毕业设计机械外骨骼

1、2 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文第 1 页 共 58 页目录 HYPERLINK l _TOC_250009 目录1绪论3 HYPERLINK l _TOC_250008 选题背景3仿生机械技术3机械外骨骼3三维设计技术3 HYPERLINK l _TOC_250007 选题的来源和依据4选题的目的和意义51.3主要任务与内容6总体设计方案7 HYPERLINK l _TOC_250006 整体模型的设计与三维造型7 HYPERLINK l _TOC_250005 机械外骨骼的设计与三维造型总体设计思路7 HYPERLINK l _TOC_250004 机械外骨骼的设计与三维造型8机

2、械外骨骼 “上肢 ”的设计与三维造型8机械外骨骼“下肢”的设计与三维造型8机械外骨骼“装配体”的设计与三维造型8机械外骨骼的二维零件图设计9 HYPERLINK l _TOC_250003 机械外骨骼的驱动9 HYPERLINK l _TOC_250002 机械外骨骼的驱动总体思路：10 HYPERLINK l _TOC_250001 机械外骨骼驱动的关键技术介绍10表面肌电信号10表面肌电信号源和物理电信号源同时采用的原因10气压驱动及动力源的选择10空气驱动部件的确定11 HYPERLINK l _TOC_250000 机械外骨骼的机械运动部件的设计124.4.1人体关节运动分析.124.

3、4.2人体关节运动分析.134.4.3各关节运动学分析.134.4.4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部分重要零件的设计与校核16结论 .18致谢 .192 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文第 2 页 共 58 页轴承的选择及校核16连杆的计算与校核16双头螺柱的校核176机械外骨骼材料的设计选择.177做本课题时遇到的问题及解决方法. 17参考文献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582 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文第 3 页 共

4、 58 页仿生机械的三维设计机械外骨骼的设计1绪论选题背景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

5、，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。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，

6、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。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

7、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。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%，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%，

8、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

9、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（

10、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 Sarcos公司的 XOS 雀屏中选， 进入了最后的研究阶段。

11、目前的实验结果显示它正在一步步地接近DARPA 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 （ Lockheed Martin）开发的“人类负重外骨骼”（ The Human Universal Load Carrier 简称 HULC ）。HULC 系统的最大负重量可以达到 90.7千克。HUL

12、C 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。HULC 动力源为两块总重量 3.6 千克的锂聚合物电池。在一次充满电后， 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 HULC 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

13、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2 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文第 6 页 共 58 页来选题，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，

14、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

15、CAD/CAM技术。1.3 主要任务与内容主要任务）课题调研以及资料的查阅；与老师探讨课题实施计划。）撰写开题报告。）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。）机械外骨骼中全套零件的二维图设计和三维造型图。）制定机械外骨骼中重要零件的机械加工工艺规程。）编写设计说明书等，完成全套毕业设计资料主要内容2 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文第 7 页 共 58 页）机械外骨骼的总体设计思路及设计方案。）机械外骨骼的三维造型与设计。）相关设计的数据计算。）机械外骨骼的总装配图、零件三维图、零件二维图的设计。）机械外骨骼中重要零件的机械加工工艺规程设计。2

16、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 （SEMG）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：） 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） 驱动部分设计的是高压气瓶内的压缩空气，使用用采集人体表面肌电信号 （SEMG）的方式和物理按钮来控制机械外骨骼的运动。） 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。） 利用 UG和 Soildworks的造型设计，最终

17、完成一套完整的高精度模型“机械战甲”的设计。整体模型的设计与三维造型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：）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）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。2 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文第 8 页 共 58 页）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。机械外骨骼的设计与三维造型机械外骨骼“上肢”的设计与三维造型

18、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 新建文件 起始建模并人体模型调整站姿建基准面 偏置曲线画出外形草图 拉升求差得到上肢偏置曲面 拉升求差得到上肢细节的偏置曲面 隐藏草图曲线得出机械外骨骼“上肢”实体。具体步骤见附录：“机械外骨骼的设计与三维建模过程图” 。机械外骨骼“下肢”的设计与三维造型机械外骨骼“下肢”的设计过程与三维造型路线图为：打开 UG 界面 新建文件 起始建模并人体模型调整站姿建基准面 偏置曲线画出外形草图 拉升求差得到下肢偏置曲面 拉升求差得到下肢细节的偏置曲面 隐藏草图曲线得出机械外骨骼“下肢”实体。具体步骤见附录 1：“机械外骨骼的设计与三维建

19、模过程图” 。机械外骨骼“装配体”的设计与三维造型机械外骨骼的上肢和下肢的装配设计过程与三维造型过程，设计的事自底向上的装配方式。设计路线图为：打开 UG 界面 新建文件 选择“装配”选项 引进机械外骨骼“上肢”各部件 引进象棋盒“下肢”各部件 机械外骨骼“上肢”、“下肢” 进行配对装配 得出“机械外骨骼”装配体；具体见附录 1：“象棋盒的设计与三维建模过程图” ，2 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文第 9 页 共 58 页图 3-2-3机械外骨骼“装配体”的三维造型图机械外骨骼的二维零件图设计先用 UG 软件打开机械外骨骼零件装配图，在“起始”菜单下打开“制图”选项，根据图形零件大小选

20、择 A4 、A3 、A2 、A1 、A0 图纸，单击基本视图，然后在合适的地方进行三维视图投影。为了方便修改操作， 一般先把零件图直接转换成 2D 格式，文件导出 2D 转换， 然后在现有部件中选择部件， 并修改输出至制图， 输出为 dwg 文件，然后指定输出文件路径， 确定并保存为二维图形。图 3-2-4机械外骨骼“上肢”、“下肢 ”的二维零件图机械外骨骼的驱动2 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文第 10 页 共 58 页机械外骨骼的驱动总体思路 ：在设计机械外骨骼时格外考虑它的能源利用效率，来达到长效使用的目的，使它在现有的储能技术条件下工作更长时间。同时希望这件机械外套能尽可能的轻

21、便和简单一些。就目 前来看，在可以独立运行的机械外骨骼上无外乎是以电池做为能量源，利用电动机直接驱动 或者使用压缩机转化为气压或者液压驱动；在机械外骨骼的控制方式选取上，设计的事表面肌电信号（ SEMG，即浅层肌肉肌电信号和神经干上电活动在皮肤表面的综合效应）作为控制信号源，同时使用物理按钮控制。而在机械外骨骼的动力源的选取上，选择的还是气压驱动。机械外骨骼驱动的关键技术介绍表面肌电信号表面肌电信号 (surface electromyogram Phy，SEMG是) 肌肉收缩时伴随的电信号， 是在体表无创检测肌肉活动的重要方法。我们研究分析表面肌电信号的检测与分析方法，也包括检测技术与装置及

22、利用表面肌电信号反馈控制外部装置的方法等。表面肌电信号源和物理电信号源同时采用的原因在日常生活中，机械外骨骼能都通过物理按钮传输电信号给“中控”进行控制，但是老年人的大脑反应速度远远要大于手指的反应速度，考虑到对于老年人设计的是物理按钮控制存在安全隐患，而表面肌电信号则是通过采集老年人皮肤上传输出的生物电流来控制，这大大的降低了老年人操控机械外骨骼的困难和大大的提高了安全系数。因而我们设计的是表面肌电信号和物理电信号双重结合的方式控制机械外骨骼气压驱动及动力源的选择在设计之初曾考虑过三种驱动方式。电动机使用电动机控制机械外骨骼是相当复杂的，况且这种机械外骨骼在实际使用中对电机和控制系统的要求都

23、很高。由日本筑波大学山海嘉之（Yoshiyuki Sankai）教授开发的 HAL*就是使用这类驱动控制方式的机械外骨。液压在看过洛克希德 ?马丁公司推出的一款已经用于实战的机械外骨骼人类负重外骨骼2 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文第 11 页 共 58 页（简称 HULC）的相关宣传资料后发现，即使让我们来仿制这套系统也很不现实，它涉及到的前沿科技太多了。气压在仔细分析后发现，我们可以利用气压驱动来实现我们要求的“简单”和“轻便”。 因此我们的设计目标是尽可能的让我们设计出的机械外骨骼更简单和更轻便。在确定了使用气压驱动方式来实现助力后，决定使用小型耐高压容器储存足够多的压缩空气作为

24、机械外骨动力源的方案。这样可以解决以往利用空压机时效率不高产生的能源浪费。从而可以让我们携带更轻便的电池，使我们设计的机械外骨更轻巧。空气驱动部件的确定我们选用了费斯托 （Festo ） 气动肌腱，同一位置测定肌肉收缩和舒展时SEMG波形，可以看出肌肉收缩和舒展时 SEMG波形幅值变化明显， 从相关资料可以知道肌肉收缩强弱正比于 SEMG幅值大小。因此我们可以利用采集到的SEMG控制气动肌腱内部的气压来实现对力量的控制。 我们确定了一个控制方案：已知 SEMG的 V（幅值）可以对应设计计算出一个驱动气动肌腱的气压P。当探测到一个 SEMG的 V，就知道需要一个驱动气动肌腱的气压P；通过控制电磁

25、阀，在测压探头的实时监测下使气压达到P。这种控制的优点是：可以通过调节对肌电信号触发幅值的临界值，达到预知肌肉动作 的目的，并提前于肌肉开始运动，由于有机械和电路的延时现象，最终可以达到机器与人同时运动的效果。此外，通过调整“已知SEMG的 V（幅值）可以对应设计计算出一个驱动气动肌腱的气压 P可以方便的改变力量输出比例。无需要在助力的关节上安装角度传感器，因为这套助力系统仅仅是助力。关节弯曲在任意角度时只是有不同力的输出，角度的感知完全取决于我们自身的反射弧。气动肌腱的工作模式是一种拉伸执行机构，模仿肌腱运动。由收缩系统和相应的连接件组成。收缩系统是由压力密封橡胶软管组成，外面包有一层高强度

26、纤维。纤维为三维网状结构，菱形编织。内部有压力时，软管就会向外膨胀，就会在肌腱的纵向产生拉伸力和收缩运动。拉伸力与行程形成函数关系，可用拉伸力在开始收缩时达到最大值，随后直线下降。2 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文第 12 页 共 58 页气动肌腱的优点是初始力和加速度高。 初始力最高可到相同缸径传统气缸的10 倍。高动态响应，即使在高负载下 , 依旧保持高动态响应；工作时无抖动。无移动机械部件相互接触，超慢速移动时完全没有抖动；定位简单。使用最简单的技术通过压力控制，无需位移编码器；气密封结构。隔离工作介质和大气，适合用于粉尘和脏污环境，结果坚固，零泄漏。其缺点在于收缩率比较小，最大

27、值可到30% 。在输入产生相同膜电流的条件下，依欧姆定律（I=U2 R或 U电 I 2 R），膜电阻较大的小运动神经元电压相对较高，首先达到动作电位法制而兴奋。大运动神经元的膜电阻相对较小，只有传入冲动（电流）较强时才可以达到兴奋阀值。机械外骨骼的机械运动部件的设计在我所设计的下肢机械外骨骼的关节中，髋关节和膝关节的设计难度是最高的。人体关节运动分析机械外骨骼的运动学和人体的运动学相近，因此人体关节的运动范围决定了机械外骨骼的关节运动范围。下肢机械外骨骼的关节运动范围至少要和人体活动时关节范围一致。为了安全，机器人的关节运动范围一般要小于人体关节运动范围的最大值。参考人体各关节的运动角度，结合

28、本设计的使用者是下肢需要康复的患者和各关节在行走状态的最大值，具体数值见表 4-4-1。关节活动形式人体活动最大值机器人关节取值人体关节活动最大值髋关节向前伸展32.245119髋关节向后伸展-22.5-30-70膝关节向前伸展000膝关节向后伸展-73.5-80-136肘关节向前伸展22.545120肘关节向后伸展-1545-120肩关节向前伸展000肩关节向后伸展-90-135-1802 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文第 13 页 共 58 页表 4-4-1各关节的运动范围（ ）人体关节运动分析从人体的骨杠杆示意图上可以看出，人体的关节就是一个球面副，其属于空间运动副， 拥有个自由

29、度和很广的运动范围。并且这个球面副被人体组织深深包裹其中，我们需要想办法让机械外骨骼的关节拥有和人体关节一样的自由度和运动范围。首先我们规定大腿前后摆动是绕着轴运动，大腿左右摆动是绕着轴运动，大腿内旋和外旋是绕着轴运动。我们看出绕轴和绕轴的转动副可以在人体以外，但绕轴运动的转动副却只能在人体内，这当然是不允许的。先劈开轴需要的转动副不管，只分析如何可以实现轴和轴的运动，我们发现这其实就是一个万向节。最后再考虑轴的运动，我们创造性的使用了一个平面转动结构就完美的解决了问题。各关节运动学分析人体下肢的灵活度很高，关节比较复杂。下肢运动关节主要包括髋关节、膝关节、踝关节 3 个部分。髋关节是球窝关节

30、，它的活动形式有 3 种，分别是向前伸展 / 向后伸展、侧向内转/ 外展、和向内外扭转。膝关节有向前伸展 / 向后伸展和侧向内转 / 外展两种活动形式。下肢有 4 个自由度，想要设计出一个能够完成下肢各个关节的康复运动的机器人非常难。总体结构有两条腿和一个减重机构共 5 个自由度。2 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文第 14 页 共 58 页4.4.4各关节运动学分析本设计中，各个关节均为旋转关节。滚动轴承传动有摩擦阻力小，功率消耗少，启动容易等优点，可以充分利用电机所作的功，减小机构体积。（1）膝关节的运动学分析图4-4-2-1 所示为下肢膝关节的运动学模型示意图。2是大腿杆的一部分的

31、长度， 1 是丝杠端部安装孔距关节中心水平方向上的的距离，L3是关节中心到丝杠中心的距离，L为丝杠的长度， 为关节转过的角度。图4-4-2-1膝关节机构运动学模型图中L1=110，L2=402，L3=171，=120，丝杠 L的长度可由公式LL21L22L22232L3L1L2cosarctan L1L2(4-4-2-1)算出。计算出的 L的范围为 350500，行程为 150。髋关节的运动学分析图4-4-2-2 所示为下肢髋关节的运动学模型示意图。 2是大腿杆的一部分的长度， 1 是丝杠端部安装孔距关节中心水平方向上的的距离， L3是关节中心到丝杠中心的距离， L为丝杠的长度， 为关节转过的

32、角度。其中1 =60， L2=340， L3=135， =120， 的范围为 30 +45。丝杠 L的长度可由公式 (3-1) 算出。计算出的 L的范围为 350-450 ，行程为 100。2 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文第 15 页 共 58 页图4-4-2-2髋关节机构运动学模型关节力矩分析由于本设计的机械结构部分的作的是低速运动，所以零件的选择从静力学角度分析和计算。图 4-4-2-3力矩分析示意图图中：1 、 2 、 3 分别为髋关节、膝关节和踝关节的旋转角度，以x 轴正方向为初始位置， 图中所示角度的转向为正向l 、 l 分别为大腿和小腿的长度12c1、 c2 分别为大腿、

33、小腿的质心l1 、 l2 分别是大腿、小腿质心到相应关节的距离。根据力矩方程2 0 1 6届 毕 业 设 计 论文TFl第 16 页 共 58 页(4-4-2-3)得到各关节的力矩方程分别为Tm gl cosm g(l cosl cos)(4-4-2-3)111121122T2m2gl2 cos 2(4-4-2-3)式中： m1, m2 分别是各质心处的质量，包括人体和机械结构总质量。在下面的计算过程中，力矩 T 的计算式均是按式 (4-4-2-3)的原理计算的，所不同的是， 下面的计算均取的是极限位置，即各关节受到最大力矩的位置。部分重要零件的设计与校核轴承的选择及校核本设计中的轴承主要承受

34、径向力，所以选用深沟球轴承6000,它的径向基本额定动载荷C=13.2kN，预期寿命 L=15000小时。最大当量动载荷 P=600N，寿命指数 =3，转速 n=60r/min,轴承基本额定寿命 Lh （单位为小时 )为106CLh2.95 106L（3-5）60nP所选轴承 6000符合要求连杆的计算与校核大小腿内外杆主要受到拉伸或压缩作用。有材料力学可知，拉压杆件，其强度条件为：Nm a xA（3-6）b（3-7）nb式中- 材料许用应力； A-最小截面积 ；2 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文第 17 页 共 58 页N-所受载荷；b -材料强度应力；nb- 安全系数；铝合金ZAl

35、Cu5Mn(ZL201)的抗拉强度： 295335MPa， nb=2，N 600N。由公式（ 3-6）、（3-7）可得A4 mm2 ，所设计的连杆的最小截面积都大于 4 mm 2 ，强度条件符合。5.3双头螺柱的校核腰部可调结构中的双头螺柱是腰部与外部框架链接的受力部分，主要受到轴向工作载荷F=600N，其拉伸强度条件为：4Fd12（3-8）其中 d1 =28，=250MPa，由公式（ 3-12）可得：1MPa螺柱合格。机械外骨骼材料的设计选择在机械外骨骼的设计中，机械外骨骼做本课题时遇到的问题及解决方法）模型设计无从下手解决方法：询问老师、网络查询，既然是设计为人可以穿戴的物品，那就可以通过

36、人体模型的偏置曲面来下手）动力选择解决方法：通过查询网络上已有的成品进行比较选择，最终确定下来2 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文第 18 页 共 58 页结论以机械外骨骼为设计对象， 系统研究了数字化条件下零件的造型设计。 将三维 CAD/CAM技术应用于机械外骨骼产品结构设计，全文着重就以下几个方面展开了研究和讨论： 高精度铝制模型机械外骨骼的设计与三维造型； 机械外骨骼的关键技术，包括设计过程中驱动部分和机械运动部分等； 机械外骨骼的设计时考虑的材料选择； 部分重要零件的设计与校核。本文结合 CAD/CAM中 UG、Soildworks、AutoCAD 等软件，较详细的分析了机械外

37、骨骼的三维造型设计。2 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文第 19 页 共 58 页致谢这篇论文是在我的指导教师裘俊彦老师的精心指导下完成的。从论文的选题、设计到论文的写作、修改和定稿，老师给了我很大帮助。老师的严谨治学态度和对教学的敬业精神给了我极大的鼓舞。因此，首先向尊敬的裘老师表示感谢，使我在学校学到的专业知识很好的运用到工作实践中来，我想对我以后的工作和学习意义一定有很大。在毕业设计开始时，裘老师首先从设计题目的选择上给了我很大帮助。当我在设计过程 中遇到疑难问题时，裘老师都能一一为我解答，并且及时纠正了我的错误，使我能够及时改 正，在象棋盒的实物加工过程中，钟老师在工艺方案、机床

38、切削参数的设定等方面提出了很 多的修改意见与指导性的建议，使我的设计作品能够顺利地完成实物的加工，并且验证了设 计、编程的正确性，在论文撰写过程中，还要感谢我实习的工作单位栋德精密机械有限 公司的工程技术人员， 对我工作中的帮助和论文撰写中的相关技术的探讨给予了很多的建议。在老师的悉心指导下，我顺利地完成了毕业设计，在此表示衷心的感谢！在设计过程中，其 他老师、同学和我的同事也都给了我许多帮助和支持，在此向他们表示感谢！最后，再次向所有给予我支持、帮助和鼓励的老师和同学表示感谢，希望他们今后工作顺利，天天开心 !2 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文第 20 页 共 58 页参考文献1、郑

39、英华编著， cimatron E8.0数控编程加工编程一点通。本书讲解各个应用模块的操作功能，再根据具体实例讲述各种加工应用的思路2、陈洪涛主编，数控加工工艺与编程。高等教育出版社，2002 年本书较好地反映了国内外有关数控加工工艺的新的发展和新成果，详细介绍了数控编程的常用编程指令及其应用。3、李华编，机械制造技术。高等教育出版社，2006 年，本书从对机械制造过程了解入手，以工件表面成形理论和金属切削理论基础为基础，介绍各种加工方法的特点，应用 及相关的工艺装备的选择与使用；以零件机械加工的精度构成及实现为主线，介绍各种加工 方法综合应用，构成完整的机械加工工艺的方法，阐明机械加工工艺的设

40、计原则。4、李澄主编，机械制图。高等教育出版社，2006 年和平面的投影，变换图影面法，立体的投影，立体的表面交线、组合体的视图及尺寸标注，轴测图机件的表达方法，标准件和常用件，零件图，装配图，计算机绘图的应用。5、夏凤芳主编，数控机床。机械工业出版社，2006 年，以金属切削机床的基本知识为起点，在阐述数控车床的基本原理的基础上，详尽地介绍了数控车床的结构与功能，轴 类零件的加工，数控车床的安装调试以及保养维修等方面的常识。6、 王卫兵编著， Cimatron E 中文版数控编程入门与实例讲解。本书重点讲述了的数控铣削以及刻字讲解编程，对每种操作都给出了详细操作实例。7、詹华西编，数控加工与

41、编程。西安电子科技大学出版社，2004 年数控加工与编程是以数控加工实用基础，数控车床、铣床、加工中心的操作与编程，宏编程技术及其应用，微机自动编程与应用。熟练的掌握数控车床编程G代码，编程原理， 上机操作步骤和注意事项等。8、袁哲俊主编，金属切削刀具。上海科学技术出版社，1992 年。9、薛彦成主编，公差配合一技术测量。机械工业出版社，2006 年，反映出公差配2 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文第 21 页 共 58 页合和技术测量的最新理论和国家标准， 掌握各种公差符号对零件的要求， 如何减小测量误差， 公差等级的配合。10、庞建跃主编，机械制造技术。机械工业出版社，2008 年，

42、讲述了传统的制造技术，也介绍了先进的制造技术，数控机床、数控刀具、现代夹具和特种加工等内容。11、京玉海、罗丽萍主编，机械制造基础（上）。清华大学出版社，2004 年，主要阐述了工程材料的性能、结构与结晶、改变性能的方法和常用工程材料的种类及其选择，毛坯成型方法的工艺基础、常用成型方法、结构设计和毛坯的选择。12、京玉海、罗海萍主编，机械制造基础（下）。清华大学出版社，2004 年，主要阐述零件加工方法的基础知识、常用加工方法和零件的结构设计。13、程美玲主编， 数控编程技能。国防工业出版社，2006 年，主要对数控加工技术、数控加工编程基础、数控加工工艺与数值计算、数控车床编程、数控铣床编程

43、、加工中心编程、自动编程进行了较为详细的讲述。14、郑英华 何华妹 Cimatron E8.0数控编程加工入门一点通北京：清华大学出版社2007 年 10 月15、蔡娥 吴立军 聂相虹 Cimatron E8.0 产品设计与数控编程实例解析北京：清华大学出版社 2008 年 2 月16、王卫兵 Cimatron E6.0数控编程实用教程 北京：清华大学出版社 2005 年 8 月2 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文第 22 页 共 58 页附录 1: 机械外骨骼的设计与三维几何建模过程图使用 UG软件进行三维建模图 1-1UG 软件界面图在 UG 中新建文件2 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文第 23 页 共 58 页图 1-2新建 UG 文件起始建模并创建初始三维实体图 1-3起始建模图 1-4命令查找器中查找“人体” ，输入人体模型2 0 1 6 届 毕 业 设 计 论 文第 24 页 共 58 页人体模型调整图 1-5人体模型调整保存后重新导入图