型总体设计思路机械外骨骼的设计与三维造型思路：（1）根据实际人体大致确定模型大小（正常成年人体形为175CM、体重为70Kg）（2）根据人体模型的大小来设计出附加在人体体外的机械支架，以便辅助人体实施各项动作。（3）用UG画出实物图，通过绘制草图及一系列的拉伸求差等操作，完成外形造型，并通过细节操作使机械外骨骼的上肢、下肢更形象逼真，如渲染操作等，最后进行象棋盒的上肢、下肢三维装配造型。3.2 机械外骨骼的设计与三维造型3.2.1 机械外骨骼“上肢”的设计与三维造型机械外骨骼“上肢”的设计过程与三维造型路线图为：打开UG界面T新建文件T起始建模并人体模型调整站姿建基准面一偏置曲线画出外形草图一拉升求差得到上肢偏置曲面一拉升求差得到上肢细节的偏置曲面-隐藏草图曲线一得出