毕业设计机械外骨骼

2 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文 第 1 页 共 58 页 目目录录 目录 .1 1绪论 .3 1.1选题背景 3 1.1.1 仿生机械技术 .3 1.1.2 机械外骨骼 .3 1.1.3 三维设计技术 .3 1.2选题的来源和依据 4 1.3选题的目的和意义 5 1.3主要任务与内容 6 2总体设计方案 .7 3整体模型的设计与三维造型 .7 3.1机械外骨骼的设计与三维造型总体设计思路. 7 3.2机械外骨骼的设计与三维造型 8 3.2.1机械外骨骼“上肢”的设计与三维造型8 3.2.2机械外骨骼“下肢”的设计与三维造型8 3.2.3机械外骨骼“装配体” 的设计与三维造型8 3.2.4机械外骨骼的二维零件图设计 .9 4机械外骨骼的驱动 .9 4.1机械外骨骼的驱动总体思路 10 4.2机械外骨骼驱动的关键技术介绍 10 4.2.1表面肌电信号 .10 4.2.2表面肌电信号源和物理电信号源同时采用的原因10 4.2.3气压驱动及动力源的选择 .10 4.2.4空气驱动部件的确定 . 11 4.3机械外骨骼的机械运动部件的设计. 12 4.4.1人体关节运动分析 .12 4.4.2人体关节运动分析 .13 4.4.3各关节运动学分析 .13 4.4.4各关节运动学分析 .14 （1）膝关节的运动学分析 .14 （2） 髋关节的运动学分析 .14 5部分重要零件的设计与校核 .16 2 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文 第 2 页 共 58 页 5.1轴承的选择及校核 16 5.2连杆的计算与校核 16 5.3双头螺柱的校核 17 6机械外骨骼材料的设计选择 .17 7做本课题时遇到的问题及解决方法 .17 结论 .18 致谢 .19 参考文献 .20 附录 1 机械外骨骼的设计与三维几何建模过程图 . 22 附录 2 机械的零件图 . 33 . 50 附录 3 机械外骨骼的渲染效果图 . 58 2 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文 第 3 页 共 58 页 仿生机械的三维设计仿生机械的三维设计 机械外骨骼的设计机械外骨骼的设计 1 1绪论绪论 1.11.1选题背景选题背景 1.1.11.1.1 仿生机械技术仿生机械技术 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、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。 1.1.21.1.2 机械外骨骼机械外骨骼 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、额外的动 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。 1.1.31.1.3 三维设计技术三维设计技术 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 2 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文 第 4 页 共 58 页 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。 1.21.2选题的来源和依据选题的来源和依据 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 11.5，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， 来帮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，课题来源于科幻电影中经常 遇到的未来设计“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。 2 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文 第 5 页 共 58 页 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（Iron Man）中。但在 1690 年，通用电气公司就研制了一种名为“哈迪曼 1（Pitman） ” 的可佩戴单兵装备，但仅仅只能替代人的一只手。 2001 年，在美国高级研究计划局DARPA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。 DARPA 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