毕业设计 机械外骨骼
三自由度上肢机械助力外骨骼模型设计
三自由度上肢机械助力外骨骼模型设计摘要机械外骨骼是近年来的研究热点，从各类康复机器人的研制到军事上机械战甲的开发，各类成果见诸报端，机械外骨骼的主要功能是协调运动，提供助力，使运动更加轻松省力。
随着我国老年人口的增多以及庞大的残疾人口基数，机械外骨骼的研制在我国有着现实的意义。
本次设计主要针对医院，敬老院和普通家庭的日常护理，帮助护工照顾失去运动能力的老年人和病患，协助其完成对病人的翻身，转移病床和将病人抱到轮椅上等基本的护理工作。
通过查询中国成年人口平均身体尺寸，估算一个大致的尺寸数据，采用三维建模软件UG进行模型制作，并通过计算校核，设计满足要求的弹簧，最后将三维图形装配起来，验证本次机械外骨骼的合理性。
为了实现协调助力的目的，本次设计的机械外骨骼在关节处采用了创新的机械结构，外部的大轮嵌套在内轮上，弹簧内置，既保证了材料的刚度强度要求，又保证了结构的合理性。
随着科学技术的提高，机械外骨骼助力系统朝着更加先进化，智能化和小型化的方向发展，新材料新加工工艺的采用，人工智能的应用都在促使此类研究的不断发展。
关键词：机械上肢外骨骼；三维建模；助力；压缩弹簧；护理Three - degree - of - freedom upper limb machinery for externalskeletal designAbstractMechanical exoskeleton is a hot research topic in recent years, the development of various types of rehabilitation robots into military mechanical armor development, all kinds of results reported in the newspapers, the main function of mechanical exoskeleton is the coordinated movement, provide assistance, is the movement more easily. With the increase of the elderly population and the large population base of disability, the development of mechanical exoskeleton is of practical significance in china. This design mainly aims at the hospital, the daily nursing homes for the elderly and ordinary families, help carers lose ability to exercise the elderly and sick, assist the patient to turn over, transfer will hold to the wheelchair beds and patient basic nursing work. By querying the average body size China adult population, estimated a general size data, using 3D modeling software UG modeling, and through the calculation of the design to meet the requirements of the spring, the 3D assembly, the validation of the rationality of mechanical exoskeleton. In order to achieve the goal of boosting coordination, the design of the mechanical exoskeleton of the mechanical structure innovation in the joints, the external gear wheel spring, nested, built-in, ensure the stiffness and strength of materials, but also ensure the rationality of the structure. With the improvement of science and technology, mechanical exoskeleton power system towards a more advanced, intelligent and miniaturization, the new processing technology of new materials, the application of artificial intelligence are constantly promote the development of this kind of research.Key words: Mechanical upper limb;Exoskeleton;3D modeling;Power assisted compression; Spring care目录1 前言 (1)1.1 项目分析 (1)1.2 研究现状 (1)1.3 研究难点 (2)2 人体结构及运动学分析 (5)2.1 人体结构学分析 (5)2.2 项目方案分析 (5)2.3 人体基本尺寸数据 (6)2.4 上肢运动特性 (7)3 关键节点结构的设计与分析 (10)3.1 结构方案分析 (10)3.2 外骨骼各部件的拆分 (11)3.3 设计参数的确定 (11)3.4 上肢机械助力外骨骼的运动学分析 (12)4 外骨骼各部件的设计 (16)4.1 肘关节设计 (16)4.2 肘关节弹簧的设计计算 (17)4.3 肩关节的设计 (23)4.4 肩关节弹簧的设计 (24)4.5 腕关节及手掌支板的设计 (29)4.6 前臂与上臂的设计 (29)4.7 脊背的设计 (30)5 上肢机械外骨骼装配图 (32)5.1 三维建模软件UG介绍 (32)5.2 上肢机械助力外骨骼装配图 (32)5.3 基于UG软件的上肢结构运动仿真 (34)6 总结与展望 (38)6.1 总结 (38)6.2 展望 (38)1 前言1.1 项目分析在目前的中国社会中，60岁以上的老年人口越来越多，据第6次全国人口普查的数据可知[1]：全国60岁以上人口为177648705人，占总人口的比例为13.26%，与2000年第五次人口普查数据相比，60岁以上老年人口比重上升了2.93个百分点，由国际惯例可知，当一个国家或地区60岁以上的老年人口占人口总数的10%，或65岁以上老年人口占人口总数的7%，即意味者这个国家或地区进入了人日老龄化社会，因此我国早已进入了人口老龄化社会，而且老龄化程度在提高。
一种外骨骼机器人的结构设计
Mechanical Engineering and Technology 机械工程与技术, 2023, 12(2), 163-169 Published Online April 2023 in Hans. https:///journal/met https:///10.12677/met.2023.122019一种外骨骼机器人的结构设计成 兴，唐利镒，耿大明，谭建宝，马智超，褚 澳，杨 涛，赵文祺，黄 彪贵州理工学院机械工程学院，贵州 贵阳收稿日期：2022年11月30日；录用日期：2023年4月22日；发布日期：2023年4月29日摘要随着社会的发展，独居老人和女性越来越多，在很多情况下这类人群搬运东西很不方便，因此急需要一套设备协助这类人群进行一些搬运工作。
为此我们针对人体骨骼进行分析这便是外骨骼机器人，设计了一套基于省力理念的外骨骼机器人。
目前，国内外的外骨骼机器人价格昂贵，结构比较复杂，对于我国的一些老人和一些女性以及小孩并不适用。
因此本文设计的是一款适用于力气较小的普通人及一些单身贵族的外骨骼机器人，此外骨骼机器人结构简单，造价较低。
本文对目前国内外的外骨骼机器人设计领域和运用场合及其各种外骨骼机器人优缺点、发展现状进行了全面研究和比较。
因此对外骨骼机器人进行了系统的总体结构设计、运动学的分析计算、传动结构的设计与计算，最后完成PLC 程序的编写进行自动控制，来实现外骨骼机器人的设计要求。
关键词外骨骼机器人，结构设计，运动学，PLCThe Structural Design of an Exoskeleton RobotXing Cheng, Liyi Tang, Daming Geng, Jianbao Tan, Zhichao Ma, Ao Zhu, Tao Yang, Wenqi Zhao, Biao HuangSchool of Mechanical Engineering, Guizhou University of Technology, Guiyang GuizhouReceived: Nov. 30th , 2022; accepted: Apr. 22nd , 2023; published: Apr. 29th , 2023AbstractWith the development of society, there are more and more elderly people and women living alone, and in many cases, it is very inconvenient for such people to carry things, so a set of equipment is urgently needed to assist such people in carrying out some carrying work. To this end, we analyze成兴等the human bone, which is the exoskeleton robot, and design a set of exoskeleton robot based on the concept of labor-saving. At present, exoskeleton robots at home and abroad are expensive and complex in structure, which are not suitable for some elderly people and some women and child-ren in China. Therefore, the design of this article is an exoskeleton robot suitable for ordinary people with less strength and some single nobles; in addition, the skeleton robot has a simple structure and low cost. This paper comprehensively studies and compares the current design fields and ap-plication occasions of exoskeleton robots at home and abroad, as well as the advantages, disad-vantages and development status of various exoskeleton robots. Therefore, the overall structure design of the system, the analysis and calculation of kinematics, the design and calculation of the transmission structure were carried out for the exoskeleton robot, and finally the PLC program was written for automatic control to achieve the design requirements of the exoskeleton robot.KeywordsExoskeleton Robot, Structural Design, Kinematics, PLC Array Copyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0)./licenses/by/4.0/1. 引言外骨骼机器人是一种新型的机电设备，它是一种人机结合的可穿戴设备，结合了人类智能和机械能，并且它集成了传感、控制信息和移动计算等多种机器人技术[1]。
毕业设计机械外骨骼
毕业设计机械外骨骼机械外骨骼是一种利用机械结构和电气控制技术模仿人体骨骼结构，增强人体力量和运动功能的装置。
它可以广泛应用于行业生产、康复医疗、残疾人帮助等领域，具有重要的实用价值和社会意义。
本文将围绕机械外骨骼的原理、设计、应用等方面展开讨论。
首先，机械外骨骼的原理是模仿人类肌肉骨骼结构，并通过电气控制系统实现力量和动作的协调。
机械外骨骼包括机械框架、传感器、动力元件和控制系统等组成部分。
机械框架是支撑和保护人体的核心骨架，可以根据人体特点进行设计和改进。
传感器负责感知人体运动和环境信息，例如加速度计、陀螺仪等。
动力元件通过电机、液压或气动系统为机械外骨骼提供驱动力和动力支撑。
控制系统负责对机械外骨骼进行实时控制和调整，实现与人体动作的同步。
其次，机械外骨骼的设计需要充分考虑人体力学特征和运动学要求。
机械框架应具备一定的柔韧性和承重能力，以适应人体动作和负荷。
传感器的选取和布置应准确感知人体运动和环境变化，为控制系统提供可靠的输入数据。
动力元件的选型应根据实际需求确定，同时考虑功耗、噪音和使用寿命等因素。
控制系统的设计需要根据人体动作规律和运动学原理，通过合理的算法和仿真模型对机械外骨骼进行精确控制。
最后，机械外骨骼的应用前景广阔。
在行业生产方面，机械外骨骼可以为工人提供额外的力量和保护，降低劳动强度和事故风险。
在康复医疗领域，机械外骨骼可以帮助患者进行肌肉力量训练和运动恢复，提高康复效果和生活质量。
在残疾人帮助方面，机械外骨骼可以为行动不便的人提供辅助和支持，帮助他们重拾自理能力和社交能力。
除此之外，还可以应用于军事、运动训练等领域，为人体力量和运动能力的提升带来新的可能。
综上所述，机械外骨骼是一种具有重要实用价值和社会意义的装置。
随着科技的不断发展和创新，相信机械外骨骼在未来会有更加广泛的应用和进一步完善。
毕业设计可以以机械外骨骼的设计、控制、仿真等方面展开，通过对现有技术和研究进展的综述和分析，提出改进和创新的方向，为机械外骨骼的研发和应用做出积极贡献。
机械原理课程设计脚踝保护外骨骼
我们二级缓冲使用空气 弹簧来实现。空气弹簧 是在柔性密闭容器中加 入压力空气，利用空气 的可压缩性实现弹性作 用的一种非金属弹簧。
空气弹簧的优
衬底1
点
01
空气弹簧具有非线 性特性，可以根据 需要将它的特性线 设计成比较理想的 曲线
02
与钢制弹簧相比较， 空气弹簧的重量轻， 承受剧烈的振动载 荷时，空气弹簧的 寿命较长
03
通过调整内部压力， 还可以得到不同的 承载能力。因此能 适应多种载荷的需 要
应力分析： 1）材料选择 我们根据器械轻质，高强度的要求，决定选择如下材料： 材料名称: [SW]丙烯酸 (中高冲力)
2）受力与约束 力： 1、应用 力 400 N 沿基准面 方向 2前视基准面 使用统一 分布。 2、根据实际情况受力部位为鞋底。 约束： 由设计初衷，小腿部位受力，且器械缚束小腿部分与小 腿固定，所以定此部位为约束处。
1
启发，源于科幻电影中的想法
设计初衷和作 衬底品1 的设计目标
是拐杖，但不是拐杖。我们打算开发一种
2
可以“穿”的拐杖——外骨骼。
原理介绍和组
衬底1
成
我们机构分成保护模块、缓冲-力传导 模块
通过保护模块保护脚踝，使它感觉舒适 并避免再受伤，类似于一个水囊装置； 通过缓冲部分减小动冲击；
缓冲-力传导模块是由支座、铰链、支杆和固定件组成， 通过这一系列构件把“鞋底”受到的力绕过脚踝传导 到小腿上，以此达到避免脚踝因受外力再受伤的目的。
单击添加副标题
机械原理 课程设计 ——脚踝 保护性外
202X
骨 骼 团 队 成 员 ： 傅一士、黄佳栋、李庆澍
CONTENTS
目录
1
WORKREVIEW
三自由度上肢机械助力外骨骼模型设计
三自由度上肢机械助力外骨骼模型设计摘要机械外骨骼是近年来的研究热点，从各类康复机器人的研制到军事上机械战甲的开发，各类成果见诸报端，机械外骨骼的主要功能是协调运动，提供助力，使运动更加轻松省力。
随着我国老年人口的增多以及庞大的残疾人口基数，机械外骨骼的研制在我国有着现实的意义。
本次设计主要针对医院，敬老院和普通家庭的日常护理，帮助护工照顾失去运动能力的老年人和病患，协助其完成对病人的翻身，转移病床和将病人抱到轮椅上等基本的护理工作。
通过查询中国成年人口平均身体尺寸，估算一个大致的尺寸数据，采用三维建模软件UG进行模型制作，并通过计算校核，设计满足要求的弹簧，最后将三维图形装配起来，验证本次机械外骨骼的合理性。
为了实现协调助力的目的，本次设计的机械外骨骼在关节处采用了创新的机械结构，外部的大轮嵌套在内轮上，弹簧内置，既保证了材料的刚度强度要求，又保证了结构的合理性。
随着科学技术的提高，机械外骨骼助力系统朝着更加先进化，智能化和小型化的方向发展，新材料新加工工艺的采用，人工智能的应用都在促使此类研究的不断发展。
关键词：机械上肢外骨骼；三维建模；助力；压缩弹簧；护理Three - degree - of - freedom upper limb machinery for externalskeletal designAbstractMechanical exoskeleton is a hot research topic in recent years, the development of various types of rehabilitation robots into military mechanical armor development, all kinds of results reported in the newspapers, the main function of mechanical exoskeleton is the coordinated movement, provide assistance, is the movement more easily. With the increase of the elderly population and the large population base of disability, the development of mechanical exoskeleton is of practical significance in china. This design mainly aims at the hospital, the daily nursing homes for the elderly and ordinary families, help carers lose ability to exercise the elderly and sick, assist the patient to turn over, transfer will hold to the wheelchair beds and patient basic nursing work. By querying the average body size China adult population, estimated a general size data, using 3D modeling software UG modeling, and through the calculation of the design to meet the requirements of the spring, the 3D assembly, the validation of the rationality of mechanical exoskeleton. In order to achieve the goal of boosting coordination, the design of the mechanical exoskeleton of the mechanical structure innovation in the joints, the external gear wheel spring, nested, built-in, ensure the stiffness and strength of materials, but also ensure the rationality of the structure. With the improvement of science and technology, mechanical exoskeleton power system towards a more advanced, intelligent and miniaturization, the new processing technology of new materials, the application of artificial intelligence are constantly promote the development of this kind of research.Key words: Mechanical upper limb;Exoskeleton;3D modeling;Power assisted compression; Spring care目录1 前言 (1)1.1 项目分析 (1)1.2 研究现状 (1)1.3 研究难点 (2)2 人体结构及运动学分析 (5)2.1 人体结构学分析 (5)2.2 项目方案分析 (5)2.3 人体基本尺寸数据 (6)2.4 上肢运动特性 (7)3 关键节点结构的设计与分析 (10)3.1 结构方案分析 (10)3.2 外骨骼各部件的拆分 (11)3.3 设计参数的确定 (11)3.4 上肢机械助力外骨骼的运动学分析 (12)4 外骨骼各部件的设计 (16)4.1 肘关节设计 (16)4.2 肘关节弹簧的设计计算 (17)4.3 肩关节的设计 (23)4.4 肩关节弹簧的设计 (24)4.5 腕关节及手掌支板的设计 (29)4.6 前臂与上臂的设计 (29)4.7 脊背的设计 (30)5 上肢机械外骨骼装配图 (32)5.1 三维建模软件UG介绍 (32)5.2 上肢机械助力外骨骼装配图 (32)5.3 基于UG软件的上肢结构运动仿真 (34)6 总结与展望 (38)6.1 总结 (38)6.2 展望 (38)1 前言1.1 项目分析在目前的中国社会中，60岁以上的老年人口越来越多，据第6次全国人口普查的数据可知[1]：全国60岁以上人口为177648705人，占总人口的比例为13.26%，与2000年第五次人口普查数据相比，60岁以上老年人口比重上升了2.93个百分点，由国际惯例可知，当一个国家或地区60岁以上的老年人口占人口总数的10%，或65岁以上老年人口占人口总数的7%，即意味者这个国家或地区进入了人日老龄化社会，因此我国早已进入了人口老龄化社会，而且老龄化程度在提高。
基于人机工程学的无动力下肢外骨骼设计研究
基于人机工程学的无动力下肢外骨骼设计研究无动力下肢外骨骼是一种能够辅助运动员在跑步、行走等活动中减轻负荷和消耗的机器人设备。
在设计无动力下肢外骨骼时需要考虑人机工程学的原则，从而使外骨骼在使用过程中更加适合穿戴者的需求。
无动力下肢外骨骼的设计应考虑人体工学原理。
人体的骨骼结构、肌肉分布和关节运动规律等都是设计外骨骼时需要考虑的因素。
设计者需要了解人体的运动学特征，以便将外骨骼的结构和运动参数设置得更符合人体的生理特征，从而提高使用者的运动效果和舒适度。
设计者还需考虑人体力学原理。
人体在活动过程中会受到重力和惯性力的影响，外骨骼在设计时需要考虑这些力对人体的影响，并相应地设计外骨骼的结构和力学参数，以减轻运动员的负荷和消耗。
在设计外骨骼的支撑结构时，要考虑到重力对运动员腰椎和髋关节的压力，并在相应位置添加支撑装置来减轻压力。
外骨骼的质量分布也需要合理设计，以保持运动员身体稳定性。
无动力下肢外骨骼的设计还需考虑使用者的操作和控制便捷性。
设计者需要根据使用者的需求设计简洁的操作界面和人机交互系统，使得运动员能够方便地调节外骨骼的运动模式和力度。
外骨骼的驱动装置也需要设计得简单可靠，以保证使用者能够顺利驾驶外骨骼进行运动。
外骨骼的材料选择和制造工艺也是设计中需要考虑的因素。
设计者需要选择轻量化、高强度的材料用于外骨骼的结构，以达到减轻重量和提高刚度的目的。
制造工艺也需要注重精度和可靠性，以确保外骨骼的结构能够承受运动过程中的力和压力。
基于人机工程学原则的无动力下肢外骨骼设计研究需要考虑人体工学原理、人体力学原理、操作便捷性和材料制造等因素。
通过合理地设计外骨骼的结构和参数，可以提高外骨骼的适用性和使用效果，为运动员提供更好的运动辅助设备。
外骨骼机械结构范文
外骨骼机械结构范文外骨骼机械结构，一种特殊的设备，可以增强人体的力量和运动功能。
它是一种穿戴式的机械结构，可以帮助人们完成日常活动或特殊任务。
外骨骼机械结构的发展使得许多失能人士能够重新获得行动自由，同时也被应用于医疗和军事领域。
外骨骼机械结构的设计原理是通过激活和支撑人体的肌肉和骨骼系统，以增加人体的力量和运动能力。
它通常由支撑框架、电机和传感器等组成。
支撑框架部分是由金属合金或轻质复合材料制成，它的设计考虑到人体解剖结构和人体工程学原理，以确保舒适性和适应性。
电机部分负责提供动力，通常是电池供电，以便为用户提供足够的能量。
传感器部分用于感知用户的意图和动作，以便控制外骨骼的运动和行为。
外骨骼机械结构的主要功能包括运动辅助和负重支撑。
运动辅助功能可以帮助用户完成日常活动，如行走、上下楼梯、举起重物等。
它可以通过运动传感器感知用户的动作，然后通过电机和液压系统来扩展和加强用户的运动能力。
负重支撑功能可以减轻用户所承受的重量，并降低对关节和肌肉的负荷。
这对于康复和运动受限的人士来说尤为重要。
外骨骼机械结构的设计还需要考虑用户的安全性和自然感觉。
为了确保用户在使用外骨骼时的安全性，通常采用多种传感器和安全系统来监测用户的动作和外部环境。
例如，压力传感器可以检测用户下肢的负荷情况，防止过度负荷导致损伤。
陀螺仪和加速度计等传感器可以监测用户的姿势和平衡，确保用户始终保持稳定。
为了提高用户的自然感觉，在外骨骼机械结构的控制系统中引入了人机交互技术。
通过与用户的意图交互，系统可以根据用户的要求和需求来调整外骨骼的行为。
这种交互可以通过语音指令、肌肉电位传感器、脑机接口等方式实现。
这有助于用户更好地掌握外骨骼机械结构，并使得使用起来更加符合自然和直观的感觉。
总体而言，外骨骼机械结构是一种非常复杂且先进的技术。
它的设计需要考虑到人体解剖学、人体工程学、运动控制和人机交互等多个方面的知识。
随着技术的不断进步，外骨骼机械结构将会有更广泛的应用领域，为更多人提供力量和自由。
最新伯克利下肢外骨骼(BLEEX)的机械学设计
精品资料伯克利下肢外骨骼(B L E E X)的机械学设计........................................伯克利下肢外骨骼（BLEEX）的机械学设计Adam Zoss, H. Kazerooni, Andrew ChuDepartment of Mechanical Engineering University of California, Berkeley, CA, 94720,USAexo@,摘要：第一种能携带负载的高效自主式下肢外骨骼已经在加州大学伯克利分校被展示出来。
这篇文章概括了伯克利下肢外骨骼（BLEEX）的机械学设计。
基于拟人化的BLEEX每条腿有七个自由度，其中的四个由直线液压驱动器驱动。
描述了自由度的选择以及运动范围。
另外，文章还包含了BLEEX主要部件方面的重要设计。
关键词：BLEEX，外骨骼，可穿戴式机器人，机械设计，步行Ⅰ.引言重物通常由轮式交通工具运输。
然而，很多环境例如岩石地形和阶梯，给轮式交通工具带来巨大的困难。
因此，在这些环境中，步行就成为一种有吸引力的运输方式，因为腿能适应各种极端地形。
伯克利下肢外骨骼（通常称为BLEEX）是第一款由操纵者穿戴的野战用机器人系统，它能为其操纵者提供在任何类型的地形下付出极小努力背负载荷的能力。
BLEEX是由两个动力拟人的腿、一个电源和一个可安装各种重载的背包式框架组成（图1）。
BLEEX 通过人机交互引导腿的运动提供携带负载的能力，摒弃了主动驱动，BLEEX伴随操纵者的运动就像它是一对人工腿一样被他/她“穿戴”。
通过将机器人的力量与智能导航、人的适应能力相结合，BLEEX允许重物在崎岖、松散和未知的地形中运送。
外骨骼通常指包含上肢或下肢或两者兼备的系统。
BLEEX项目仅仅着眼于图1下肢外骨骼的概念图。
正确活动的机器腿从穿戴者身上转移走载荷的重量，同时使穿戴者能够轻松地控制和平衡机器。
下肢外骨骼。
上肢外骨骼通常被用来操作重物，常用在仓库、生产设备和配送中心（如[1] - [4]）。
外骨骼设计原理
外骨骼设计原理外骨骼是一种机械装置，能够增强人类的力量和运动能力。
外骨骼设计原理是指为达到增强人体机能的目的，通过科学的设计和工程原理，使外骨骼能够与人体协同工作，提供额外的支持和动力。
外骨骼设计原理主要包括结构设计、动力源和控制系统三个方面。
结构设计是外骨骼设计的基础。
外骨骼的结构设计要考虑人体的生理结构和运动机理，使其能够与人体骨骼和肌肉相匹配。
外骨骼的骨架部分通常采用轻量化的材料，如碳纤维复合材料，以减轻负重对使用者的影响。
同时，外骨骼的关节部分需要具备足够的灵活性和稳定性，以适应多种运动需求。
动力源是外骨骼设计的关键。
外骨骼通常采用电动机或液压驱动系统来提供动力。
电动机驱动系统通常使用电池作为能源，通过电机和传动装置将电能转化为机械能。
液压驱动系统则通过液压泵和液压缸来实现动力传递。
无论是电动机还是液压驱动系统，都需要具备足够的功率和可靠性，以满足外骨骼的工作需求。
控制系统是外骨骼设计的核心。
外骨骼的控制系统通过传感器和计算机算法来感知和分析使用者的运动意图，并将其转化为相应的动作。
传感器可以采集使用者的生物信号，如肌电信号、惯性信号等，以实时监测使用者的运动状态。
计算机算法则通过对传感器数据进行处理和分析，实现外骨骼的智能控制。
控制系统的设计需要考虑到实时性、准确性和稳定性，以确保外骨骼能够与使用者的运动保持同步。
除了结构设计、动力源和控制系统，外骨骼的设计还需要考虑人机工程学和人体工效学的原理。
人机工程学研究如何使外骨骼与使用者的身体结构和运动习惯相适应，以提供最佳的使用体验。
人体工效学则研究外骨骼对使用者身体的影响，以确保外骨骼的设计符合人体工程学的需求。
总结起来，外骨骼设计原理包括结构设计、动力源和控制系统三个方面，同时还需要考虑人机工程学和人体工效学的原理。
通过科学的设计和工程原理，外骨骼能够与人体协同工作，提供额外的支持和动力，为人类增强力量和运动能力提供了新的可能性。
随着科技的不断发展，外骨骼的设计原理也将不断创新和完善，为人类创造更加美好的未来。
三自由度外骨骼机构设计及运动学分析
三自由度外骨骼机构设计及运动学分析目录一、内容概述 (2)1. 研究背景和意义 (2)2. 国内外研究现状及发展趋势 (3)3. 本文研究目的与内容 (4)二、外骨骼机构设计基础 (5)1. 外骨骼机构概述 (6)2. 设计原理及要求 (7)3. 材料选择与结构形式 (9)三、三自由度外骨骼机构设计 (10)1. 总体设计方案 (11)2. 关节设计 (13)3. 传动系统设计 (14)4. 结构优化与安全性分析 (15)四、运动学分析 (16)1. 运动学基础理论 (18)2. 外骨骼机构运动学模型建立 (19)3. 运动学方程与参数求解 (20)4. 运动学仿真与验证 (22)五、实验与分析 (22)1. 实验系统设计 (23)2. 实验方法与步骤 (24)3. 实验数据收集与处理 (26)4. 实验结果分析 (27)六、外骨骼机构性能评价与改进建议 (29)1. 性能评价指标体系建立 (30)2. 机构性能综合评价 (31)3. 改进建议与方向探讨 (32)七、结论与展望 (33)1. 研究成果总结 (34)2. 学术贡献与意义阐述 (35)3. 未来研究方向及挑战分析 (36)一、内容概述本文档旨在设计并分析一个具有三自由度的外骨骼机构，外骨骼是一种用于帮助残疾人士恢复或增强肌肉功能的装置，它可以提供稳定的支撑和动力传递，从而改善患者的运动能力。
本文档将详细介绍外骨骼机构的设计原理、关键部件以及运动学分析方法。
我们将介绍外骨骼机构的基本结构和工作原理，我们将详细描述外骨骼的关键部件，包括关节、驱动器、传感器等，并对这些部件进行性能分析。
我们将采用数学模型对外骨骼的运动学特性进行建模和分析，包括关节角度、关节速度、关节加速度等参数。
我们将通过实验验证所设计的外骨骼机构的性能，并讨论其在实际应用中的潜力和挑战。
1. 研究背景和意义随着科技的快速发展，人机交互技术已成为当前研究的热点之一。
外骨骼机构作为人机交互领域的一个重要分支，因其能够增强人体能力、辅助运动功能或提供保护等特点，受到了广泛关注。
外骨骼机器人的设计与控制
外骨骼机器人的设计与控制一、引言近年来，随着科技的不断发展，外骨骼机器人作为一种前沿的机器人技术，引起了人们的广泛关注。
外骨骼机器人，是一种可以模拟人体肢体结构，通过机械装置的协助，增强人的运动功能及承重能力的机器人。
外骨骼机器人在军事、医学及民用方面等多个领域具有广泛的应用前景。
二、外骨骼机器人的设计（一）外骨骼结构设计外骨骼结构设计是外骨骼机器人设计的重要环节，主要包括外骨骼机器人的结构设计及材料选择。
外骨骼机器人必须具备高强度、轻量化、耐磨损等特性，设计者需要根据应用场景的不同，选择合适的材料和结构形式。
目前，常见的外骨骼结构设计有骨骼结构、气压驱动结构、电动驱动结构等多种形式。
（二）动力设计外骨骼机器人需要强大的动力支持，才能满足复杂的动力需求。
外骨骼机器人的动力支持可以采用电动助力、气动助力、液压助力等多种方式，设计者需要根据应用场景的需求，选用合适的动力系统。
（三）传感器及控制系统设计外骨骼机器人需要高效的传感器及控制系统来实现机器人的控制及运动。
传感器主要用于感知机器人的环境信息，包括机器人的姿态、位置、力等信息。
控制系统主要用于实现机器人的控制，包括关闭/开启外骨骼机器人、稳态控制、动态控制等功能。
三、外骨骼机器人的控制外骨骼机器人的控制是外骨骼机器人设计的重要环节，控制策略是实现外骨骼机器人稳定控制的核心。
外骨骼机器人的控制可以采用PID控制、LQR控制、模糊控制等多种方式，下面将以LQR控制为例进行介绍。
（一）LQR控制LQR控制（线性二次调节控制）是一种优化控制方法，主要用于线性动态系统的控制。
LQR控制依据系统动态特性，设计优化控制器进行系统稳态控制。
LQR控制具有设计简单，控制精度高等优点，近年来在外骨骼控制领域得到了广泛的应用。
（二）LQR控制在外骨骼机器人中的应用外骨骼机器人的控制主要包括稳态控制与动态控制。
稳态控制指的是机器人在不进行运动时的稳定性控制；动态控制指的是机器人运动时的力矩控制。
外骨骼机器人设计与控制研究
外骨骼机器人设计与控制研究随着科技的不断发展，外骨骼机器人成为了一个备受关注的研究领域。
外骨骼机器人是一种能够帮助人类完成工作或改善行动功能的机器人装置，它通过感知人类的运动意图并提供力矩支持来增强人类的行动能力。
在本文中，我们将探讨外骨骼机器人的设计与控制研究。
第一部分：外骨骼机器人的设计外骨骼机器人的设计需要考虑多方面的因素，包括机械结构、传感器、执行器以及控制系统等。
首先，机械结构的设计应该考虑人体工程学原理，确保机器人能够与人类身体接触的部分尽可能符合人体的形态和运动特点。
此外，机械结构的材料选择也需要考虑到机器人的重量和耐用性。
其次，传感器在外骨骼机器人的设计中起着至关重要的作用。
传感器能够感知人体的姿态、力矩和力量等信息，并将这些信息传递给控制系统。
常用的传感器包括惯性测量单元（IMU）、压力传感器和肌电传感器等。
这些传感器能够提供准确的生物信号数据，从而帮助控制系统识别人体的运动意图。
第二部分：外骨骼机器人的控制外骨骼机器人的控制是保证机器人能够与人类协同工作的关键。
控制系统需要通过传感器获取的生物信号数据来判断人体的运动意图，并将其转化为相应的机器人动作。
常用的控制算法有基于PID控制器的位置控制、基于模糊逻辑的力矩控制以及基于神经网络的运动识别等。
同时，控制系统还需要具备实时性和稳定性。
实时性是指控制系统能够在较短的时间内响应和适应人体的运动变化。
稳定性是指控制系统能够保持与人体协调稳定的状态，避免对人体造成不必要的力矩或冲击。
第三部分：外骨骼机器人在康复医疗领域的应用外骨骼机器人在康复医疗领域有着广泛的应用前景。
外骨骼机器人可以帮助患者进行重训练，恢复受损的运动功能。
通过感知患者的运动意图并提供力矩支持，外骨骼机器人可以引导患者进行正确的运动方式，并加强患者的肌肉力量和运动协调性。
此外，外骨骼机器人还可以在工业领域和军事领域发挥重要作用。
在工业生产中，外骨骼机器人可以帮助工人完成繁重的劳动任务，减轻工人的负担并提高工作效率。
毕业设计开题报告
(3)设计外骨骼手部康复机器人控制系统的硬件部分，对CPU的选型及特征、传感器数据采集、人机交互设计等方面进行全面的介绍；
(4)设计外骨骼手部康复机器人控制系统的软件部分，首先对开发环境的使用进行说明，然后对数据采集、数据输出等模块进行程序设计，实现外骨骼康复机器人控制系统的功能，从而可以辅助患者进行康复训练。
选题依据（选题经过，国内外动态，初步设想及创新点等）及可行性论述。
英国曼彻斯特大学科研人员研制出一种外骨骼式康复机构，如图1.4所示。整个机
构由三个部分组成，①外骨架模块；②手套模块；③电机驱动模块。
美国卡内基梅隆大学机器人研究所的科研人员研制处一种新型的手部CPM机。如图1.5所示，该机构的大拇指固定，近关节和远关节的运动采用平面四杆机构设计，驱动器采用气动驱动，能达到一定的康复效果。
外骨骼机器人是一种结合了人的智能和机械动力装置的机械能量的一种的机器人，是人与机的有机结合体，它可以辅助人承受负载，有效地增强了人的负重能力，帮助人们在各种复杂的地形上面行走。外骨骼技术是一种复杂的人机技术，在国际上发展迅速，但在我国还处于起步阶段。
虽然现代机器人控制技术有了长足的发展，还远达不到人的智力水平。因此，将人的智能与机器人所具有的强大的机械能量结合起来，综合为一个系统，将会带来前所未有的变化，这便是外骨骼机器人的设计思想。
外骨骼机器人，顾名思义，外骨骼的概念在美国科幻电影中出现已有数十年的历史，但鉴于基础技术的限制，它从来就不是一个实践性的概念。但是时代在进步，科技也迅猛发展，由小罗伯特主演的《钢铁侠》系列电影形象生动描述的外骨骼机器人，即可穿戴机器人就可以看出来——外骨骼机器人已经不是神话，是如今真真正正存在的了，是可以实现的。
下肢助力外骨骼机构设计与研究毕业论文
硕士学位论文下肢助力外骨骼机构设计与研究RESEARCH AND MECHANISM DESIGN OF LOWER LIMB POWER EXOSKELETONS（全日制工程型）国内图书分类号：TP242.6 学校代码：10213国际图书分类号：621 密级：公开工程硕士学位论文下肢助力外骨骼机构设计与研究Classified Index: TP242.6U.D.C: 621Dissertation for the Master Degree in EngineeringRESEARCH AND MECHANISM DESIGNOF LOWER LIMB POWER EXOSKELETONS哈尔滨工业大学工程硕士学位论文0要外骨骼研究已成为国内外机器人技术领域研究的热点。
外骨骼机器人能够有效结合人类的智慧和机器人的强壮，让复杂环境下的负重难题不复存在。
随着单兵作战装备重量的提高，一款适用于士兵穿戴，能有效提高士兵负重能力，且适用于各种复杂环境的外骨骼机器人具有极大的应用前景。
本论文围绕下肢助力外骨骼的机械驱动系统设计、运动学和动力学分析、传感系统设计及仿真和实验等关键问题进行了深入的研究。
在对人体下肢运动机理进行仔细分析的基础上，本论文对下肢助力外骨骼的机械驱动系统进行了设计和研究。
根据仿生设计的方法，对外骨骼的髋关节、膝关节和踝关节等结构进行了设计，并对髋关节、大腿连杆、小腿连杆等关键零部件进行了有限元力学分析；最后结合关节肌肉运动机理，对外骨骼液压驱动系统方案进行了设计。
针对外骨骼机械结构，本论文对下肢助力外骨骼进行了运动学及动力学分析。
对外骨骼机械腿进行 D-H 建模，求解运动学正解，采用微分变换法求雅克比矩阵。
然后采用拉格朗日功能平衡法，对外骨骼进行动力学求解。
根据外骨骼整体结构和控制策略，本论文对下肢助力外骨骼的传感系统进行了设计。
通过分析人体足底压力分布信息，对压力传感器进行了选取和布位，并设计传感鞋，保证采集压力的可靠性和传感器的安全性。
外骨骼机构毕业设计
外骨骼机构毕业设计外骨骼机构毕业设计在现代科技的飞速发展下，外骨骼机构作为一种新兴的技术手段，逐渐引起了人们的关注和兴趣。
外骨骼机构是一种能够增强人体力量和运动能力的装置，通过机械结构和电子控制系统的结合，可以帮助人们完成一些原本较为困难的动作。
因此，外骨骼机构的设计和应用已经成为了许多工程师和科学家们关注的热点话题。
毕业设计是大学生们展示自己专业知识和技能的重要机会，而外骨骼机构作为一个前沿的科技领域，为毕业设计提供了丰富的素材和创新的空间。
在进行外骨骼机构的毕业设计时，首先需要明确设计目标和需求。
比如，设计一个能够帮助行动不便的人们恢复行走能力的外骨骼机构，或者设计一个能够提高工人劳动效率的外骨骼机构等等。
明确目标后，设计者需要进行相关的研究和分析，了解外骨骼机构的原理和现有的技术水平，以便更好地设计出符合实际需求的装置。
在进行外骨骼机构的设计过程中，需要考虑多个方面的因素。
首先是机械结构的设计，包括骨架的材料选择、关节的设计和传动装置的设计等。
这些都需要考虑到机械强度、重量、稳定性等因素，以确保外骨骼机构的安全和可靠性。
其次是电子控制系统的设计，包括传感器的选择和布置、控制算法的设计和实现等。
这些都是保证外骨骼机构能够根据人体动作进行精确控制的关键因素。
此外，还需要考虑外骨骼机构与人体的适配性问题，如人体工程学和人体力学等方面的知识将起到重要的作用。
在设计过程中，还可以考虑一些创新的思路和技术。
比如，结合虚拟现实技术，可以为外骨骼机构增加交互性和沉浸感，使使用者更加自然地控制装置。
另外，利用人工智能技术，可以使外骨骼机构具备自主学习和适应能力，提高装置的智能化水平。
这些创新的思路和技术将为外骨骼机构的设计带来更多可能性和发展空间。
除了设计和制造外骨骼机构，毕业设计还需要进行相关的测试和评估。
通过对外骨骼机构的性能和使用效果进行测试和评估，可以发现潜在的问题和改进的空间，并为后续的研究和开发提供参考依据。
机械外骨骼科学作文
机械外骨骼科学作文朋友们！今天咱们来唠唠超级酷的机械外骨骼。
你有没有想过，要是自己能像超级英雄一样力大无穷、行动敏捷呢？机械外骨骼就能让这个梦想离咱们普通人近一点。
先说说这机械外骨骼长啥样吧。
它就像是给人穿上了一层金属的“皮肤”，从腿到腰，再到胳膊，到处都是精密的机械结构。
那些关节处就像是机器人的关节，闪着金属的光泽，充满了未来感。
这玩意儿可不仅仅是看起来酷，它的用处大着呢！就拿搬东西来说吧。
咱们平常要是搬个大箱子，可能累得气喘吁吁的，特别是那些特别重的东西，简直能把人压垮。
但是有了机械外骨骼就不一样啦。
你就像突然变成了大力水手吃了菠菜一样。
只要启动外骨骼的力量辅助系统，那大箱子就好像变轻了好多，轻松就能举起来，而且还能走得稳稳当当的。
在一些危险的工作环境里，机械外骨骼更是大显身手。
比如说在那些地震后的废墟救援现场。
废墟里到处都是乱七八糟的钢筋水泥，空间又狭小，救援人员穿着机械外骨骼就可以轻松地在这种危险又复杂的环境里穿梭。
他们可以轻松搬开那些巨大的石块，不用担心自己被压到，因为外骨骼能承受很大的压力，就像给救援人员穿上了一层坚固的铠甲。
还有哦，对于那些在军队里的战士们，机械外骨骼也是超级有用的。
想象一下，战士们穿着它长途行军，一点都不会觉得累。
而且在作战的时候，奔跑、跳跃、攀爬都变得更加轻松。
比如说在抢占高地的时候，穿着机械外骨骼的战士可以轻松地爬上陡峭的山坡，就像蜘蛛侠一样敏捷，敌人估计都得吓傻了眼。
不过呢，这机械外骨骼也不是十全十美的。
它得有能源才能工作啊。
要是在执行任务的时候突然没电了，那可就有点尴尬了。
就像你正跑得欢呢，突然脚抽筋了一样。
而且这玩意儿造价可不便宜呢，不是随随便便就能装备到每个人身上的。
但是科学家们可没有停下改进它的脚步。
他们一直在想办法让机械外骨骼的能源更持久，让它的结构更轻便、更灵活。
说不定在不久的将来，我们走在大街上就能看到很多人穿着机械外骨骼呢。
到时候，可能会有机械外骨骼运动会，大家都在比赛谁能搬起更重的东西，谁能跑得更快，哈哈。
毕业设计_机械外骨骼
目录目录 (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)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 (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 (21)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)仿生机械的三维设计——机械外骨骼的设计1 绪论1.1 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。
基于人机工程学的无动力下肢外骨骼设计研究
基于人机工程学的无动力下肢外骨骼设计研究一、无动力下肢外骨骼概述无动力下肢外骨骼是一种可穿戴设备，可以通过辅助运动系统来改善使用者的运动功能。
它是一种高新技术产品，具有轻便、柔韧和适应性强等特点。
无动力下肢外骼主要通过机械结构和材料来提供力量支持和运动辅助，帮助使用者恢复部分行走能力。
目前，无动力下肢外骼已经应用于康复医学、物流行业和军事领域等多个领域。
二、基于人机工程学的无动力下肢外骼设计原则1. 人体工程学原则：无动力下肢外骼的设计应考虑使用者的身体结构和运动特点，保证其穿戴舒适和运动自然。
通过对人体骨骼和肌肉结构的深入分析，设计合理的外骨骼结构，保证其与人体的匹配度。
外骨骼的重量和体积也要考虑使用者的承受能力，避免给使用者带来额外负担。
2. 智能控制原则：无动力下肢外骼应结合智能控制技术，能够根据使用者的动作意图实现即时响应。
通过传感器和算法，实现外骨骼与使用者的实时互动，提高外骨骼的适应性和协调性。
外骨骼还应具备智能识别和预测功能，能够提前感知使用者的行走意图，为其提供更有效的支持。
3. 多样化需求原则：无动力下肢外骼的设计需要考虑不同使用者的多样化需求，包括身高、体重、行走能力等方面。
设计师应根据实际情况，考虑到不同人群的特殊需求，提供个性化的解决方案。
外骨骼还应具备可调节性和模块化设计，以便根据使用者的需求进行灵活调整和组装。
三、无动力下肢外骼设计研究案例分析以利用基于人机工程学的原则，对无动力下肢外骼进行设计研究，并选择了以下两个案例进行分析。
1. 案例一：可穿戴式下肢外骼设计团队结合人体工程学原则，对可穿戴式下肢外骼进行了改进。
通过模拟人体骨骼和肌肉结构，设计出更符合人体工程学的外骨骼结构，并选用轻量化材料，减少外骨骼的重量和体积。
外骨骼还配备了智能控制系统，能够实现与使用者的即时互动，并能够根据使用者的行走意图进行智能调节。
在试验中，使用者对这款外骨骼的舒适性和适应性都给予了积极评价。
一种民用机械外骨骼助力装置的设计
一种民用机械外骨骼助力装置的设计【引言】随着科技的不断进步和人们对生活品质的要求不断提高，民用机械外骨骼助力装置成为了一个备受关注的话题。
这种装置可以给予人体肌肉和骨骼系统一定的助力，有助于提升人体活动能力，同时还可以减轻日常生活中的劳动强度和运动伤害。
本文将针对一种民用机械外骨骼助力装置的设计进行详细论述。
【设计框架】【传感器系统】传感器系统是民用机械外骨骼助力装置中的一个重要组成部分，它可以用于实时监测用户的身体姿态、肌肉活动、心率等信息。
在设计中可以包括以下常见传感器：加速度传感器、陀螺仪、电压传感器、压力传感器等。
这些传感器可以将所采集到的数据传输给控制系统，从而实现装置的智能化调节。
【执行系统】执行系统是民用机械外骨骼助力装置中的驱动部件，可以根据用户需求提供适当的助力。
执行系统主要包括外骨骼框架、电机、液压机构等部件。
外骨骼框架需要根据人体工程学原理设计，以确保装置与用户身体的相对稳定性。
电机和液压机构可以根据传感器系统和控制系统的指令提供相应的助力。
【能源系统】能源系统为民用机械外骨骼助力装置提供能量支持，以保证其正常运行。
常见的能源系统包括电池、超级电容器等。
设计中需要考虑能源系统的容量和重量，以及电池的寿命和充电时间等因素。
【控制系统】控制系统是民用机械外骨骼助力装置的智能调节中枢，它可以根据传感器系统提供的数据和用户的需求进行精确控制。
在设计中可以采用传统的PID控制算法，或者更先进的模糊控制算法。
为了提高用户体验，可以将控制系统与手机APP等设备进行连接，用户可以通过APP对装置进行设置和调节。
【结构设计】在结构设计中，需要考虑装置的整体稳定性和用户的舒适度。
外骨骼框架可以采用先进的材料如碳纤维增强复合材料，以减少重量并提高刚度。
同时，可调节的连接件和垫片可以用于适应不同体形的用户，并提供相应的舒适感。
【安全性和可靠性】在设计中，安全性和可靠性是至关重要的考虑因素。
太重的装置可能会增加用户的负担，不合理的外骨骼力矩分配可能会导致运动伤害。
外骨骼机械结构
外骨骼机械设计结构分类1. 类人外骨骼类人型外骨骼设计必须考虑适应每个操作者的身材体型以及承载能力2. 非类人型外骨骼BLEEX外骨骼设计髋关节3自由度AddUCtiOnFig. 3 BLEEX HiP DegreeS ^rFrCedυin (⅞ iewed from back).AlthoUgh botħ the ahdπcτiπn∕addLicrion Find IIeXion r eXTenSion axes p≈ι⅛s through rhe center Of Ihe huniatι hip joint, (he rotaiion axis does not. TlIe ad justment bracked ber⅛veeπ The πvπ abducti∩n/IddllCt⅛n (IXeS I is replaceaħk t∩ Accorriinndafe WCarCrS Ot VariouS widths.1»膝关节1自由度踝关节1自由度FICXibk I OCFlexlon/EXtCnSion ∖I Ahduction/ AddUCtiOnFig. 4 BLEEX AnklC DCgrCCS Of Freedom. Only Ihe flexion extension axis pas⅛e⅛ IhrolIgb Ihe humarι∖ ankle jυιτιt, AbdLICtiυπ∕adduc(ion and rol<ιlionaxes πrc not powered, but arc CqUiPPCd Wilh appropriate impedances.HUIllanBLEEX LoolROtatiOn :■SPring StCCl PIateS旋转角度范围TABLE 1执行器选择HiP AbdUCtion/ AddUCtlOn (actuated) TOeFIeXiOn/Extension (COmPliant) ∖ HlPFleXiOn/Extension > (actuated) AnkIeAbdUCtlOn/Adduction (ComPIiant)Ankle Plantarflexion/ DOrSifleXiOn (actuated) Eig. S BLELiX Degrees OfFreedom.液压执行器能量消耗ASSU ming a SUPPly PreSSUre Of 6.9 MPa (1000 psi), the BLEEX actuators are SiZed to ProVide the joint torques See n in CGA data [24]. BLEEX USeS 19.05 mm (0.75 in Ch) bore,double-acti ng Iin ear PiSt On-cyli nders for all its join ts. OnCe the actuator SiZeS and moun ti ng POSiti OnS Were chose n to en SUre the required range of moti On [Table 1] and required torque [24], the joint velocity data WaS USed to determine the average fluid flow rate required to walk. The power SOUrCeS built for BLEEX all PrOVide a Con Sta nt SUPPIy PreSSUre of 6.9 MPa (1000 PSi) to the SerVOVaIVeS at all times, regardless of the desired actuator force and speed. Therefore, the average hydraulic power for each actuator is determined by multiplying the average flow rate by the SUPPIy PreSSUre. For BLEEX, the ankle, knee, and hip flexion/extension joints require an average of 1.3 kW of hydraulic power to walk [24]. An additi Onal 540 W of hydraulic power is n ecessary for man euversothertha n walk ing and for the hip abduct ion/adducti On actuators. 4-way, double-stageHiP ROtatiOn (COmPliant)Knee FIeXiOn ×(actuated)Ankte ROtatiOn(Un-actuated)；SerVoValVeS Were SeleCted to Con trol the actuators due to their high ban dwidth, high flow rates, and low electrical power requirements. TheSe VaIVeS require approximately 28 W of hydraulic power each, so the eight VaIVeS Con SUme 224 W total. The total hydraulic power requireme nt for the 75 kg BLEEX (and payload) to walk at 1.3 m/s is approximately 2.27 kW, or 3.0 hp (including a 10% Safety factor) [24]BLEEXOFig. 9 HLEEX Model (Sim 卩lif⅛d to CnIPhaSiZC major components)AttaChment TO HarneSSSPineHiP FIeXiOn JOintHiP ACtUatOr Knee JOint AnkIe ACtUatorAnkle FleXiOnJOintPayIOad & POWerSUPPIy MOUnt ThighShankFOOtKnee ACtUatOrBearingBearingEnCOderFig. 10 BLEEX JOint Design. All actuated BLEEX JOintS are designed With greatPreCiSiOn to resist Iarge Ofr-axis InOlnentS and CXhibit IittIe fi βiction WhilCCOnCeaIing the joint CnCOdCrS ・ACtUatOr MOUntFig. 11 BLEEX FOOt DeSign (exploded VieW)FOrCe SenSOr AnklC IvlaniroldKnee COnrIeCtioIIAnkIe ValVeLengthAdjUStmentAnkle ACtUatOrACCelerOmeterSUiliVCrSaI JOintFig. 12 BLEEX Shank DeSignAlIkIC COlIneCtiOllKIlee ACtUatOrACCeIerOmeter KlIee COn nectionKnee & HiPManifOldKneeVaIVCHiPVaIVC HiP ACtUatOrHiP COnneCtiOnLengthAdjustmentFOrCe SenSOrUniVerSal JOintFig. 13 BLEEX Thigh DeSignACCClerOmCterHiP AbdUCtiOnVaIVeHiP AbdUCtiOnIVlaniroIdHiP AbdUCtiOnACtUatorIlIClinOmeterRIOMSSlOivlFig. 14 BLHEX IorSO DeSign (VieWed from backside)。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
目录目录 (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)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)仿生机械的三维设计——机械外骨骼的设计1 绪论1.1 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。
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。
1.1.2 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。
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。
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(DARP A)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。
DARP A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DARP A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。
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。
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。
（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。