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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 3 1.1.2 機械外骨骼 3 1.1.3 三維設計技術 3 1.2 選題的來源和依據 4 1.3 選題的目的和意義 5 1.3 主要任務與內容 6 2 總體設計方案 7 3 整體模型的設計與三維造型 7 3.1 機械外骨骼的設計與三維造型總體設計思路 7 3.2 機械外骨骼的設計與三維造型 8 3.2.1 機械外骨骼“上肢”的設計與三維造型 8 3.2.2 機械外骨骼“下肢”的設計與三維造型 8 3.2.3 機械外骨骼“裝配體” 的設計與三

2、維造型 8 3.2.4 機械外骨骼的二維零件圖設計 9 4 機械外骨骼的驅動 9 4.1 機械外骨骼的驅動總體思路： 10 4.2 機械外骨骼驅動的關鍵技術介紹 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 氣壓驅動及動力源的選擇 10 4.2.4 空氣驅動部件的確定 11 4.3 機械外骨骼的機械運動部件的設計 12 4.4.1 人體關節(jié)運動分析 12 4.4.2 人體關節(jié)運動分析 13 4.4.3 各關節(jié)運動學分析 13 4.4.4 各關節(jié)運動學分析 14 （1）膝關節(jié)的

3、運動學分析 14 （2） 髖關節(jié)的運動學分析 14 5 部分重要零件的設計與校核 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計選擇 17 7 做本課題時遇到的問題及解決方法 17 結 論 18 致 謝 19 參考文獻 20 附錄1: 機械外骨骼的設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 仿生機械的三維設計 　 ——機械外骨骼的設計 1 緒論

4、1.1 選題背景 1.1.1 仿生機械技術 模仿生物的形態(tài)、結構和控制原理設計制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的機械。研究仿生機械的學科稱為仿生機械學，它是20世紀60年代末期由生物學、生物力學、醫(yī)學、機械工程、控制論和電子技術等學科相互滲透、結合而形成的一門邊緣學科。 仿生機械研究的主要領域有生物力學、控制體和機器人。把生物系統(tǒng)中可能應用的優(yōu)越結構和物理學的特性結合使用，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)、結構和控制原理設計制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的機械。研究仿生機械的學科稱為仿生機械學，它是20世紀60年代

5、末期由生物學、生物力學、醫(yī)學、機械工程、控制論和電子技術等學科相互滲透、結合而形成的一門邊緣學科。 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)境具有高度的適應性。它們的感知、決策、指令、反饋、運動等機能和器官結構遠比人類所曾經制造的機械更為完善。 1.1.2 機械外骨骼 機械外骨骼，其結構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 三維設計技術 三維設計是建立在平面和二維設計的基礎上，讓設計目標更立體化，更形象化的一種新興設計方法，是新一代數字化、虛擬化、智能化設計的基礎平臺，在當前制造業(yè)全球化協(xié)作分工的大背景下，三維技術普及化是必然的趨勢，三維設計技術在我國企業(yè)、院校得到廣泛、深入地應用。 計算機輔助設計（CAD）技術近年來發(fā)展迅猛，是當前網絡信息時代的核心技術之一，三維設計技術不僅僅是代替手工繪圖的一種工具，而且包含了產品的方案決策、結構設計等，使用三維設計技術更能反映實際產品的設計構造及制造過程，由于這項技術優(yōu)勢明顯，世界多國制造企業(yè)都非常重視三維設

7、計技術的應用，在歐洲、北美、日本等發(fā)達國家和地區(qū)，三維CAD技術不僅在航空、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計和制造中都得到了廣泛應用。 1.2 選題的來源和依據 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，據聯(lián)合國預測，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%，世界老齡人口占總人口的比重從1995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”結構。這樣在生活中就經常會遇到“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量。 為了提高綜合應用所學專業(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常遇到的未來設計——“機械外骨骼”，指導老師們希望我們通過團隊合作，充分利用三維設計的特點，設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、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的目標是為戰(zhàn)士們設計一種可穿戴的機器外甲，能讓士兵在雙倍負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。 目前的實驗結果顯示它正在一步步地接近DARPA的目標。XOS使用壓力感應器來感知使用者的動作意圖。安裝在手或腳上的感應器以讀取壓力數據，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動的機械裝備做出相應的運動。穿著XOS的實驗者曾經連續(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“人類負重外骨骼”（The Human Universal Load Carrier簡稱HULC）。HULC系統(tǒng)的最大負重量可以達到90.7千克。 HULC是一種模仿人體結構特點設計的外穿型機械骨骼，內部配備有液壓傳動裝置和可像關節(jié)一樣彎曲的結構設計，不但能夠直立行進，還可完成下蹲和匍匐等多種相對復雜的動作。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的沖刺速度則可達到16公里/小時。 相比之下國內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。在可預見的未來這項技術將改變我們的生活。 我的設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)設計的選題應充分體現(xiàn)所學專業(yè)的所在工作崗位，結合生活實際、生產實際等方面來選題，結合所學專業(yè)知識，反映專業(yè)知識的掌握情況；通過完成本次畢業(yè)設計，以提高自身的三維設計

13、、二維設計的技術能力，以及分析解決實際生產中有關的各類問題的能力。 通過畢業(yè)設計應達到以下目的：第一，所學專業(yè)知識的綜合應用與融會貫通；第二，鍛煉獨立工作能力、學習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和獨立解決生產問題的能力。 ◆ 意義 本文以“機械外骨骼”的設計為實例，系統(tǒng)地掌握機械類小型機器的設計思路及設計步驟，以體現(xiàn)本專業(yè)的基本知識、基本技能的綜合應用。同時系統(tǒng)研究了數字化條件下零件的造型設計、機械加工工藝的基本內容、實現(xiàn)途徑及相關技術。希望設計的“機械外骨骼”不僅僅能滿足一般工藝設備的要求，同時也能滿足機械制造裝備應具備的功能，符合工業(yè)工程的要求。 此

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

15、全套零件的二維圖設計和三維造型圖。 （5）制定機械外骨骼中重要零件的機械加工工藝規(guī)程。 （6）編寫設計說明書等，完成全套畢業(yè)設計資料 ◆ 主要內容 （1）機械外骨骼的總體設計思路及設計方案。 （2）機械外骨骼的三維造型與設計。 （3）相關設計的數據計算。 （4）機械外骨骼的總裝配圖、零件三維圖、零件二維圖的設計。 （5）機械外骨骼中重要零件的機械加工工藝規(guī)程設計。 2 總體設計方案 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。利用高壓氣瓶內的壓縮空氣驅動機械外骨骼,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。 （本設計只參考成年男性體形，女性體形不在本次設計的考慮之內） （2） 驅動部分設計的是高壓氣瓶內的壓縮空氣，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的造型設計，最終完成一套完整的高精度模型——“機械戰(zhàn)甲”的設計。 3 整體模型的設計與三維造型 3.1 機械外骨骼的設計與三維造型總體設計思路 機械外骨骼的設計與三維造型思路：

17、 （1）根據實際人體大致確定模型大小（正常成年人體形為175CM、體重為70Kg） （2）根據人體模型的大小來設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 機械外骨骼的設計與三維造型 3.2.1 機械外骨骼“上肢”的設計與三維造型 機械外骨骼“上肢”的設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 → 調整站姿 →

18、 建基準面 → 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：“機械外骨骼的設計與三維建模過程圖”。 3.2.2 機械外骨骼“下肢”的設計與三維造型 機械外骨骼“下肢”的設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 → 調整站姿 → 建基準面→ 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：“機械外骨骼的設計與三維建模過程圖”。 3.2.3 機械外骨骼“裝配體” 的設計與三維造型 機械外骨骼的上肢和下肢的裝配設計過程與三維造型過程，設計的事自底向上的裝配方式。 設計路線圖為：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換成2D格式，文件—導出—2D轉換，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 機械外骨骼的驅動 4.1 機械外骨骼的驅動總體思路： 在設計機械外骨骼時格外考慮它的能源利用效率，來達到長效使用的目的，使它在現(xiàn)有的儲能技術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，利用電動機直接驅動或者使用壓縮機轉化為氣壓或者液壓驅動；在機械外骨骼的控制方式選取上，設計的事表面肌電信號（SEMG，即淺層肌肉肌電信號和神經干上電活動在皮膚表面的綜合效應）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，選擇的還是氣壓驅動。 4.2 機械外骨骼驅動的關鍵技術介紹 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速度遠遠要大于手指的反應速度，考慮到對于老年人設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。因而我們設計的是表面肌電信號和物理電信號雙重結合的方式控制機械外骨骼 4.2.3 氣壓驅動及動力源的選擇 在設計之初曾考慮過三種驅動方式。

23、 1） 電動機 使用電動機控制機械外骨骼是相當復雜的，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。由日本筑波大學山海嘉之（Yoshiyuki Sankai）教授開發(fā)的HAL*就是使用這類驅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用于實戰(zhàn)的機械外骨骼——人類負重外骨骼（簡稱HULC）的相關宣傳資料后發(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 在仔細分析后發(fā)現(xiàn)，我們可以利用氣壓驅動來實現(xiàn)我們要求的“簡單”和“輕便”。 因此我們的設計目標是盡可能的讓我們設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，使我們設計的機械外骨更輕巧。 4.2.4 空氣驅動部件的確定 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）可以對應設計計算出一個驅動氣動

25、肌腱的氣壓P。 2)當探測到一個SEMG的V，就知道需要一個驅動氣動肌腱的氣壓P； 3)通過控制電磁閥，在測壓探頭的實時監(jiān)測下使氣壓達到P。 4)這種控制的優(yōu)點是：可以通過調節(jié)對肌電信號觸發(fā)幅值的臨界值，達到預知肌肉動作的目的，并提前于肌肉開始 運動，由于有機械和電路的延時現(xiàn)象，最終可以達到機器與人同時運動的效果。此外，通過調整“已知SEMG的V（幅值）可以對應設計計算出一個驅動氣動肌腱的氣壓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，模仿肌腱運動。由收縮系統(tǒng)和相應的連接件組成。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。纖維為三維網狀結構，菱形編織。內部有壓力時，軟管就會向外膨脹，就會在肌腱的縱向產生拉伸力和收縮運動。拉伸力與行程形成函數關系，可用拉伸力在開始收縮時達到最大值，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，即使在高負載下,依舊保持高動態(tài)響應； 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。使用最簡單的技術通過壓力控制，無需位移編碼器；氣密封結構。隔離工作介質和大氣，適合用于

27、粉塵和臟污環(huán)境，結果堅固，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元電壓相對較高，首先達到動作電位法制而興奮。大運動神經元的膜電阻相對較小，只有傳入沖動（電流）較強時才可以達到興奮閥值。 4.3 機械外骨骼的機械運動部件的設計 在我所設計的下肢機械外骨骼的關節(jié)中，髖關節(jié)和膝關節(jié)的設計難度是最高的。 4.4.1 人體關節(jié)運動分析 機械外骨骼的運動學和人體的運動學相近，因此人體關節(jié)的運動范圍決定了機械外骨骼的關節(jié)運動范圍。下肢機械外骨骼的關節(jié)運動范圍至少要和人體活動時

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

29、0 肩關節(jié)向前伸展 0 0 0 肩關節(jié)向后伸展 -90 -135 -180 4.4.2 人體關節(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節(jié)擁有和人體關節(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，大腿內旋和外旋是繞著ｚ軸運動。我們看出繞ｘ軸和繞ｙ軸的轉動副可以在人體以外，但繞ｚ軸運動的轉動副卻只能在人體內，這當然是不允許的。先劈開ｚ軸需要的轉動副不管，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動結構就完美的解決了問題。 4.4.3 各關節(jié)運動學分析 人體下肢的靈活度很高，關節(jié)比較復雜。下肢運動關節(jié)主要包括髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)3個部分。髖關節(jié)是球窩關節(jié)，它的活動形式有3種，分別是向前伸展/向后伸展、側向內轉/外展、和向內外扭轉。膝關節(jié)有向前伸展/向后伸展和側向內轉/外展兩種活動形式。下肢有4個自由度，想要設計出一個能夠完成下肢各個關節(jié)的康復運動的機器人非常難?？傮w結構有兩條腿和一個減重機構共5個自由度。 4.4.4 各關節(jié)運動學分析 本設計中，各個關節(jié)均為旋轉關節(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，減小機構體積。 （1）膝關節(jié)的運動學分析 圖4-4-2-1所示為下肢膝關節(jié)的運動學模型示意圖。Ｌ2是大腿桿的一部分的長度，Ｌ1是絲杠端部安裝孔距關節(jié)中心水平方向上的的距離，L3是關節(jié)中心到絲杠中心的距離，L為絲杠的長度，θ為關節(jié)轉過的角度。 圖4-4-2-1 膝關節(jié)機構運動學模型 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） 髖關節(jié)的運動學分析

32、 圖4-4-2-2所示為下肢髖關節(jié)的運動學模型示意圖。Ｌ2是大腿桿的一部分的長度，Ｌ1是絲杠端部安裝孔距關節(jié)中心水平方向上的的距離，L3是關節(jié)中心到絲杠中心的距離，L為絲杠的長度，θ為關節(jié)轉過的角度。 　　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　髖關節(jié)機構運動學模型 （3）關節(jié)力矩分析 由于本設計的機械結構部分的作的是低速運動，所以零件的選擇從靜力學角度分析和計算。 圖4-4-2-3　力矩分析示意圖 圖中： 、、―分別為

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

34、 (4-4-2-3) 式中：m1,m2分別是各質心處的質量，包括人體和機械結構總質量。 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，即各關節(jié)受到最大力矩的位置。 5 部分重要零件的設計與校核 5.1　軸承的選擇及校核 本設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，預期壽命L=15000小時。最大當量動載荷P=600N，壽命指數ε=3，轉速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 大小腿內外桿主要受到拉伸或壓縮作用。有材料力學可知，拉壓桿件，其強度條件為： （3-6） （3-7） 式中 ---材料許用應力； A---最小截面積； N---所受載荷； ---材料強度應力； nb---安全系數； 　　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 　　腰部可調結構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計選擇 在機械外骨骼的設計中，機械外骨骼 7 做本課題時遇到的問題及解決方法 （1）模型設計

37、無從下手 解決方法：詢問老師、網絡查詢，既然是設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：通過查詢網絡上已有的成品進行比較選擇，最終確定下來 結 論 以機械外骨骼為設計對象，系統(tǒng)研究了數字化條件下零件的造型設計。將三維CAD/CAM技術應用于機械外骨骼產品結構設計，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——機械外骨骼的設計與三維造型； ② 機械外骨骼的關鍵技術，包括設計過程中驅動部分和機械運動部分等； ③ 機械外骨骼的設計時考慮的材料選擇； ④ 部分重要零件的設計與校核。 本文結合CAD/C

38、AM中UG、Soildworks、AutoCAD等軟件，較詳細的分析了機械外骨骼的三維造型設計。 致 謝 這篇論文是在我的指導教師裘俊彥老師的精心指導下完成的。從論文的選題、設計到論文的寫作、修改和定稿，老師給了我很大幫助。老師的嚴謹治學態(tài)度和對教學的敬業(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，使我在學校學到的專業(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習意義一定有很大。 在畢業(yè)設計開始時，裘老師首先從設計題目的選擇上給了我很大幫助。當我在設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、機床切削參數的設定等方面提出了很多的修改意見與指導性的建議，使我的設計作品能夠順利地完成實物的加工，并且驗證了設計、編程的正確性，在論文撰寫過程中，還要感謝我實習的工作單位——棟德精密機械有限公司的工程技術人員，對我工作中的幫助和論文撰寫中的相關技術的探討給予了很多的建議。在老師的悉心指導下，我順利地完成了畢業(yè)設計，在此表示衷心的感謝！在設計過程中，其他老師、同學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，好像都是網上查的。。。 1、鄭英華編著，《cimatron E8.0數控編程加工編程一點通》。本書講解各個應用模塊的操作功能，再根據具體實例講述各種加工應用的思路 2、陳洪濤主編，《數控加工工藝與編程》。高等教育出版社，2002年本書較好地反映了國內外有關數控加工工藝的新的發(fā)展和新成果，詳細介紹了數控編程的常用編程指令及其應用。 3、李華編，《機械制造技術》。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為基礎，介紹各種加工方法的特點，應用及相關的工藝裝備的選擇與使用；以零件機械加

41、工的精度構成及實現(xiàn)為主線，介紹各種加工方法綜合應用，構成完整的機械加工工藝的方法，闡明機械加工工藝的設計原則。 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注，軸測圖機件的表達方法，標準件和常用件，零件圖，裝配圖，計算機繪圖的應用。 5、夏鳳芳主編，《數控機床》。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，在闡述數控車床的基本原理的基礎上，詳盡地介紹了數控車床的結構與功能，軸類零件的加工，數控車床的安裝調試以及保養(yǎng)維修等方面的常識。 6、 王衛(wèi)兵編著，《Cimatron

42、E》中文版數控編程入門與實例講解。本書重點講述了的數控銑削以及刻字講解編程，對每種操作都給出了詳細操作實例。 7、詹華西編，《數控加工與編程》。西安電子科技大學出版社，2004 年 數控加工與編程是以數控加工實用基礎，數控車床、銑床、加工中心的操作與編程，宏編程技術及其應用，微機自動編程與應用。熟練的掌握數控車床編程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?？茖W技術出版社，1992年。 9、薛彥成主編，《公差配合一技術測量》。機械工業(yè)出版社，2006年，反映出公差配合和技術測量的最新理論和國家標準，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》。機械工業(yè)出版社，2008年，講述了傳統(tǒng)的制造技術，也介紹了先進的制造技術，數控機床、數控刀具、現(xiàn)代夾具和特種加工等內容。 11、京玉海、羅麗萍主編，《機械制造基礎（上）》。清華大學出版社，2004年，主要闡述了工程材料的性能、結構與結晶、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、常用成型方法、結構設計和毛坯的選擇。 12、京玉海、羅海萍主編，《機械制造基礎（下）》。清華大學出版社，2004年，主要闡述零件加工方法的基礎知識、常用加工方法和零件的結構設計。 13、程美玲主編，《數控編程技能》。國防工業(yè)出

44、版社，2006年，主要對數控加工技術、數控加工編程基礎、數控加工工藝與數值計算、數控車床編程、數控銑床編程、加工中心編程、自動編程進行了較為詳細的講述。 14、鄭英華 何華妹 Cimatron E8.0數控編程加工入門一點通 北京：清華大學出版社 2007年10月 15、蔡娥 吳立軍 聶相虹Cimatron E8.0產品設計與數控編程實例解析 北京：清華大學出版社 2008年2月 16、王衛(wèi)兵 Cimatron E6.0數控編程實用教程 北京：清華大學出版社 2005年8月 附錄1: 機械外骨骼的設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. 人體模型調整 圖1-5 人體模型調整 5. 保存后重新導入 圖1-6 另存為STP文件，重新導入 6. 建立基準平面 圖1-7 建立基準平面 圖1-8 重新指定基準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 建模并進行外觀設計 9. 對手臂部分進行設計 圖1-13 添加草圖基準 圖1-14 建模并進行外觀設計 9. 對下肢部分進行設計 圖1-15 連接部位 圖1-16 建模并進行外觀設計  圖1-16 建立基準面并進行建模設計 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