毕业设计机械外骨骼docWord格式.docx
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机械外骨骼“下肢”的设计与三维造型...............................
机械外骨骼“装配体”
的设计与三维造型............................
机械外骨骼的二维零件图设计.......................................
4
机械外骨骼的驱动........................................................
机械外骨骼的驱动总体思路:
机械外骨骼驱动的关键技术介绍
........................................
表面肌电信号.....................................................
表面肌电信号源和物理电信号源同时采用的原因.......................
气压驱动及动力源的选择...........................................
空气驱动部件的确定...............................................
机械外骨骼的机械运动部件的设计......................................
人体关节运动分析.................................................
各关节运动学分析.................................................
(1)膝关节的运动学分析............................................
(2)髋关节的运动学分析...........................................
5
部分重要零件的设计与校核................................................
轴承的选择及校核....................................................
连杆的计算与校核....................................................
双头螺柱的校核......................................................
6
机械外骨骼材料的设计选择................................................
7
做本课题时遇到的问题及解决方法..........................................
结
论....................................................................
致
谢....................................................................
参考文献...................................................................
附录1:
机械外骨骼的设计与三维几何建模过程图...........................
附录2:
机械的零件图..................................................
......................................................................
附录3:
机械外骨骼的渲染效果图........................................
仿生机械的三维设计
——机械外骨骼的设计
1绪论
选题背景
1.1.1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。
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。
1.1.3三维设计技术
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。
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%,世界老龄人口占总人口的比重从1995年的%上升至2020
年%,同期我国由%上升至%,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亿人,约占全世界老龄人口亿人的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。
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(
IronMan)中。
但在
1690
年,通用电气公司就研制了一种名为“哈迪曼
(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。
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(LockheedMartin)开发的“人类负重外
(TheHumanUniversalLoadCarrier
简称HULC)。
系统的最大负重量可以达到
骨骼”
HULC
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。
HULC动力源为两块总重量千克的锂聚合物电池。
在一次充满电后,HULC可保证穿着者以公里/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重物。
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。
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。
(3)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。
(4)机械外骨骼中全套零件的二维图设计和三维造型图。
(5)制定机械外骨骼中重要零件的机械加工工艺规程。
(6)编写设计说明书等,完成全套毕业设计资料
◆主要内容
(1)机械外骨骼的总体设计思路及设计方案。
(2)机械外骨骼的三维造型与设计。
(3)相关设计的数据计算。
(4)机械外骨骼的总装配图、零件三维图、零件二维图的设计。
(5)机械外骨骼中重要零件的机械加工工艺规程设计。
2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:
(1)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)
(2)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。
(3)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。
(4)利用UG和Soildworks的造型设计,最终完成一套完整的高精度模型——“机械战甲”的设计。
3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:
(1)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)
(2)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。
(3)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。
3.2.1机械外骨骼“上肢”的设计与三维造型
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”。
3.2.2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→偏置曲线画出外形草图→的偏置曲面→隐藏草图曲线
→起始建模并人体模型→调整站姿→建基准面
拉升求差得到下肢偏置曲面→拉升求差得到下肢细节
→得出机械外骨骼“下肢”实体。
具体步骤见附录1:
3.2.3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”,
图3-2-3机械外骨骼“装配体”的三维造型图
3.2.4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
4机械外骨骼的驱动
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。
4.2.1表面肌电信号
表面肌电信号(surfaceelectromyogramPhy,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
检测技术与装置及利用表面肌电信号反馈控制外部装置的方法等。
4.2.2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
4.2.3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。
1)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
控制系统的要求都很高。
由日本筑波大学山海嘉之
(YoshiyukiSankai
)教授开发的
就
HAL*
是使用这类驱动控制方式的机械外骨。
2)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(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。
3)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机械外骨动力源的方案。
这样可以解
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