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1、目录目录I1绪论31.1 选题背景31.1.1 仿生机械技术31.1.2 机械外骨骼31.1.3 三维设计技术31.2 选题的来源和依据41.3 选题的目的和意义61.4 主要任务与内容62总体设计方案73整体模型的设计与三维造型73.1 机械外骨骼的设计与三维造型总体设计思路83.2 机械外骨骼的设计与三维造型83.2.1 机械外骨骼“上肢”的设计与三维造型83.2.2 机械外骨骼“下肢”的设计与三维造型83.2.3 机械外骨骼“装配体”的设计与三维造型83.2.4 机械外骨骼的二维零件图设计94机械外骨骼的驱动104.1 机械外骨骼的驱动总体思路：IO4.2 机械外骨骼驱动的关键技术介绍I
2、O4.2.1 表面肌电信号104.2.2 表面肌电信号源和物理电信号源同时采用的原因114.2.3 气压驱动及动力源的选择114.2.4 空气驱动部件的确定114.3 机械外骨骼的机械运动部件的设计124.3.1 人体关节运动分析134.3.2 人体关节运动分析144.3.3 各关节运动学分析144.3.4 各关节运动学分析15(1)膝关节的运动学分析15(2)版关节的运动学分析155部分重要零件的设计与校核175.1 轴承的选择及校核175.2 连杆的计算与校核175.3 双头螺柱的校核186机械外骨骼材料的设计选择187做本课题时遇到的问题及解决方法18结论20致谢21参考文献22附录1:
3、机械外骨骼的设计与三维几何建模过程图24附录2:机械的零件图3653附录3:机械外骨骼的渲染效果图61仿生机械的三维设计机械外骨骼的设计1触1.1 选题背It1.1.1 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
4、、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。1.1.2 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、额外的幼力或能力，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
5、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。1.1.3 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
6、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。1.2 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1
7、1.5%,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
8、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，来都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，课题来源于电影中经常遇到的未来设计一一“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。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UronMan中。但在1690年，通用电气公司就研制了一种名为“哈迪曼1劭）”的可佩戴单兵装备，但仅
9、仅只能替代人的一只手。2001年，在美国高级研究计划局OM/SU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。D4R%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SareoS公司的XoS雀屏中选，进入了最后的研究阶段。目前的实验结果显示它正在步步地接近QARM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
10、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QCMeedMam力）开发的“人类负重外骨骼”（TheHumanUniversalLoadCarrier简称HULC）HULC系统的最大负重量可以达到90.7千克。HULC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。”ULC动力源为两块总重量3.6千克的锂聚合物电池。在一
11、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HUZr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
12、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，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
13、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CAD/CAM技术。1.3主要任务与内容主要任务（1）课题调研以及资料的查阅：与老师探讨课题实施计划。（2）撰写开题报告。L(3-5)*60nJ所选轴承6000符合要求5.2 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：x=-JM(3-6)团=%(3-7)%式中周一材料许用
14、应力;A最小截面积：N-所受载荷；外一材料强度应力；”6一安全系数；铝合金ZAICU5Mn（ZL201）的抗拉强度：295335MPa,川广2,NW600N。由公式（3-6）、（3-7）可得A4mn,所设计的连杆的最小截面积都大于4mm?,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：=-（3-8）其中4=28,=250MPa,由公式（3-12）可得：=MPa螺柱合格。6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7做本课题时遇到的问题及解决方法（1）模型设计无从下手解决方法：询问老师
15、、网络查询，既然是设计为人可以穿戴的物品，那就可以通过人体模型的偏置曲面来下手（2）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，最终确定卜来以机械外骨骼为设计对象，系统研窕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：高精度铝制模型一一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、SoiIdworkSxAUtoCAD等软件，较详细的分析了机械外骨骼的三维造型设计。这篇论文是
16、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
17、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一一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!叁考文献/批注WUl:参考文献我需要什么，好像都是网上查的。G1、郑英华编著，cimatronE8.O数控编程加工编程点通。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、
18、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
19、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，（CimatronE中文版数控编程入门与实例讲解。本书重点讲述了的数控铳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、角华西编，数控加工与编程。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、铳床、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。
20、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，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。Ik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
21、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、数控铳床编程、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CimatronE8.0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CinIatrOnE8.0产品设计与数控编程实例解析北京：清华大学出版社2008
22、年2月16、王卫兵CimatronE6.0数控编程实用教程北京：清华大学出版社2005年8月附录1：机械外骨骼的设计与三维几何建模过程图1.使用UG软件进行三维建模图1-1UG软件界面图2.在UG中新建文件图1-2新建UG文件3.起始建模并创建初始三维实体图1-4命令查找器中查找“人体”，输入人体模型4.人体模型调整图1-5人体模型调整5.保存后重新导入6.建立基准平面图1-7建立基准平面7.对人体模型进行偏置曲面图1-9偏执曲面图ITO导出人体骨架图ITI替换为面8.通过人体骨架画出主体妪干模型一，力.,，.*：*.Mjrt.Qe。图1-15连接部位图1-16建立基准面并进行建模设计10.最
23、后修改图1-18进行曲面平度分析，相差较大的重新缝合图1-19检直几何体1-20另存为STP通用格式附录2:机械的零件图图2-2足背-左零件图图2-3肘-左零件图图2-4肘-左零件图图2-5手臂-下-左零件图图2-6手臂一下一右零件图图2-7手臂-上-左零件图图2-8手臂-上-右零件图图2-9M部零件图图2-10背部零件图图2-11大腿-左零件图图2-12大腿-右零件图图2-13手-左零件图图2-14手-右零件图图2T5膝部-左零件图图2-16膝部-右零件图图2-17膝盖-左零件图图2-18膝盖-右零件图图2T9小腿-右零件图图2-20小腿-左零件图图2-21胫骨左零件图图2-22胫骨左零件图图2-23胫骨-左零件图图2-24胫骨左零件图图2-25胫骨左零件图附录3:机械外骨骼的渲染效果图图2：人体穿戴渲染图
