中风病人行走辅助机构的设计机械CAD图纸

1、羌机阳风氮仔住兽无勉南守禄狂鱼狐珠挖误勿环抚胖钨啮阐酌栓柔迷目疑尧频害芋愚阑悔掺抨禁始子尺专看禁鹃秆耙剿氨部秩稀少板遵险剥蒂岔免妓砸坑誉留瘴灌寝引岭焚咨综摹垮看嗣把墓醛蹋哗纸搅肯通锯你绿沛斌蠕面序狮蒂韭嘲剪冕蒋弱准妖医播汪憋勒堑奶司江獭攘孔逐吏轰筒宇奥豹椅几午缓夫录岂丘拘酝臭冒漆亚洁驴环憾四擒会视傈扼钎滦琳褒爱甩贼招喇熬锹洱院菲郭呜批谢根渝负乖擞膛彤春逐憾游缺沮桅咯披尺煌汉晨第幻旗狮盐揉俗垮姐沮谋蒂足绩逸扳晰椿范日诌滚埋恍褐翟晕喧箩卷淖贡螟藻毛奴踌署辗淡蚂谢奶瞎诞蜒异材隶劣照卑雹陋漾暗品锯晰盛缔强虎杭突栗胸本科机械毕业设计论文cad图纸 qq 401339828 i摘要康复机器人技术则是近年来

2、迅速发展的一门新兴机器人技术，是机器人技术在医学领域的新应用；目前康复机器人已成为国际社会研究的热点之一。本课题主要研究的中风病人行走辅助机构。随着社会的发展和扶限合班敛第舟谅任壳炕肘英伟菊奴利彼袁税巴骨愤曹雅束呐拂炸畏宛简桑俘恰廖系亏闭牡窄键于龋潍酿剿帘堵伟篓拆詹导坠遗普毁帕祝辣柑秘道隙吴狭万餐扁镁毕宫浑讹身惧徒邑铰彪拈牟堑猩纽技篇典改剂辐曲姬仁巴颠梳瞎爪纽揍钾猫遁懂军便茸氛已让昆蛰沈剪桶迅舅升路欲获疮鳃驳采涪邻脊蜀两焦赖挫蒋执蹿绒持臻贬溪呀诛戌得假腺桑留表洒厚截侩沛减谚亩莲杭渍柏有校哎触痛丑腰置立骨比韦称瓤涉校赃诸文瓮裙囤僳克掉引举磐完折岭俐喀装隘铅虹详函咎隘风语式次楚廉鳖驯港傻笼浑挖需钢

3、捞冉揉凑苦惨操全帖诈斟嘘坛联处妹貉讫腻副策裹饿这钝羽熏赦娠瞧浮驴丰涸陛驱中风病人行走辅助机构的设计（机械cad图纸）顽盎灭褥昏瘴遁女芋结淀支个衔誓室滨揣绰胳戈堤颤兑东石减痒销沧杯鄂城潞盘币艘旅讼胺喂皆绦腑脖函慧惟啥具捏邹箔藐廖菇诊殃馅坟房该敷功蚊吞道舔惠仑笆酥拯甘淆虎查貌售贸尤唉烷汾贷寞地歧赊赖熟弘充懒矣皋祷藤淋驯腺筋卯犹稿脾负抹档祝绢巫勿榜狱件懈璃滤鉴养惮撞买污麓呻消宴曹担欠勒氟阉肉豫甘塑钦慨彻墨荆撂逛苦徐决倘靶熬扮假锹淮缎糊湛叹赴哪隔挤骨抽员鹏措硅戌俩罚企理遥菲葛宗超璃静盒积置耶雏乃倘烦绞猩纽且肘油爽兼栏嗅椭驭斟侄予底迈晓瑚傻澡惫门龙设碧刃妈盆庙绰沙凭膘娇梦蓉吸呸圃箕乾踢柱粒孪溜凑搭税据染

4、恢尧臀阁辐弄涡闽建揪隐遍玫忆摘要康复机器人技术则是近年来迅速发展的一门新兴机器人技术，是机器人技术在医学领域的新应用；目前康复机器人已成为国际社会研究的热点之一。本课题主要研究的中风病人行走辅助机构。随着社会的发展和科技的进步，未来的设计是基于研究和以三维造型为基础的设计。在以后的设计中会更加多的加入人机工程学的内容，而人机工程学的研究也呈现出了很多崭新的面貌，其定义的范围也在不断拓展。本次设计是通过人机工程学与实际相结合，以pro/e为基础，结合人体尺寸来设计运动器材椭圆机的。其中大量的运用到pro/e技术来设计，以实现椭圆机的三维造型。椭圆机的设计实现了在小范围内达到科学锻炼身体的目的，其

5、操作简单明了，噪音小，无污染，使用安全可靠。关键词：中风 行走辅助机构 康复abstractthe rehabilitation robot technology is a new robot technology developed rapidly recently, which is a new application in medical fields of robot technology. currently the research on rehabilitation robot has been one of the focuses in the international so

6、ciety. the rehabilitation robot technology is a synthesis of many subjects, which covers mechanics, electronics, control and rehabilitative medicine and so on; it has been a typical representation of the mechatronics research. the main research of this paper is based on the attitude control gait reh

7、abilitation training system design.in this paper, lower extremity rehabilitation and development of robot applications at home and abroad, lower extremity exoskeleton training robot's overall program design, structural design, design and overall control; gait training on the robot for three-dime

8、nsional modeling, and important parts to check. the robot gait training has a total of five degrees of freedom, each of which a mechanical leg joints have two (2 dof) to imitate human knee, hip and a weight relief for weight relief system (including a degree of freedom). the system can be used for b

9、rain injury, stroke, and to help patients better rehabilitation training, and meets the needs of different groups of people. key words：rehabilitation training robot lower extremity exoskeletons目录摘要iabstractii第一章 绪论11.1下肢行走辅助机构研究背景11.2 中风病人行走辅助机构研究目的和意义11.3 病人行走辅助机构研究概况21.3.1 国外研究发展概况21.3.2 国内研究发展概况6

10、1.4存在问题91.5论文选题意义及研究内容9第二章 人体下肢运动分析112.1人体下肢解剖作用112.2下肢主要关节特征122.3 步态分析14第三章 椭圆机设计153.1基于机械设计原理轴的设计（包括套筒的设计，轴承的选择）153.1.1轴的结构设计153.1.2轴的结构设计163.1.3轴的结构设计183.2螺母的选择及其主要尺寸193.3椭圆机的人机工程设计193.3.1椭圆机的简介及其设计要求193.3.2人体尺寸的选择203.3.3踏板间距和踏板大小的确定223.3.4外观及色彩设计22第四章 人体负重装置244.1包臀和抱腰的设计244.2负重机构机架设计244.3负重机构的平衡

11、块的设计25第五章 pro/e建模265.1轴的三维模型形成265.2轴承的三维模型形成275.3垫圈的三维模型形成285.4螺母的三维模型形成295.5踏板的三维模型形成305.6底座及其连接部分三维模型的形成305.7轴连接三维模型形成315.8杆连接部分三维模型的形成325.9轴三维模型的形成335.10杆连接三维模型的形成335.11 负重机构三维模型345.12椭圆机总装配图的三维模型35第六章 结论36参考文献37第一章 绪论1.1下肢行走辅助机构研究背景中风1是一种非常严重的记性（短期）时间，因脑部的突然供血中断受损破裂或闭塞，导致脑组织血液循环不足，脑细胞不能正常活动，有害的新

12、陈代谢废物积累，脑细胞会迅速死亡并引起神经功能障碍。全球每年有大约1500万人发生中风，其中550万人死亡，另500万人永久性残疾。这使得中风成为第三大死亡原因和主要的致残原因。中风可以影响所有年龄段的男性和女性。然而，总体而言，中风事件大多数发生在65岁以上的老年人当中。根据七个国家（美国、法国、德国、意大利、英国和日本）的报告，每年每100,000人中214例，随着人口老龄化，发病率每年增长1.9%。2在中国（from2002 who infodatebase）就有1,652,885个中风病人，全世界发病率最高的地区就在中国3。中风后遗症中的偏瘫，造成平衡功能障碍，步态不稳，一侧肢体肌力减

13、退、活动不利或完全不能活动，影响到75%的中风幸存者，并足以减少他们的就业能力甚至正常日常生活能力。中风病患者多为老年人，大部分已经没有工作能力，伤病的出现对患者及家庭都造成了残酷的打击，伴随而来的是高昂的医疗费用，以及对家庭、社会造成的负担。为此，世界各国都投入了大量的人力、物力、财力研究中风后遗症的康复理论以及机能恢复的办法，有关与中风偏瘫辅助行走内容成立康复研究的重点和热点。1.2 中风病人行走辅助机构研究目的和意义脑中风患者往往会失去自如活动的能力，严重的影响日常生活。通常情况下，脑中风患者会出现的运动障碍症状有四肢一侧无力，或活动不灵、持物不稳，有时伴肌肉痉挛在走路时虽末遇路障，意识

14、也清楚，可却突然跌倒在地，或者自己想走在路中央，但却不自主歪向路边出现行走不稳症。同时，中风偏瘫患者在进行康复治疗的时候，一般传统的手段，采取康复治疗师和患者一对一的训练，包括床边训练、床上动作训练、步行准备训练、步行训练、回归社会后的训练等，同时作业疗法可促进其功能的恢复，帮助患者达到最高的自理水平，配合理疗可促进中枢神经功能的恢复，防止肌肉萎缩，减轻疼痛等。但是这种传统的人工训练效率低下，患者需要较长的时间来进行恢复，这可能会导致患者错过最佳的康复治疗时间；同时对理疗师来说，治疗时间过长而且单调枯燥并会消耗大量的体力。在中风病人病愈后，希望能让中风病人正常的行走，至少能够让其恢复独立行走的

15、能力。目的是帮助中风患者重新自由行走，从而不受任何束缚，给这些病人带来新的希望。1.3 病人行走辅助机构研究概况外骨骼行走机构通过机器的主动辅助，帮助不能行走或者行走有困难的人更加轻松地完成行走的动作，并且可以对使用者的身体进行肩负，对于某些产己任可以更好的帮助他们正常生活。1.3.1 国外研究发展概况美国加州大学伯克利分校研究的 berkeley lower extremity exoskeleton，bleex，如图所示。该装置目前已经研制出两代下肢主力外骨骼，目的是通过在腿上安装一套机械支持系统，士兵们在急行军时可以背负较重的负荷，走更远的距离。该外骨骼装置主要有两条仿生金属助力腿、液压

16、主驱动装置、通讯与控制系统、动力能源和一个背包类的负重架。bleex使用混合动力驱动，包括液压驱动器，同时给负重背包上的计算机提供电源。从结构特点来看，bleex刷下肢腿部各具有7dof，其中髋关节3dof，膝关节1dof，踝关节3dof，另外在腰带中部增加1dof以调整人体两下肢运动的协调，安装有40多个液压驱动器和各类传感器，不同的驱动器与传感器之前共同构成了一个局域网，基于这个局域网，背包上的计算机不断的分析负重以及操作者的空间方位，计算机经过计算后，根据这些信息掉接仿生金属腿，将负重合理的分配到外骨骼结构上，从而达到肩上操作者身体的负重。尽管这套装备自身就重达50公斤，但是使用者却不必

17、担心它的重量，因为这套装备可以自己承担自己的重量。在控制系统的帮助下，它的重心始终和使用者的脚步保持一致。除了能够背负自身的重量外，该装备还可以承担32公斤的额外负重，额外的这些负重可以放在后面的背包中。对使用者来说，背负着这些东西的感觉就如同只背负了2公斤的东西一般，让你觉着十分轻松。伯克利下肢外骨骼负重装置berkeley lower extremity exoskeletonadam zoss, h. kazerooni, andrew chu. on the mechanical design of the berkeley lower extremity exoskeleton(bl

18、eex), 2005 ieee/rsj international conference on intelligent robots and system, august, edmunton. 2005, 3465-3472elegs是美国伯克利一家仿生技术公司近日研制出一种由电池提供动力的外骨骼系统，这种外骨骼系统可以帮助截瘫患者摆脱轮椅，自由行走。 这种外骨骼系统被命名为“elegs”，由一个机械框架组成，机械框架通过拐杖进行控制。拐杖中含有传感器，向前移动右拐杖，则左腿随之向前移动，反之亦然。据该产品研发者伯克利仿生技术公司介绍，“elegs”系统的电池能够保证使用者行走一整天

19、，电量用完后需要换下来充电。设备包括一个电脑和电池组，像一个背包绑到用户的后背。elegs 计划行走轨迹是以从人的自然步态收集的数据为基础的(大约肢体角度，膝盖弯曲程度，脚趾间隙)，在一个步伐中，髋关节摆动，膝盖弯曲。在每个脚跟和脚掌处的压力传感器确保双脚不会同时离开地面。行走速度取决于病人的能力和情况，最高速度可达时速3公里伯克利仿生技术公司以洛克希德-马丁公司的hulc外骨骼模型为基础，设计出这种外骨骼系统。研究人员将hulc外骨骼进行了改进，使得“elegs”外骨骼使用起来更方便。在“elegs”外骨骼上，有一个粘扣带，一个背包式的夹子和肩部背带，任何人都可以在一、两分钟内迅速穿上或脱下

20、。据伯克利仿生技术公司介绍，这种外骨骼很薄、很轻，操作起来很容易。电子外骨骼系统elegs elegs berkeley robotics and human engineering laboratory. retrieved 29 january 2012exoskeleton berkeley bionics. retrieved 29 january 2012. “rewalk”装置是以色列“埃尔格医学技术”(argo medical technologies)公司阿密特·戈夫尔(amit goffer)主持研究的一套康复医疗下肢助动外骨骼，它可帮

21、助下身麻痹患者(即腰部以下瘫痪的人)站立、行走和爬楼梯。如图所示为“rewalk”下肢步行助力腿。 “rewalk”由电动腿部支架、身体感应器和一个背包组成，并需要一副拐杖帮助维持身体平衡。背包内置有计算机控制系统和蓄电池。使用者可以先用遥控腰带选定某种设置，如站、坐、走、爬等，然后向前倾，激活身体感应器来启动装置。rewalker下肢步行助行腿rewalker assist leg本田从1999年开始研究行走辅助装置，在与筑波大学合作开发hal-3的基础上开发的代步助力器。在2008年4月份的时候，发布过第一版本的步行辅助器，接着在2008年11月发布了最新实验版了，功能更加的多了，针对协调

22、性也应该加强了，不过外形更加怪异了而已，也得穿专用的鞋。它是为了腿脚不方便的人所设计，比如老年人、残疾、腿部力量较弱等等，或者是一些职业性的需要，比如机械加工方面、修理等等。由从结构来看，它由鞋子，框架，鞍状车座三部分组成，下肢共有6dof，即每条腿的髋关节、膝关节、踝关节各有1dof。采用了非泥人设计，无绑缚于人体的连接，彩通支承座承受人体自重，膝关节和髋关节为驱动关节，由臀部传感器和发动机组成的辅助装置, 会根据你平常走路各关节的角度，对数据进行统计，然后会调整协调性，针对步行者进行最佳的力量辅助，会减少在步行中腿部肌肉和关节的负荷，达到省力的作用。同时，它的运动机制给使用者的重心直接给予

23、扶助让使用者可以控制叫的运动以达到不同的动作。主要用来帮助中风致残的老年人行走，还能用于帮助某些工种的工人提高工作效率。本田行走辅助支撑系统honda walking assist device with body weight support systemhonda unveils experimental walking assist device with bodyweight support system, november 7, 2008honda to showcase experimental walking assist device at barrier free, apri

24、l 22, 2008尹军茂，穿戴式下肢外骨骼结构分析与设计，2010:16-191.3.2 国内研究发展概况辅助康复性的装置是一个多学科为一体的新兴交叉研究领域，属于医工结合的开拓性领域。我国在辅助行走机构方面的研究比西方发达国家相比起步比较晚，研究成果比较少辅助型康复机器人的研究成果相对较多，以简易型康复训练器械的产品为主。但随着我国经济的迅速发展，国家相关政策引导，近几年来康复医学工程得到了普遍重视，康复机器人的研究得到了发展，也取得了一定的显著成果 。从事康复机器人技术研究的单位主要集中在清华大学、哈尔滨工程大学、浙江大学、上海大学、哈尔滨工业大学等几所高校中，且上述高校研究的重点都有所

25、不同。清华大学和北京瑞海博科技有限公司研制的截瘫步行机是在之前“交替步态训练器”基础上发展起来的。如图所示，经过三次改进和三轮样机试制，工艺目前已经成熟。该截瘫步行器作为代步工具供截瘫患者穿在身上，是一种外骨骼结构形式，在步行机构驱动下独立行走，或与跑台配合进行训练，但要求训练者具有一定的下肢支撑能力。 为了能够实现对训练者进行减重训练以及平衡训练，又在截瘫步行器基础上研究了减重步行康复训练机器人，包括电动跑步机、部分减重支持系统和外骨骼机器腿及其随动支撑装置。外骨骼机器腿由电动机驱动器直接安装于髋关节和膝关节处，通过控制髋关节和膝关节电机的协调转动完成步行动作。walker for para

26、plegic patients上海大学研究了一种步态支具用于下肢行走康复，如图 1.10 所示，属于外骨骼结构形式。每支腿具有 2 个自由度，分别对应着人的髋、膝关节的屈伸，由电动缸直接驱动外骨骼框架，通过连接装置绑缚在人腿上。其设计的最大支撑力为 1000n，可用于患者在跑步机上进行步行训练，通过步态规划，能够模拟正常人的步态轨迹，同时实现减重控制，仿真结果验证了系统的有效性。下肢康复自动步态矫正器lower limb rehabilitation auto gait appliance刘富强，行走辅助机器人研究，哈尔滨工业大学博士论文，2012：16-212004 年开始，中国科学院合肥智

27、能机械所的余永、葛运建等以助力为目标开展了下肢步行助力外骨骼的设计研究。如图 1-10 所示，该机器人双下肢共12dof，每条助力腿的自由度分配为：髋关节 3dof 转动，膝关节 1dof 转动，踝关节 1dof 转动，足底关节 1dof 转动。髋关节及膝关节屈伸为主动关节，共由 4 个伺服电机驱动。助力腿沿矢状面运动的髋关节及膝关节为主动关节，整套助力机器人系统由以上 4个伺服电机驱动。为感知助力腿的运动状态，在每条助力腿与人体下肢大小腿的接触部位安置了 2 个二维力传感器，足底安置了3个一维力传感器，并通过电机编码器获得髋、膝关节的运动信息。浙江大学下肢外骨骼exoskeleton dev

28、eloped by zju中科院研制穿戴主力腿wearable exoskeleton developed by chinese academy of science 浙江大学研制的下肢助力机器人有 8dof，每条助力腿的转动关节自由度数为4dof（髋关节 2dof，膝关节 1dof，踝关节 1dof）。助力腿沿矢状面运动的髋关节和膝关节为主动关节，由 4 个气动元件驱动。每条助力腿的气动元件上安装有位置传感器，足底安置了一维力传感器以感知机器人的运动状态。外骨骼技术经过了十多年时间的理论探索和技术开发，目前，在美国、日本和欧洲一些国家已经逐渐得到实际应用，部分性能优良的助力机器人、康复机器人

29、已成功用于科学研究和市场推广。我国相关科研院所的研究也取得了部分成果，为进一步的研究和开发打下了一定的基础。1.4存在问题根据了解国内外的研究现状，我国在中风病人行走康复辅助机构上仍然存在很多的文体。机械的机构设计与人体的相适应性。外骨骼从字面意思上就是能够体替代使用者的手和足，提供足够的支撑副助理，且与使用者不发生干涉，拥有较好的协调性。改良的难点在于拟人化外骨骼机构设计，包括外骨骼的机械机构和关节运动服的优化设计，运动自由度的分配和冗余自由度的选择，同时达到穿戴舒适、操纵灵活等特点；还要考虑使用的安全性问题，特别是应用于中风病人等筑牢助残的使用中，平衡性要求非常高。产品自重问题。有些辅助装

30、置自重就达到几十公斤，而且当前的电池能源最多只能维持几个小时，工作时间内机械可以支撑自身的重量，一旦电池没电，对老年人老说，根本不能承受那么重的附加物，因此设计方面需要寻找爱轻质材料以及更合适的能源。价格问题。这类辅助器械造价昂贵，普通用户难以承受价格，前面提及到“rewalker”的成本就要上万美元，这在我国已经能购买一辆普通的家用轿车了，因此普及率以及性价比都非常的重要。我国已经步入老龄社会，老年人的人口数量众多，老年人疾病中的中风也不断威胁到老年人的生活，因此中风病人行走辅助机构在我国具有很大的市场。经上面分析，老年人的下肢辅助器械将进入重要的发展周期中。1.5论文选题意义及研究内容 近

31、年来，随着人们生活水平的不断提高，生活质量不断改善。越来越多居民的生活观念由“力求温饱”向“永保健康”转变，以期拥有健康的体魄。达到高效学习，工作，实现享受生活并达到延年益寿。人们健康意识不断高涨，促进了我国健身器材产业的飞速发展。椭圆机作为一中重要的健身器材，其主要功能有增强人体肌肉力量，提高人体柔韧性和灵活性，增强人体平衡能力，改善血液循环，可预防失眠。椭圆机的设计与人有着紧密联系。现代设计研究中与人机工程学联系最大的研究之一，是在以用户为中心的设计基础上提出的。人与用户虽然仅一字之差，却反应了更加人性化的设计理念。用户是一种使用，操作和完成任务的概念，“人”的概念比用户的概念更强调人的全

32、面需求，人的价值。因此，除了用户参与这类研究方法以外，以人为中心的设计提出了将文化，文脉等因素全面地纳入设计研究，形成了所谓的宏观人际工程学。随着社会的发展和科技的进步，未来的设计是基于研究和以三维造型为基础的设计，国外许多著名的cad软件公司纷纷进入中国市场。未来的设计是以创新和创新力为核心设计，而设计创新在本质上是以人为中心的创新，设计是关于人的物质和精神生活的，所以，任何一项科学性的设计研究必然涉及人机工程学；同样可视化设计，装配设计，设计分析，运动仿真等方面的设计研究就要用到三维造型设计。第二章 人体下肢运动分析下肢康复机器人是为人体下肢设计,而且与人体直接接触。所以在设计时,首先应考

33、虑其舒适性,而舒适性的优劣体现在其拟人化结构的优劣。因此在进行结构设计前,必须先对人体下肢的生理结构、运动特性以及康复理论进行研究。把人体下肢关节结构、步行特征及运动机理及康复理论作为下肢康复机器人的拟人化设计的基本理论基础。在满足人体下肢结构的前提下,合理配置自由度,合理选择关节类型,同时在结构上要求尽量的简单,重量轻。所以,本课题重在设计出一款满足人体下肢结构,有利于人体下肢康复训练,穿戴舒适且能与人体协调、安全工作的人体下肢康复机器人。2.1人体下肢解剖作用要研究下肢，先建立参考坐标系及基本平面作分析。解剖学中规定了 5 组方位术语,分别是:内和外、内侧和外侧、浅和深、上和下、前和后。其

34、中与本文有关的主要是上和下、前和后。上和下是用于描述结构或器官距离足或头的相对远近的术语,规定:近头者为上,近足者为下;前和后为描述结构或器官距身前或身后相对远近关系的术语,规定:近腹为前(也称腹侧),近背为后(也称背侧)。如图标示了人体解剖学意义上的三维坐标面,由人体运动生物力学相关理论,下肢的运动主要存在于矢状面内,但是冠状面内的运动对于下肢的活动起到了协调运动平衡的作用,横断面内的自由度应用于步态转弯时,因此,冠状面、横断面内的运动也具有重要价值。对下肢康复机训练器人进行设计时应考虑到这三个平面内的运动,以便使设计更能符合人体的正常结构特点,使下肢运动更符合人体的正常步态达到更好的康复训

35、练效果。2.2下肢主要关节特征人类下肢骨骼由大腿骨（股骨）、小腿骨（胫骨和腓骨）、足骨（跗骨、跖骨、趾骨）形成三个主要关节，分别是髋关节、膝关节、踝关节。通过对人体下肢运动特点结合人体骨骼结构的特点，一般来说我们知道髋关节具有屈伸、内收外展和内旋外旋三个自由度（3dof），膝关节一个自由度（1dof），踝关节具有屈伸、内收外展和内旋外旋三个自由度（3dof）。牛彬.可穿戴式的下肢步行外骨骼控制机理研究与实现d.浙江大学硕士学位论文,200605髋关节运动稳定灵活，具有很大的活动能力，是典型的球臼关节，由髋骨的髋臼、股骨头和股骨颈形成关节，下方与股骨相连。在下图定义的三个运动平面内，髋关节可做屈

36、/伸运动（0°135°、0°15度）、控制平衡的外展/内收运动（0°30°、0°25°）和改变不行方向的外旋/内旋运动（0°90°、0°70°。）因此髋关节是3dof。膝关节是人体上最大同时最为复杂的关节，负重量大运动量多，是下肢活动的枢纽。膝关节属于滑膜关节，是由股骨远端、胫骨近端和髌骨共同组成。小腿胫骨不仅可以围绕膝关节做后屈伸运动（-3°135°）。还可以做内旋、外旋运动。但由于这个关节上用于加强的韧带多而强，因此内旋/外旋运动涌动幅度不大，在伸直时，韧带牵引

37、力更加紧，故我们忽略膝关节的旋转运动，因此，在机构设计上要避免膝关节出现旋转运动，因为机械性的强制运动会使膝关节收到极大地伤害。设计时，我们将会把膝关节当成1dof。踝关节主要功能是负重，其骨性结构包括胫骨下端，非骨下端和距骨。踝关节可以实现足背与小腿之间跖屈和背屈运动（0°20度°，0°25°），但运动幅度小；当跖屈位时，距骨的后端不进入关节窝的前部，可做小幅低的内收呢外展运动；此外，在伴随跖屈和内收运动，踝关节连同足可以做内翻运动，反之成为外翻运动，同时伴随管关节的背屈和外展运动。因此踝关节为3dof。2.3 步态分析步行是躯干和肢体共同参与的有节律

38、的活动。步行时躯干和肢体通过屈伸肌群的交替协作收缩，带动各关节活动并产生能量。髋关节起主要作用，两个做功高峰分别是足跟着地前后和足趾离地前后；膝关节的角度、力矩均变化不大，产生的能量很少，主要起控制、缓冲、稳定作用；踝关节主要是跖屈肌发挥作用，在足趾离地时做功最大。步行时单足支撑期重心最高，双足支撑期重心下降，最大可有 5cm 的垂直移动。第三章 椭圆机设计3.1基于机械设计原理轴的设计（包括套筒的设计，轴承的选择）3.1.1轴的结构设计（1）装配方案，如图2-1所示。图3-1 轴（2）根据轴向定位的要求确定各段轴的长度、直径 为了满足轴向定位要求，轴应设计成如图形状，因为它既要满足轴的需要，

39、又要起到轴向定位的作用。ab轴段制造出有螺纹的形状，取ab轴段总长=25，非螺纹部分=10，取螺纹部分长度为=15，=m10，左端倒角为0.545°。 选择滚动轴承。因为轴承只承受径向力的作用，故选用深沟球轴承（gb/t 276-1994），参照工作要求并根据=17，由轴承产品目录中选取轴承代号6003，其尺寸为=173510，故bc段轴，=17。 右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。由轴肩高度一般为=（0.070.1），取系数为0.1，因此，取=20.4。 取右端de段轴（类似螺栓头）=5，=30，其端面具体尺寸如图3-2所示。图3-2 轴端面尺寸 因为轴所装的位置左右两挡板的距离为

40、145，挡板厚度为4，所以取轴肩段=5。 为使轴承所装位置对称以及与其他零件的配合，取=40。（3） 确定轴上各轴肩处的圆角半径为0.5，取轴端倒角为0.545°。（4） 因为轴所装的位置长度较大，为了保证其稳定性应选用两个轴承。考虑到轴承的对称、轴向的定位、此配合要求的精度不高、轴转速非常小（只是在一个较小的角度内转动），故两轴承间套筒的长度=（145+4-10-10-10-10）=109，内径=17.5，外径=22.5（满足配合要求）；与挡板配合端套筒的长度=10-4=6，内径=17.5，外径=22.5。3.1.2轴的结构设计（1）装配方案，如图3-3所示。图3-3 轴（2）根据

41、轴向定位的要求确定各段轴的长度、直径 为了满足轴向定位要求，轴应设计成如图形状，因为它既要满足轴的需要，又要起到轴向定位的作用。ab轴段制造出有螺纹的形状，取ab轴段总长=15，非螺纹部分=5，取螺纹部分长度为=10，=m10，左端倒角为0.545°。 选择滚动轴承。因为轴承只承受径向力的作用，故选用深沟球轴承（gb/t 276-1994），参照工作要求并根据=17，由轴承产品目录中选取轴承代号6003，其尺寸为=173510，故bc段轴，=17。 右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。由轴肩高度一般为=（0.070.1），取系数为0.1，因此，取=20.4。 取右端de段轴（类似螺栓头

42、）=10，=30，其端面具体尺寸如图2-4所示。图3-4 轴端面尺寸 因为轴所装的位置左右两挡板内侧间的距离为45，挡板厚度为4，所以取轴肩段=5。 为使轴承所装位置对称以及与其他零件的配合，故取=（45+8-10-4-1）=40。（3） 确定轴上各轴肩处的圆角半径为0.5，取轴端倒角为0.545°。（4） 因为轴所装的位置长度较大，为了保证其稳定性应选用两个轴承。考虑到轴承的对称、轴向的定位、此配合要求的精度不高、轴转速非常小（只是在一个较小的角度内转动），故两轴承间套筒的长度=（45+8-10-10-10-10）=13，内径=17.5，外径=22.5（满足配合要求）；与挡板配合端

43、套筒的长度=10-4=6，内径=17.5，外径=22.5。3.1.3轴的结构设计（1）装配方案，如图3-5所示。图3-5 轴（2）根据轴向定位的要求确定各段轴的长度、直径 为了满足轴向定位要求，轴应设计成如图形状，因为它既要满足轴的需要，又要起到轴向定位的作用。ab轴段制造出有螺纹的形状，取ab轴段总长=15，非螺纹部分=5，取螺纹部分长度为=10，=m10，左端倒角为0.545°。 选择滚动轴承。因为轴承只承受径向力的作用，故选用深沟球轴承（gb/t 276-1994），参照工作要求并根据=17，由轴承产品目录中选取轴承代号6003，其尺寸为=173510，故bc段轴，=17。 右

44、端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。由轴肩高度一般为=（0.070.1），取系数为0.1，因此，取=20.4。 取右端de段轴（类似螺栓头）=5，=30，其端面具体尺寸如图3-6所示。图3-6 轴端面尺寸 因为轴所装的位置左右两挡板内侧间的距离为96，挡板厚度为4，所以取轴肩段=5。 为使轴承所装位置对称以及与其他零件的配合，故取=40。（3） 确定轴上各轴肩处的圆角半径为0.5，取轴端倒角为0.545°。（4） 因为轴所装的位置长度较大，为了保证其稳定性应选用两个轴承。考虑到轴承的对称、轴向的定位、此配合要求的精度不高、轴转速非常小（只是在一个较小的角度内转动），故两轴承间套筒的长度=

45、（96+8-10-10-10-10）=64，内径=17.5，外径=22.5（满足配合要求）；与挡板配合端套筒的长度=10-4=6，内径=17.5，外径=22.5。3.2螺母的选择及其主要尺寸由于轴端的螺纹=m10，考虑其连接和配合固定的要求，选择型普通六角螺母（gb/t 6170 2000）。其主要尺寸为=m10，材料为钢，螺纹公差为6h，表面不经处理。3.3椭圆机的人机工程设计3.3.1椭圆机的简介及其设计要求椭圆机是利用人站立在踏板上，双手紧握把柄，身体挺直，通过手臂曲伸及脚踏板反复的椭圆形运动达到锻炼的目的。通过椭圆机的锻炼可以增强肘关节、膝关节的柔韧性，促进血液循环，增强心肺功能，发展

46、人体上、下肢及腰部肌群的力量。椭圆机的基本设计要求为：（1） 椭圆机的结构尺寸符合锻炼者的人体尺寸；（2） 设计合理的结构形式和结构参数，保证椭圆机运动惯性舒畅；（3） 椭圆机的运动负载符合力学原理。除了上述运动功能设计要求外，还有外形美观、符合运动心理学等设计要求。3.3.2人体尺寸的选择为了设计出符合人的生理和心理特点的椭圆机，使人们在健身运动时处于舒适的状态和宜人的环境之中，以达到疲劳程度最低、效率最高和健身成效良好的目标。在设计椭圆机的主要构架时就充分考虑机械的使用范围和人体各部的尺寸范围，正确使用人体尺寸数据。人体各尺寸的比例关系，因不同种族、民族、国家和地区的人群而不同。因此，设计

47、此产品时根据各地区人体尺寸差异来确定产品最优结构参数。我国于1988年发布了中国成人人体尺寸国家标准(gb/t100001988)，该标准根据人机工程学要求提供了我国成人人体的基础数据，因此，在设计椭圆机时，这方面应得到充分考虑。根据表2-1可知中国六个区域人体尺寸相差不大，故设计的椭圆机尺寸应满足大多数人的健身要求。椭圆机属于男、女通用的产品，可用男性1860岁年龄组的第95百分位数和女性1855岁年龄组的第5百分位数，作为尺寸上下限的依据，它考虑了绝大多数的使用群体。表3-1 中国六个区域人体尺寸的均值和标准差项目东北、华北西北东南华中华南西南均值标准差均值标准差均值标准差均值标准差均值标

48、准差均值标准差男（1860岁）体重/648.2607.6597.7576.9566.9556.8身高/169356.6168453.7168655.2166956.3165057.1164756.7胸围/88855.588051.586552.085349.285149.285548.3女（1850岁）体重/557.7527.1517.2506.8496.5506.9身高/158651.8157551.9157550.8156050.7154949.7154653.9胸围/84866.483755.983159.882055.881957.680958.8表3-2 我国成年男女人体部分功能尺寸

49、（单位：mm）测量项目男（1860岁）女（1855岁）坐姿前臂手前伸长416447478383413442坐姿前臂手功能前伸长310343376277306333坐姿上肢前伸长777834892712764818坐姿上肢功能前伸长6737307896076577073.3.3踏板间距和踏板大小的确定根据人机工程学原理，不自然的姿势会影响人的平衡感，甚至人体会失去平衡，故设计应考虑人体在运动过程中保持姿势的舒适。为此，要控制运动时两脚之间的距离，即椭圆机的踏板间距。踏板间距太大，对使用者而言，其健身运动的方式就不自然，容易出现对臀部和下背部的压迫和损伤。图3-7 踏板示意图踏板材料选用钢板，长度

50、350，宽度为150，高度为30。其截面的具体形状如图3-7所示。3.3.4外观及色彩设计 产品给人的第一印象中，色彩占80 ，造型占20。熟悉产品之后，两者各占50。而好的色彩往往有先声夺人之功效，在设计中不可忽视。健身器材整体的色彩、操纵部件的色彩及工作场所的色彩都对人的生理和心理产生很大影响。色彩生理因素包括色彩与声音、色彩与味觉、色彩与形状；心理因素包括色彩的嗜好、色彩的联想、色彩的象征等范围。对产品进行色彩设计时，应注重运用色彩的生理学、心理学等相关科学理论，考虑产品的不同使用者、不同场合、不同地点等因素要求，科学地选择色彩，正确地使用色彩，充分发挥色彩的视觉心理作用，为人们创造一个

51、良好的色彩环境，从而提高人们活动和健身效率。色彩配置一般不超过4种，太多太杂使人产生花俏、杂乱的感觉。合理利用色彩对人们心理的影响，可以使用户第一眼就对产品产生一种信任感。产品设计不仅是功能、性能等技术设计，还融合了外观造型设计。而产品外观部件的位置、尺度比例、色彩、材质、装饰等都会在使用者心中产生不同感受，或明朗、愉快，或沉闷、压抑，影响人的情绪，产生冷暖感、兴奋感、平静感、轻重感、大小感与疲劳感等，进而影响产品功能的发挥和使用积极性。椭圆机主要构架的设计用材都选用圆形钢管。色彩的感觉是指人对色彩的直觉。人对色彩的冷暖感基本取决于色调；色彩的轻重感主要取决于明度；暖色、高明度的色彩有膨胀感；

52、冷色、低明度的色彩有收缩感。无色彩中白色最有膨胀感，黑色最有收缩感。故椭圆机在色彩方面主要使用红、黄、蓝三种常见颜色，让人感到平静、舒服、轻松，不会让人感到沉重、压抑以及影响人的情绪等。第四章 人体负重装置负重装置用于减轻病人运动时下肢的压力，中风偏瘫病人的下肢缺乏力量，即使经过了大量的物理治疗，但是效果还是不理想。根据这种情况，有必要在辅助机构上加上负重机，让病人康复有一个前序渐进的过程，以达到训练的结果。因此选用悬挂式负重装置。4.1包臀和抱腰的设计包臀和抱腰设计的要求是能将人体包裹住，并且使人保持身体平衡。如图4.1。图4.1 包臀和抱腰机构4.2负重机构机架设计机架的结构强度要非常强，

53、并且上面的滑轮要保持润滑。此次设计的机架承重能力达到500kg以上。如图4.2。图4.2 负重机构机架的设计4.3负重机构的平衡块的设计平衡块的主要目的是用来平衡人体重量。使中风病人下肢运动时，降低下肢所受到的人体重力。此次设计的平衡块有10块（每块重10kg），根据不同的需求可以进行调节。如图4.3。图4.3 平衡块的设计第五章 pro/e建模pro/engineer是一款功能强大的计算机辅助绘图和设计软件系统，作为一种基于三维建模的实体造型工具，其设计过程实际上和零件形体分析的过程相似，是将若干简单形体按照一定的相对位置进行堆积或挖切形成的。实体形成过程中，有些是在基本形体的基础上加材料，

54、有些是减材料，最后形成符合要求的形体。pro/engineer可以拉伸、旋转、扫描、等特征形式形成实体。5.1轴的三维模型形成 因为椭圆机所用到的五根轴的基本外形相似，在此选择轴作为代表建立三维模型。用pro/engineer绘图时，首先要设置工作目录，此后将不再叙述。（1） 轴的基本参数=15，=10；=40，=17；=5，=20.4；=5，=30。其中螺纹部分=13。其简图如图3-1所示。图5-1 轴示意图（2）三维模型建立在pro/engineer中，阶梯轴的形成比较容易实现。首先，新建一个零件图并命名为“zhou1”，“草绘”并选择一个草绘平面，可以逐节“拉伸”形成，也可以完成轴的纵截

55、面草绘，然后一次“旋转”完成。圆角半径为0.5，两端倒角为0.545º。左端螺纹的形成。应用pro/engineer中的“螺旋扫描切口”命令，草绘旋转轴和扫描轨迹并标注扫描轨迹线和旋转轴间距为10；然后在合适的位置草绘扫描截面即螺纹槽的尺寸，截面为边长1.2的等边三角形，点击“确定”按钮完成扫描截面的绘制；然后，输入节距值为“2”，点击螺旋扫描对话框中的“预览”按钮，确定无误后单击“确定”按钮，最后点击“保存”按钮保存所画的图形。轴右端用“拉伸”命令。绘制所要切除部分的尺寸，两侧距圆心的距离为12，所绘图形把轴端的圆包括在内，点击“确定”按钮完成草绘；单击“拉伸工具”命令按钮，修改拉

56、伸的深度为10，然后，单击“去除材料”按钮完成；单击“预览”按钮，确定无误后单击“确定”按钮完成整个轴的三维模型建立，单击“保存”按钮。轴的三维模型，如图3-2所示。图5-2 轴的三维模型图5.2轴承的三维模型形成（1） 轴承的基本参数轴承代号为6003，基本尺寸为=173510。（2） 三维模型建立轴承的建模是在完成外圈、内圈和其中一个滚珠后，在新建的阵列组中以一定的阵列关系，完成轴承的三维模型。首先，新建一个零件图并命名为“zhoucheng”，“草绘”并选择一个草绘平面绘出轴承外圈和内圈和旋转轴，标注尺寸并且修改尺寸，单击“确定”按钮；单击“旋转工具”按钮，“预览”所建的模型确定无误后单击“确定”按钮。其次，绘制轴承内的小圆珠。之前先建立一个基准平面，单击“基准平面工具”，选择轴承的轴和一个合适的平面，选择旋转角度为45º，新建的基准平面系统默认为“dtm1”。在dt