畢業(yè)設(shè)計機械外骨骼

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1、 目 錄 目 錄 1 1 緒論 3 1.1 選題背景 3 1.1.1 仿生機械技術(shù) 3 1.1.2 機械外骨骼 3 1.1.3 三維設(shè)計技術(shù) 3 1.2 選題的來源和依據(jù) 4 1.3 選題的目的和意義 5 1.3 主要任務(wù)與內(nèi)容 6 2 總體設(shè)計方案 7 3 整體模型的設(shè)計與三維造型 7 3.1 機械外骨骼的設(shè)計與三維造型總體設(shè)計思路 7 3.2 機械外骨骼的設(shè)計與三維造型 8 3.2.1 機械外骨骼“上肢”的設(shè)計與三維造型 8 3.2.2 機械外骨骼“下肢”的設(shè)計與三維造型 8 3.2.3 機械外骨骼“裝配體” 的設(shè)計與三

2、維造型 8 3.2.4 機械外骨骼的二維零件圖設(shè)計 9 4 機械外骨骼的驅(qū)動 9 4.1 機械外骨骼的驅(qū)動總體思路： 10 4.2 機械外骨骼驅(qū)動的關(guān)鍵技術(shù)介紹 10 4.2.1 表面肌電信號 10 4.2.2 表面肌電信號源和物理電信號源同時采用的原因 10 4.2.3 氣壓驅(qū)動及動力源的選擇 10 4.2.4 空氣驅(qū)動部件的確定 11 4.3 機械外骨骼的機械運動部件的設(shè)計 12 4.4.1 人體關(guān)節(jié)運動分析 12 4.4.2 人體關(guān)節(jié)運動分析 13 4.4.3 各關(guān)節(jié)運動學(xué)分析 13 4.4.4 各關(guān)節(jié)運動學(xué)分析 14 （1）膝關(guān)節(jié)的

3、運動學(xué)分析 14 （2） 髖關(guān)節(jié)的運動學(xué)分析 14 5 部分重要零件的設(shè)計與校核 16 5.1　軸承的選擇及校核 16 5.2　連桿的計算與校核 16 5.3　雙頭螺柱的校核 17 6 機械外骨骼材料的設(shè)計選擇 17 7 做本課題時遇到的問題及解決方法 17 結(jié) 論 18 致 謝 19 參考文獻 20 附錄1: 機械外骨骼的設(shè)計與三維幾何建模過程圖 22 附錄2: 機械的零件圖 33 50 附錄3: 機械外骨骼的渲染效果圖 58 仿生機械的三維設(shè)計 　 ——機械外骨骼的設(shè)計 1 緒論

4、1.1 選題背景 1.1.1 仿生機械技術(shù) 模仿生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和控制原理設(shè)計制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的機械。研究仿生機械的學(xué)科稱為仿生機械學(xué)，它是20世紀(jì)60年代末期由生物學(xué)、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)、機械工程、控制論和電子技術(shù)等學(xué)科相互滲透、結(jié)合而形成的一門邊緣學(xué)科。 仿生機械研究的主要領(lǐng)域有生物力學(xué)、控制體和機器人。把生物系統(tǒng)中可能應(yīng)用的優(yōu)越結(jié)構(gòu)和物理學(xué)的特性結(jié)合使用，人類就可能得到在某些性能上比自然界形成的體系更為完善的仿生機械。 模仿生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和控制原理設(shè)計制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的機械。研究仿生機械的學(xué)科稱為仿生機械學(xué)，它是20世紀(jì)60年代

5、末期由生物學(xué)、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)、機械工程、控制論和電子技術(shù)等學(xué)科相互滲透、結(jié)合而形成的一門邊緣學(xué)科。 在自然界中,生物通過物競天擇和長期的自身進化,已對自然環(huán)境具有高度的適應(yīng)性。它們的感知、決策、指令、反饋、運動等機能和器官結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比人類所曾經(jīng)制造的機械更為完善。 1.1.2 機械外骨骼 機械外骨骼，其結(jié)構(gòu)類似昆蟲的外骨骼那樣，能穿在人身上，給人提供保護、額外的動力或能力，增強人體機能.如使腿殘疾的人能自己上樓，讓士兵能健步如飛、無障礙奔跑且不會疲勞、不會受傷.可以使用二段跳，機架上面的手套具有粘性，可以吸附金屬. 它能夠幫助人們跑得更快、跳得更高、能夠攜帶更多更重的東西，并且?guī)椭┐魉娜?/p>

6、在戰(zhàn)場、建筑工地或者其它有危險的地方生存下來。 1.1.3 三維設(shè)計技術(shù) 三維設(shè)計是建立在平面和二維設(shè)計的基礎(chǔ)上，讓設(shè)計目標(biāo)更立體化，更形象化的一種新興設(shè)計方法，是新一代數(shù)字化、虛擬化、智能化設(shè)計的基礎(chǔ)平臺，在當(dāng)前制造業(yè)全球化協(xié)作分工的大背景下，三維技術(shù)普及化是必然的趨勢，三維設(shè)計技術(shù)在我國企業(yè)、院校得到廣泛、深入地應(yīng)用。 計算機輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)近年來發(fā)展迅猛，是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信息時代的核心技術(shù)之一，三維設(shè)計技術(shù)不僅僅是代替手工繪圖的一種工具，而且包含了產(chǎn)品的方案決策、結(jié)構(gòu)設(shè)計等，使用三維設(shè)計技術(shù)更能反映實際產(chǎn)品的設(shè)計構(gòu)造及制造過程，由于這項技術(shù)優(yōu)勢明顯，世界多國制造企業(yè)都非常重視三維設(shè)

7、計技術(shù)的應(yīng)用，在歐洲、北美、日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，三維CAD技術(shù)不僅在航空、航天、汽車、船舶等高端制造業(yè)，而且在形形色色的民用消費品設(shè)計和制造中都得到了廣泛應(yīng)用。 1.2 選題的來源和依據(jù) 世界人口正在加速老化，從現(xiàn)在起到2050年之間，60歲以上的人口將從大約6億增至20億。而我國老齡化速度更快，據(jù)聯(lián)合國預(yù)測，1990-2020年世界老齡人口平均年增速度為2.5%，同期我國老齡人口的遞增速度為3.3%，世界老齡人口占總?cè)丝诘谋戎貜?995年的6.6%上升至2020年9.3%，同期我國由6.1%上升至11.5%，無論從增長速度和比重都超過了世界老齡化的速度和比重，到2020年我國65歲以

8、上老齡人口將達(dá)1.67億人，約占全世界老齡人口6.98億人的24%，全世界四個人中就有一個是中國老年人。 老齡化社會正不可避免的到來。這樣的社會有兩個嚴(yán)重問題就是勞動力的匱乏和越來越多的老年人需要年輕人來照顧。如今，我國第一代獨生子女的父母已經(jīng)開始步入老年。與自己多兒多女的父母不同，唯一的子女將承擔(dān)贍養(yǎng)他們的重任。 未來，更多的家庭將出現(xiàn)4個老年人、1對夫婦和1個孩子的“四二一”結(jié)構(gòu)。這樣在生活中就經(jīng)常會遇到“人手不足”的尷尬。我們急需要使用一些新型的助力機器來解決這些問題。機械外骨骼，也許就是一種解決途徑。老人們穿上它可以提高自理能力；年輕人穿上它可以幫助更多的老人們。 在生活中，我們需

9、要一種機器用以輔助體弱者及中老年人運動，來幫助這部分人提高他們的自理能力和改善他們的生活質(zhì)量。 為了提高綜合應(yīng)用所學(xué)專業(yè)知識的能力及團隊協(xié)作的能力，課題來源于科幻電影中經(jīng)常遇到的未來設(shè)計——“機械外骨骼”，指導(dǎo)老師們希望我們通過團隊合作，充分利用三維設(shè)計的特點，設(shè)計出一套完整的機械外骨骼。 現(xiàn)在我的課題有很多的同類課題研究，以下是研究水平的概述。 國外的研究起步很早，在美國這個概念首次出現(xiàn)在1963年驚奇漫畫上的虛構(gòu)漫畫英雄鋼鐵俠（Iron Man）中。但在1690年，通用電氣公司就研制了一種名為“哈迪曼1（Pitman）” 的可佩戴單兵裝備，但僅僅只能替代人的一只手。 2001年，

10、在美國高級研究計劃局(DARPA)的贊助下，加州的伯克萊大學(xué)、田納西州的橡樹嶺國家實驗室和鹽湖城的Sarcos公司分別開始了對機器外甲的開發(fā)。DARPA的目標(biāo)是為戰(zhàn)士們設(shè)計一種可穿戴的機器外甲，能讓士兵在雙倍負(fù)重的情況下更快更久地行軍，這種鎧甲在提高力量和防御能力的同時又要保證靈活性，使穿著者仍舊能夠匍匐過鐵絲網(wǎng)或翻過戰(zhàn)壕。三個團隊的前期研究都取得了不錯的成果，最終Sarcos公司的XOS雀屏中選，進入了最后的研究階段。 目前的實驗結(jié)果顯示它正在一步步地接近DARPA的目標(biāo)。XOS使用壓力感應(yīng)器來感知使用者的動作意圖。安裝在手或腳上的感應(yīng)器以讀取壓力數(shù)據(jù)，計算機分析出用戶的動作意圖并在使用者

11、真正用力之前控制液壓驅(qū)動的機械裝備做出相應(yīng)的運動。穿著XOS的實驗者曾經(jīng)連續(xù)500次舉起200磅（90公斤）重的杠鈴，而他最后放棄的理由不是疲倦，而是厭煩。 2009年，最引人注目的是洛克希德馬丁公司（Lockheed Martin）開發(fā)的“人類負(fù)重外骨骼”（The Human Universal Load Carrier簡稱HULC）。HULC系統(tǒng)的最大負(fù)重量可以達(dá)到90.7千克。 HULC是一種模仿人體結(jié)構(gòu)特點設(shè)計的外穿型機械骨骼，內(nèi)部配備有液壓傳動裝置和可像關(guān)節(jié)一樣彎曲的結(jié)構(gòu)設(shè)計，不但能夠直立行進，還可完成下蹲和匍匐等多種相對復(fù)雜的動作。HULC動力源為兩塊總重量3.6千克的鋰聚合

12、物電池。 在一次充滿電后，HULC可保證穿著者以4.8公里/小時的速度背負(fù)90千克重物持續(xù)行進一個小時。而穿著HULC的沖刺速度則可達(dá)到16公里/小時。 相比之下國內(nèi)從事機械外骨骼研究起步就要晚很多，并且沒有多少個人或機構(gòu)從事這方面的研究。 我們要縮短差距還要有很長的一段路要走。在可預(yù)見的未來這項技術(shù)將改變我們的生活。 我的設(shè)計方向是輔助老年人或者成年人行走以及簡便的搬運重物。 1.3 選題的目的和意義 ◆ 目的 畢業(yè)設(shè)計的選題應(yīng)充分體現(xiàn)所學(xué)專業(yè)的所在工作崗位，結(jié)合生活實際、生產(chǎn)實際等方面來選題，結(jié)合所學(xué)專業(yè)知識，反映專業(yè)知識的掌握情況；通過完成本次畢業(yè)設(shè)計，以提高自身的三維設(shè)計

13、、二維設(shè)計的技術(shù)能力，以及分析解決實際生產(chǎn)中有關(guān)的各類問題的能力。 通過畢業(yè)設(shè)計應(yīng)達(dá)到以下目的：第一，所學(xué)專業(yè)知識的綜合應(yīng)用與融會貫通；第二，鍛煉獨立工作能力、學(xué)習(xí)能力以及掌握新知識、新技能的能力；第三，培養(yǎng)踏踏實實的工作作風(fēng)和獨立解決生產(chǎn)問題的能力。 ◆ 意義 本文以“機械外骨骼”的設(shè)計為實例，系統(tǒng)地掌握機械類小型機器的設(shè)計思路及設(shè)計步驟，以體現(xiàn)本專業(yè)的基本知識、基本技能的綜合應(yīng)用。同時系統(tǒng)研究了數(shù)字化條件下零件的造型設(shè)計、機械加工工藝的基本內(nèi)容、實現(xiàn)途徑及相關(guān)技術(shù)。希望設(shè)計的“機械外骨骼”不僅僅能滿足一般工藝設(shè)備的要求，同時也能滿足機械制造裝備應(yīng)具備的功能，符合工業(yè)工程的要求。 此

14、外本畢業(yè)設(shè)計是在已學(xué)習(xí)機制專業(yè)課程的基礎(chǔ)上加入CAD/CAM的設(shè)計，充分運用了計算機輔助設(shè)計和計算機輔助制造的功能，使得設(shè)計的過程更加高效，同時通過三維造型設(shè)計增加了制作的預(yù)知性與可行性，使學(xué)生在設(shè)計的過程中更好地掌握現(xiàn)代制造技術(shù)，并應(yīng)用所學(xué)知識深入學(xué)習(xí)UG、Soildworks的三維造型、三維設(shè)計、AutoCAD的二維設(shè)計技能，更好地掌握CAD/CAM技術(shù)。 1.3 主要任務(wù)與內(nèi)容 ◆ 主要任務(wù) （1）課題調(diào)研以及資料的查閱；與老師探討課題實施計劃。 （2）撰寫開題報告。 （3）機械外骨骼總體設(shè)計方案確定，機械外骨骼的總體設(shè)計思路及相關(guān)的三維造型結(jié)構(gòu)的設(shè)計。 （4）機械外骨骼中

15、全套零件的二維圖設(shè)計和三維造型圖。 （5）制定機械外骨骼中重要零件的機械加工工藝規(guī)程。 （6）編寫設(shè)計說明書等，完成全套畢業(yè)設(shè)計資料 ◆ 主要內(nèi)容 （1）機械外骨骼的總體設(shè)計思路及設(shè)計方案。 （2）機械外骨骼的三維造型與設(shè)計。 （3）相關(guān)設(shè)計的數(shù)據(jù)計算。 （4）機械外骨骼的總裝配圖、零件三維圖、零件二維圖的設(shè)計。 （5）機械外骨骼中重要零件的機械加工工藝規(guī)程設(shè)計。 2 總體設(shè)計方案 利用附著在人體上的機械來輔助體弱者及中老年人運動的。利用高壓氣瓶內(nèi)的壓縮空氣驅(qū)動機械外骨骼,使用采集人體表面肌電信號（SEMG）的方式以及機械電控的方式控制機械外骨骼的運動。 總體設(shè)計方案

16、如下： （1） 機械外骨骼的外型大小基本參照一個180CM的正常體形成年人。 （本設(shè)計只參考成年男性體形，女性體形不在本次設(shè)計的考慮之內(nèi)） （2） 驅(qū)動部分設(shè)計的是高壓氣瓶內(nèi)的壓縮空氣，使用用采集人體表面肌電信號（SEMG）的方式和物理按鈕來控制機械外骨骼的運動。 （3） 要求能夠輔助老人和體弱者短途行走和解決在日常生活中遇到的需要搬運70kg以下重物的問題。 （4） 利用UG和Soildworks的造型設(shè)計，最終完成一套完整的高精度模型——“機械戰(zhàn)甲”的設(shè)計。 3 整體模型的設(shè)計與三維造型 3.1 機械外骨骼的設(shè)計與三維造型總體設(shè)計思路 機械外骨骼的設(shè)計與三維造型思路：

17、 （1）根據(jù)實際人體大致確定模型大?。ㄕ３赡耆梭w形為175CM、體重為70Kg） （2）根據(jù)人體模型的大小來設(shè)計出附加在人體體外的機械支架，以便輔助人體實施各項動作。 （3）用UG畫出實物圖，通過繪制草圖及一系列的拉伸求差等操作，完成外形造型，并通過細(xì)節(jié)操作使機械外骨骼的上肢、下肢更形象逼真，如渲染操作等，最后進行象棋盒的上肢、下肢三維裝配造型。 3.2 機械外骨骼的設(shè)計與三維造型 3.2.1 機械外骨骼“上肢”的設(shè)計與三維造型 機械外骨骼“上肢”的設(shè)計過程與三維造型路線圖為： 打開UG界面 → 新建文件 → 起始建模并人體模型 → 調(diào)整站姿 →

18、 建基準(zhǔn)面 → 偏置曲線畫出外形草圖 → 拉升求差得到上肢偏置曲面 → 拉升求差得到上肢細(xì)節(jié)的偏置曲面 → 隱藏草圖曲線 → 得出機械外骨骼“上肢”實體。 具體步驟見附錄：“機械外骨骼的設(shè)計與三維建模過程圖”。 3.2.2 機械外骨骼“下肢”的設(shè)計與三維造型 機械外骨骼“下肢”的設(shè)計過程與三維造型路線圖為： 打開UG界面 → 新建文件 → 起始建模并人體模型 → 調(diào)整站姿 → 建基準(zhǔn)面→ 偏置曲線畫出外形草圖 → 拉升求差得到下肢偏置曲面 → 拉升求差得到下肢細(xì)節(jié)的偏置曲面 → 隱藏草圖曲線 → 得出機械外骨骼“

19、下肢”實體。 具體步驟見附錄1：“機械外骨骼的設(shè)計與三維建模過程圖”。 3.2.3 機械外骨骼“裝配體” 的設(shè)計與三維造型 機械外骨骼的上肢和下肢的裝配設(shè)計過程與三維造型過程，設(shè)計的事自底向上的裝配方式。 設(shè)計路線圖為：打開UG界面 → 新建文件 → 選擇“裝配”選項 → 引進機械外骨骼“上肢”各部件 → 引進象棋盒“下肢”各部件 → 機械外骨骼“上肢”、“下肢” 進行配對裝配 → 得出“機械外骨骼”裝配體； 具體見附錄1：“象棋盒的設(shè)計與三維建模過程圖”， 圖3-2-3 機械外骨骼“裝配體”的三維造型圖 3.2.4 機械外骨骼的二維零件圖設(shè)計

20、 先用UG軟件打開機械外骨骼零件裝配圖，在“起始”菜單下打開“制圖”選項，根據(jù)圖形零件大小選擇A4、A3、A2、A1、A0圖紙，單擊基本視圖，然后在合適的地方進行三維視圖投影。為了方便修改操作，一般先把零件圖直接轉(zhuǎn)換成2D格式，文件—導(dǎo)出—2D轉(zhuǎn)換，然后在現(xiàn)有部件中選擇部件，并修改輸出至制圖，輸出為dwg文件，然后指定輸出文件路徑，確定并保存為二維圖形。 圖3-2-4 機械外骨骼“上肢”、“下肢”的二維零件圖 4 機械外骨骼的驅(qū)動 4.1 機械外骨骼的驅(qū)動總體思路： 在設(shè)計機械外骨骼時格外考慮它的能源利用效率，來達(dá)到長效使用的目的，使它在現(xiàn)有的儲能技術(shù)條件下工作更長時間。同

21、時希望這件機械外套能盡可能的輕便和簡單一些。就目前來看，在可以獨立運行的機械外骨骼上無外乎是以電池做為能量源，利用電動機直接驅(qū)動或者使用壓縮機轉(zhuǎn)化為氣壓或者液壓驅(qū)動；在機械外骨骼的控制方式選取上，設(shè)計的事表面肌電信號（SEMG，即淺層肌肉肌電信號和神經(jīng)干上電活動在皮膚表面的綜合效應(yīng)）作為控制信號源，同時使用物理按鈕控制。而在機械外骨骼的動力源的選取上，選擇的還是氣壓驅(qū)動。 4.2 機械外骨骼驅(qū)動的關(guān)鍵技術(shù)介紹 4.2.1 表面肌電信號 表面肌電信號(surface electromyogram Phy，SEMG)是肌肉收縮時伴隨的電信號，是在體表無創(chuàng)檢測肌肉活動的重要方法。我們研究分

22、析表面肌電信號的檢測與分析方法，也包括檢測技術(shù)與裝置及利用表面肌電信號反饋控制外部裝置的方法等。 4.2.2 表面肌電信號源和物理電信號源同時采用的原因 在日常生活中，機械外骨骼能都通過物理按鈕傳輸電信號給“中控”進行控制，但是老年人的大腦反應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)要大于手指的反應(yīng)速度，考慮到對于老年人設(shè)計的是物理按鈕控制存在安全隱患，而表面肌電信號則是通過采集老年人皮膚上傳輸出的生物電流來控制，這大大的降低了老年人操控機械外骨骼的困難和大大的提高了安全系數(shù)。因而我們設(shè)計的是表面肌電信號和物理電信號雙重結(jié)合的方式控制機械外骨骼 4.2.3 氣壓驅(qū)動及動力源的選擇 在設(shè)計之初曾考慮過三種驅(qū)動方式。

23、 1） 電動機 使用電動機控制機械外骨骼是相當(dāng)復(fù)雜的，況且這種機械外骨骼在實際使用中對電機和控制系統(tǒng)的要求都很高。由日本筑波大學(xué)山海嘉之（Yoshiyuki Sankai）教授開發(fā)的HAL*就是使用這類驅(qū)動控制方式的機械外骨。 2） 液壓 在看過洛克希德?馬丁公司推出的一款已經(jīng)用于實戰(zhàn)的機械外骨骼——人類負(fù)重外骨骼（簡稱HULC）的相關(guān)宣傳資料后發(fā)現(xiàn)，即使讓我們來仿制這套系統(tǒng)也很不現(xiàn)實，它涉及到的前沿科技太多了。 3） 氣壓 在仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，我們可以利用氣壓驅(qū)動來實現(xiàn)我們要求的“簡單”和“輕便”。 因此我們的設(shè)計目標(biāo)是盡可能的讓我們設(shè)計出的機械外骨骼更簡單和更輕便。在確定了使用

24、氣壓驅(qū)動方式來實現(xiàn)助力后，決定使用小型耐高壓容器儲存足夠多的壓縮空氣作為機械外骨動力源的方案。 這樣可以解決以往利用空壓機時效率不高產(chǎn)生的能源浪費。從而可以讓我們攜帶更輕便的電池，使我們設(shè)計的機械外骨更輕巧。 4.2.4 空氣驅(qū)動部件的確定 我們選用了費斯托（Festo）氣動肌腱，同一位置測定肌肉收縮和舒展時SEMG波形，可以看出肌肉收縮和舒展時SEMG波形幅值變化明顯，從相關(guān)資料可以知道肌肉收縮強弱正比于SEMG幅值大小。因此我們可以利用采集到的SEMG控制氣動肌腱內(nèi)部的氣壓來實現(xiàn)對力量的控制。 我們確定了一個控制方案： 1)已知SEMG的V（幅值）可以對應(yīng)設(shè)計計算出一個驅(qū)動氣動

25、肌腱的氣壓P。 2)當(dāng)探測到一個SEMG的V，就知道需要一個驅(qū)動氣動肌腱的氣壓P； 3)通過控制電磁閥，在測壓探頭的實時監(jiān)測下使氣壓達(dá)到P。 4)這種控制的優(yōu)點是：可以通過調(diào)節(jié)對肌電信號觸發(fā)幅值的臨界值，達(dá)到預(yù)知肌肉動作的目的，并提前于肌肉開始 運動，由于有機械和電路的延時現(xiàn)象，最終可以達(dá)到機器與人同時運動的效果。此外，通過調(diào)整“已知SEMG的V（幅值）可以對應(yīng)設(shè)計計算出一個驅(qū)動氣動肌腱的氣壓P可以方便的改變力量輸出比例。 5)無需要在助力的關(guān)節(jié)上安裝角度傳感器，因為這套助力系統(tǒng)僅僅是助力。關(guān)節(jié)彎曲在任意角度時只是有不同力的輸出，角度的感知完全取決于我們自身的反射弧。 6)氣動肌腱

26、的工作模式是一種拉伸執(zhí)行機構(gòu)，模仿肌腱運動。由收縮系統(tǒng)和相應(yīng)的連接件組成。收縮系統(tǒng)是由壓力密封橡膠軟管組成，外面包有一層高強度纖維。纖維為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，菱形編織。內(nèi)部有壓力時，軟管就會向外膨脹，就會在肌腱的縱向產(chǎn)生拉伸力和收縮運動。拉伸力與行程形成函數(shù)關(guān)系，可用拉伸力在開始收縮時達(dá)到最大值，隨后直線下降。 7)氣動肌腱的優(yōu)點是初始力和加速度高。初始力最高可到相同缸徑傳統(tǒng)氣缸的10倍。高動態(tài)響應(yīng)，即使在高負(fù)載下,依舊保持高動態(tài)響應(yīng)； 工作時無抖動。無移動機械部件相互接觸，超慢速移動時完全沒有抖動；定位簡單。使用最簡單的技術(shù)通過壓力控制，無需位移編碼器；氣密封結(jié)構(gòu)。隔離工作介質(zhì)和大氣，適合用于

27、粉塵和臟污環(huán)境，結(jié)果堅固，零泄漏。其缺點在于收縮率比較小，最大值可到30% 。 8)在輸入產(chǎn)生相同膜電流的條件下，依歐姆定律（I=U2／R或U＝電I2／R），膜電阻較大的小運動神經(jīng)元電壓相對較高，首先達(dá)到動作電位法制而興奮。大運動神經(jīng)元的膜電阻相對較小，只有傳入沖動（電流）較強時才可以達(dá)到興奮閥值。 4.3 機械外骨骼的機械運動部件的設(shè)計 在我所設(shè)計的下肢機械外骨骼的關(guān)節(jié)中，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的設(shè)計難度是最高的。 4.4.1 人體關(guān)節(jié)運動分析 機械外骨骼的運動學(xué)和人體的運動學(xué)相近，因此人體關(guān)節(jié)的運動范圍決定了機械外骨骼的關(guān)節(jié)運動范圍。下肢機械外骨骼的關(guān)節(jié)運動范圍至少要和人體活動時

28、關(guān)節(jié)范圍一致。為了安全，機器人的關(guān)節(jié)運動范圍一般要小于人體關(guān)節(jié)運動范圍的最大值。 參考人體各關(guān)節(jié)的運動角度，結(jié)合本設(shè)計的使用者是下肢需要康復(fù)的患者和各關(guān)節(jié)在行走狀態(tài)的最大值，具體數(shù)值見表4-4-1。 表 4-4-1　各關(guān)節(jié)的運動范圍（） 關(guān)節(jié)活動形式 人體活動最大值 機器人關(guān)節(jié)取值 人體關(guān)節(jié)活動最大值 髖關(guān)節(jié)向前伸展 32.2 45 119 髖關(guān)節(jié)向后伸展 -22.5 -30 -70 膝關(guān)節(jié)向前伸展 0 0 0 膝關(guān)節(jié)向后伸展 -73.5 -80 -136 肘關(guān)節(jié)向前伸展 22.5 45 120 肘關(guān)節(jié)向后伸展 -15 45 -12

29、0 肩關(guān)節(jié)向前伸展 0 0 0 肩關(guān)節(jié)向后伸展 -90 -135 -180 4.4.2 人體關(guān)節(jié)運動分析 從人體的骨杠桿示意圖上可以看出，人體的關(guān)節(jié)就是一個球面副，其屬于空間運動副，擁有３個自由度和很廣的運動范圍。并且這個球面副被人體組織深深包裹其中，我們需要想辦法讓機械外骨骼的關(guān)節(jié)擁有和人體關(guān)節(jié)一樣的自由度和運動范圍。 首先我們規(guī)定大腿前后擺動是繞著ｘ軸運動，大腿左右擺動是繞著ｙ軸運動，大腿內(nèi)旋和外旋是繞著ｚ軸運動。我們看出繞ｘ軸和繞ｙ軸的轉(zhuǎn)動副可以在人體以外，但繞ｚ軸運動的轉(zhuǎn)動副卻只能在人體內(nèi)，這當(dāng)然是不允許的。先劈開ｚ軸需要的轉(zhuǎn)動副不管，只分析如何可以實現(xiàn)ｘ

30、軸和ｙ軸的運動，我們發(fā)現(xiàn)這其實就是一個萬向節(jié)。最后再考慮ｚ軸的運動，我們創(chuàng)造性的使用了一個平面轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)就完美的解決了問題。 4.4.3 各關(guān)節(jié)運動學(xué)分析 人體下肢的靈活度很高，關(guān)節(jié)比較復(fù)雜。下肢運動關(guān)節(jié)主要包括髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)3個部分。髖關(guān)節(jié)是球窩關(guān)節(jié)，它的活動形式有3種，分別是向前伸展/向后伸展、側(cè)向內(nèi)轉(zhuǎn)/外展、和向內(nèi)外扭轉(zhuǎn)。膝關(guān)節(jié)有向前伸展/向后伸展和側(cè)向內(nèi)轉(zhuǎn)/外展兩種活動形式。下肢有4個自由度，想要設(shè)計出一個能夠完成下肢各個關(guān)節(jié)的康復(fù)運動的機器人非常難?？傮w結(jié)構(gòu)有兩條腿和一個減重機構(gòu)共5個自由度。 4.4.4 各關(guān)節(jié)運動學(xué)分析 本設(shè)計中，各個關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。滾動

31、軸承傳動有摩擦阻力小，功率消耗少，啟動容易等優(yōu)點，可以充分利用電機所作的功，減小機構(gòu)體積。 （1）膝關(guān)節(jié)的運動學(xué)分析 圖4-4-2-1所示為下肢膝關(guān)節(jié)的運動學(xué)模型示意圖。Ｌ2是大腿桿的一部分的長度，Ｌ1是絲杠端部安裝孔距關(guān)節(jié)中心水平方向上的的距離，L3是關(guān)節(jié)中心到絲杠中心的距離，L為絲杠的長度，θ為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過的角度。 圖4-4-2-1 膝關(guān)節(jié)機構(gòu)運動學(xué)模型 圖中L1=110，L2=402，L3=171，α=120，絲杠L的長度可由公式 (4-4-2-1) 算出。計算出的L的范圍為350—500，行程為150。 （2） 髖關(guān)節(jié)的運動學(xué)分析

32、 圖4-4-2-2所示為下肢髖關(guān)節(jié)的運動學(xué)模型示意圖。Ｌ2是大腿桿的一部分的長度，Ｌ1是絲杠端部安裝孔距關(guān)節(jié)中心水平方向上的的距離，L3是關(guān)節(jié)中心到絲杠中心的距離，L為絲杠的長度，θ為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過的角度。 　　其中Ｌ1=60，L2=340，L3=135，α=120，θ的范圍為－30— +45。絲杠L的長度可由公式(3-1)算出。計算出的L的范圍為350-450，行程為100。 圖4-4-2-2　髖關(guān)節(jié)機構(gòu)運動學(xué)模型 （3）關(guān)節(jié)力矩分析 由于本設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)部分的作的是低速運動，所以零件的選擇從靜力學(xué)角度分析和計算。 圖4-4-2-3　力矩分析示意圖 圖中： 、、―分別為

33、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，以軸正方向為初始位置，圖中所示角度的轉(zhuǎn)向為正向 、―分別為大腿和小腿的長度 、分別為大腿、小腿的質(zhì)心 、分別是大腿、小腿質(zhì)心到相應(yīng)關(guān)節(jié)的距離。 根據(jù)力矩方程 (4-4-2-3) 得到各關(guān)節(jié)的力矩方程分別為 (4-4-2-3)

34、 (4-4-2-3) 式中：m1,m2分別是各質(zhì)心處的質(zhì)量，包括人體和機械結(jié)構(gòu)總質(zhì)量。 在下面的計算過程中，力矩的計算式均是按式(4-4-2-3)的原理計算的，所不同的是，下面的計算均取的是極限位置，即各關(guān)節(jié)受到最大力矩的位置。 5 部分重要零件的設(shè)計與校核 5.1　軸承的選擇及校核 本設(shè)計中的軸承主要承受徑向力，所以選用深溝球軸承6000,它的徑向基本額定動載荷C=13.2kN，預(yù)期壽命L=15000小時。最大當(dāng)量動載荷P=600N，壽命指數(shù)ε=3，轉(zhuǎn)速n=60r/min,軸承基本額定壽命（單位為小時)為 （3-5）

35、所選軸承6000符合要求 5.2　連桿的計算與校核 大小腿內(nèi)外桿主要受到拉伸或壓縮作用。有材料力學(xué)可知，拉壓桿件，其強度條件為： （3-6） （3-7） 式中 ---材料許用應(yīng)力； A---最小截面積； N---所受載荷； ---材料強度應(yīng)力； nb---安全系數(shù)； 　　鋁合金ZAlCu5Mn(ZL201)的抗拉強度：295~335MPa

36、，nb=2，N≤600N。 　　由公式（3-6）、（3-7）可得A4，所設(shè)計的連桿的最小截面積都大于4，強度條件符合。 5.3　雙頭螺柱的校核 　　腰部可調(diào)結(jié)構(gòu)中的雙頭螺柱是腰部與外部框架鏈接的受力部分，主要受到軸向工作載荷F=600N，其拉伸強度條件為： （3-8） 其中=28，=250MPa，由公式（3-12）可得： 螺柱合格。 6 機械外骨骼材料的設(shè)計選擇 在機械外骨骼的設(shè)計中，機械外骨骼 7 做本課題時遇到的問題及解決方法 （1）模型設(shè)計

37、無從下手 解決方法：詢問老師、網(wǎng)絡(luò)查詢，既然是設(shè)計為人可以穿戴的物品，那就可以通過人體模型的偏置曲面來下手 （2）動力選擇 解決方法：通過查詢網(wǎng)絡(luò)上已有的成品進行比較選擇，最終確定下來 結(jié) 論 以機械外骨骼為設(shè)計對象，系統(tǒng)研究了數(shù)字化條件下零件的造型設(shè)計。將三維CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用于機械外骨骼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，全文著重就以下幾個方面展開了研究和討論： ① 高精度鋁制模型——機械外骨骼的設(shè)計與三維造型； ② 機械外骨骼的關(guān)鍵技術(shù)，包括設(shè)計過程中驅(qū)動部分和機械運動部分等； ③ 機械外骨骼的設(shè)計時考慮的材料選擇； ④ 部分重要零件的設(shè)計與校核。 本文結(jié)合CAD/C

38、AM中UG、Soildworks、AutoCAD等軟件，較詳細(xì)的分析了機械外骨骼的三維造型設(shè)計。 致 謝 這篇論文是在我的指導(dǎo)教師裘俊彥老師的精心指導(dǎo)下完成的。從論文的選題、設(shè)計到論文的寫作、修改和定稿，老師給了我很大幫助。老師的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度和對教學(xué)的敬業(yè)精神給了我極大的鼓舞。因此，首先向尊敬的裘老師表示感謝，使我在學(xué)校學(xué)到的專業(yè)知識很好的運用到工作實踐中來，我想對我以后的工作和學(xué)習(xí)意義一定有很大。 在畢業(yè)設(shè)計開始時，裘老師首先從設(shè)計題目的選擇上給了我很大幫助。當(dāng)我在設(shè)計過程中遇到疑難問題時，裘老師都能一一為我解答，并且及時糾正了我的錯誤，

39、使我能夠及時改正，在象棋盒的實物加工過程中，鐘老師在工藝方案、機床切削參數(shù)的設(shè)定等方面提出了很多的修改意見與指導(dǎo)性的建議，使我的設(shè)計作品能夠順利地完成實物的加工，并且驗證了設(shè)計、編程的正確性，在論文撰寫過程中，還要感謝我實習(xí)的工作單位——棟德精密機械有限公司的工程技術(shù)人員，對我工作中的幫助和論文撰寫中的相關(guān)技術(shù)的探討給予了很多的建議。在老師的悉心指導(dǎo)下，我順利地完成了畢業(yè)設(shè)計，在此表示衷心的感謝！在設(shè)計過程中，其他老師、同學(xué)和我的同事也都給了我許多幫助和支持，在此向他們表示感謝！ 最后，再次向所有給予我支持、幫助和鼓勵的老師和同學(xué)表示感謝，希望他們今后工作順利，天天開心!

40、 參考文獻參考文獻我需要什么，好像都是網(wǎng)上查的。。。 1、鄭英華編著，《cimatron E8.0數(shù)控編程加工編程一點通》。本書講解各個應(yīng)用模塊的操作功能，再根據(jù)具體實例講述各種加工應(yīng)用的思路 2、陳洪濤主編，《數(shù)控加工工藝與編程》。高等教育出版社，2002年本書較好地反映了國內(nèi)外有關(guān)數(shù)控加工工藝的新的發(fā)展和新成果，詳細(xì)介紹了數(shù)控編程的常用編程指令及其應(yīng)用。 3、李華編，《機械制造技術(shù)》。高等教育出版社，2006年，本書從對機械制造過程了解入手，以工件表面成形理論和金屬切削理論基礎(chǔ)為基礎(chǔ)，介紹各種加工方法的特點，應(yīng)用及相關(guān)的工藝裝備的選擇與使用；以零件機械加

41、工的精度構(gòu)成及實現(xiàn)為主線，介紹各種加工方法綜合應(yīng)用，構(gòu)成完整的機械加工工藝的方法，闡明機械加工工藝的設(shè)計原則。 4、李澄主編，《機械制圖》。高等教育出版社，2006年 和平面的投影，變換圖影面法，立體的投影，立體的表面交線、組合體的視圖及尺寸標(biāo)注，軸測圖機件的表達(dá)方法，標(biāo)準(zhǔn)件和常用件，零件圖，裝配圖，計算機繪圖的應(yīng)用。 5、夏鳳芳主編，《數(shù)控機床》。機械工業(yè)出版社，2006年，以金屬切削機床的基本知識為起點，在闡述數(shù)控車床的基本原理的基礎(chǔ)上，詳盡地介紹了數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)與功能，軸類零件的加工，數(shù)控車床的安裝調(diào)試以及保養(yǎng)維修等方面的常識。 6、 王衛(wèi)兵編著，《Cimatron

42、E》中文版數(shù)控編程入門與實例講解。本書重點講述了的數(shù)控銑削以及刻字講解編程，對每種操作都給出了詳細(xì)操作實例。 7、詹華西編，《數(shù)控加工與編程》。西安電子科技大學(xué)出版社，2004 年 數(shù)控加工與編程是以數(shù)控加工實用基礎(chǔ)，數(shù)控車床、銑床、加工中心的操作與編程，宏編程技術(shù)及其應(yīng)用，微機自動編程與應(yīng)用。熟練的掌握數(shù)控車床編程G代碼，編程原理，上機操作步驟和注意事項等。 8、袁哲俊主編，《金屬切削刀具》。上海科學(xué)技術(shù)出版社，1992年。 9、薛彥成主編，《公差配合一技術(shù)測量》。機械工業(yè)出版社，2006年，反映出公差配合和技術(shù)測量的最新理論和國家標(biāo)準(zhǔn)，掌握各種公差符號對零件的要求，如何減小測量

43、誤差，公差等級的配合。 10、龐建躍主編，《機械制造技術(shù)》。機械工業(yè)出版社，2008年，講述了傳統(tǒng)的制造技術(shù)，也介紹了先進的制造技術(shù)，數(shù)控機床、數(shù)控刀具、現(xiàn)代夾具和特種加工等內(nèi)容。 11、京玉海、羅麗萍主編，《機械制造基礎(chǔ)（上）》。清華大學(xué)出版社，2004年，主要闡述了工程材料的性能、結(jié)構(gòu)與結(jié)晶、改變性能的方法和常用工程材料的種類及其選擇，毛坯成型方法的工藝基礎(chǔ)、常用成型方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計和毛坯的選擇。 12、京玉海、羅海萍主編，《機械制造基礎(chǔ)（下）》。清華大學(xué)出版社，2004年，主要闡述零件加工方法的基礎(chǔ)知識、常用加工方法和零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 13、程美玲主編，《數(shù)控編程技能》。國防工業(yè)出

44、版社，2006年，主要對數(shù)控加工技術(shù)、數(shù)控加工編程基礎(chǔ)、數(shù)控加工工藝與數(shù)值計算、數(shù)控車床編程、數(shù)控銑床編程、加工中心編程、自動編程進行了較為詳細(xì)的講述。 14、鄭英華 何華妹 Cimatron E8.0數(shù)控編程加工入門一點通 北京：清華大學(xué)出版社 2007年10月 15、蔡娥 吳立軍 聶相虹Cimatron E8.0產(chǎn)品設(shè)計與數(shù)控編程實例解析 北京：清華大學(xué)出版社 2008年2月 16、王衛(wèi)兵 Cimatron E6.0數(shù)控編程實用教程 北京：清華大學(xué)出版社 2005年8月 附錄1: 機械外骨骼的設(shè)計與三維幾何建模過程圖 1. 使用UG軟件進行三維建模

45、 圖1-1 UG軟件界面圖 2. 在UG中新建文件 圖1-2 新建UG文件 3. 起始建模并創(chuàng)建初始三維實體 圖1-3 起始建模 圖1-4 命令查找器中查找“人體”，輸入人體模型 4. 人體模型調(diào)整 圖1-5 人體模型調(diào)整 5. 保存后重新導(dǎo)入 圖1-6 另存為STP文件，重新導(dǎo)入 6. 建立基準(zhǔn)平面 圖1-7 建立基準(zhǔn)平面 圖1-8 重新指定基準(zhǔn)CSYS 7. 對人體模型進行偏置曲面 圖1-9 偏執(zhí)曲面 圖1-10 導(dǎo)出人體骨架 圖1-11 替換為面

46、8. 通過人體骨架畫出主體軀干模型 圖1-12 建模并進行外觀設(shè)計 9. 對手臂部分進行設(shè)計 圖1-13 添加草圖基準(zhǔn) 圖1-14 建模并進行外觀設(shè)計 9. 對下肢部分進行設(shè)計 圖1-15 連接部位 圖1-16 建模并進行外觀設(shè)計  圖1-16 建立基準(zhǔn)面并進行建模設(shè)計 10. 最后修改 圖1-17 進行曲面縫合  圖1-18 進行曲面平度分析，相差較大的重新縫合 圖1-19 檢查幾何體 圖1-20 另存為STP通用格式 附錄2: 機械的零件圖 圖2-1

47、 足背-右 零件圖  圖2-2 足背-左 零件圖  圖2-3 肘-左 零件圖 圖2-4 肘-左 零件圖 圖2-5 手臂-下-左 零件圖  圖2-6 手臂-下-右 零件圖  圖2-7 手臂-上-左 零件圖  圖2-8 手臂-上-右 零件圖  圖2-9 髖部 零件圖  圖2-10 背部 零件圖  圖2-11 大腿-左 零件圖  圖2-12 大腿-右 零件圖  圖2-13 手-左 零件圖  圖2-14 手-右 零件圖  圖2-15 膝部-左 零件圖  圖2-16 膝部-右 零件圖  圖2-17 膝蓋-左 零件圖  圖2-18 膝蓋-右 零件圖  圖2-19 小腿-右 零件圖  圖2-20 小腿-左 零件圖  圖2-21 脛骨-左 零件圖  圖2-22 脛骨-左 零件圖 圖2-23 脛骨-左 零件圖  圖2-24 脛骨-左 零件圖  圖2-25 脛骨-左 零件圖 附錄3: 機械外骨骼的渲染效果圖 圖1：人體穿戴渲染圖 圖2：人體穿戴渲染圖