毕业设计（论文）-两自由度Ⅲ型椭圆运动机设计（全套图纸）.pdf

无锡职业技术学院 二 OO 七年四月 题目： 两自由度型椭圆运动机设计 姓 名： 指导教师： 学科专业：机械工程及自动化 毕毕 业业 设设 计计（论文论文） 摘 要 椭圆运动机已经广泛的运用在健身与保健医疗器材， 尤其是具有二自由度的七杆八 接头椭圆运动机，因为可以配合使用者身材调整运动行程，比只具有一个自由度的四杆 或六杆椭圆运动机具有较弹性的调整空间，可让使用者达到意想不到的效果。在此设计 过程中主要依据严氏创意机构设计方法中的一般化原则、数目合成、特殊化和具体化、 有系统的找出满足设计需求及限制的可行改良设计椭圆运动机构造。 由可行的机构图谱 中剔除现有之椭圆运动机，获得具有二自由度的椭圆运动机型。 关键词：椭圆运动机，创新结构设计理论，二自由度 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 ABSTRACT The elliptical trainer has been widely applied to the equipments of fitness and rehabilitation. Especially, the two- degree freedom elliptical trainer, with seven links and eight joints, can adjust the motion excursion to match the users statue and make user to obtain different athletics effects. Hence it has more adjustment space then the one- degree freedom elliptical trainer with four links or six links. In this paper, we refer the present patents to specify our design demands and restricts for the elliptical trainer. Then by using Yans creative mechanism design methods which include generalized principles, number synthesis, specialization, and particularization, to obtain the practicable structure of the elliptical trainer. Eliminated the exiting mechanism from the feasible kinematics diagrams, we obtain five kinds of creative mechanism for two- degree freedom elliptical trainer. The achievements of this paper not only can provide developing reference for fitness equipments, also can provide teaching tool for creative mechanism design courses. Key words: Elliptical trainer, Creative mechanism design, Two- degree freedom 目目 录录 摘摘 要要. ABSTRACT 第一章第一章 研究价值和理论基础研究价值和理论基础1 1.1 市场调查现状1 1.2 踏步机的发展1 1.3 新型踏步机研究的理论基础3 第二章运动机整体设计第二章运动机整体设计 4 2.1 确定运动机型4 2.2 运动分析6 2.3 确定整体尺寸8 第三章第三章 零件的设计零件的设计9 3.1 轴的设计与较核9 3.2 轴承的选用11 参考文献参考文献18 致致 谢谢19 译文及原文译文及原文20 第一章 研究价值和理论基础 11 市场调查现状 根据调查越来越多人感觉到需要使用健身器材来锻炼以保障他们的健康生 活， 目前市场上依不同的锻炼需求有各适的健身器材供选择，健身器材的优点包 括： （1）可在室内使用而不受天气影响。 （2）居家使用可不受时间及外在环境因 素的限制等。踏步机则是主要用于锻炼下肢小腿的健身器材，并且有助于预防骨 骼疏松症，操作容易不需额外的训练，有些类型的设计也可同时有锻炼上肢的运 动。在研究上发现，不同形式的踏步机分别可模拟不同的运动方式，包括踏步， 走路及爬楼梯等运动，对于有膝关节疾病的使用者，或是下肢复健的患者，并不 是每种健身器材都适合使用。 椭圆运动机广泛运用在健身与医疗保健中，可以增进心肺功能以及运动健 身的功效外，亦可以避免跑步时膝关节受运动冲击而形成的运动伤害。目前市面 上的运动机，大多数是一个自由度的机构，无法调节运动行程，对于使用者身体 状况的不同，所需的配合度明显的不足，是其缺点之一。 由于人走路的轨迹近似椭圆，籍由连杆机构设计，使椭圆机脚踏板的运动轨 迹能模拟人走路的轨迹， 再以此脚踏板所形成的椭圆轨迹来引导使用者脚部的运 动轨迹，让使用者在运动健身的同时，可以模拟人走路的运动型式。由于在运动 过程中，脚始终不完全离开踏板，因此并不会形成如在跑步的过程中膝关节因撞 击所形成的运动伤害。 12 踏步机的发展 随着科技的进步，健身器材的结构从早期的钢铁材料，朝向钢管甚至塑 料等复合材料的使用，这些材料上的改变不仅可以提高强度、减少重量更能够增 加耐用度；而依照不同的需求及不同的场合，分别有小型轻量化或大型微电脑控 制等两大方向的发展。除了上述的改变外，因踏步机主要着重于使用者的腿部运 动，因此为了模拟脚的踏步、走路以及爬楼梯运动，在传动方式上也有不同的机 构设计，分别有倾斜划槽式、单轴式、平行连杆式、曲柄式循环阶梯式等的传动 机构设计，以下就针对此五种不同传动机构的踏步机，加以分类与分析。 一、倾斜划槽式 此式最大的特征是构型设计上有两道倾斜的划槽，主要构件包含基座、滑动 架、踏板、直立支撑架、油压缸等，并将脚踏板设置于滑动架上的适当位置，每 一个滑动架左右个安装有两滑轮，滑轮可在倾斜划槽内滑动，当使用者踩动保持 水平的踏板时，可籍由滑动架在倾斜划槽上做直线运动。而为了使左右踏板能够 相对上下滑动，则将两支油压缸分别与左右两滑动架固接，并有相连通的油管回 路，籍此相连通的回路来使左右踏板达到连动效果。 二、单轴式 单轴式是结构最简单、杆件数最少、构型最小的一式，此式主体包含有一底 座及设于底座前方的立柱， 立柱上装设一横轴可连接两踏板， 两踏板可上下踩动， 而达到踏步机运动的目的，踏步机并籍由缓冲件的设置而具阻抗效果。 单轴式由于体积小不占空间，适合家居摆放使用，且制造成本及价格相对较 低，容易为一般大众所接受，但由于机构简单，因此只能单纯的脚踝绕圆弧形轨 迹做踏步运动。 三、平行连杆式 平行四连杆利用它有两根相等长度的曲柄而有相等角速度的原理， 使脚踏板 踩动时可保持水平，左右踏板有连动与独立等不同的设计，其中运动的踏板设计 数量较多，独立的设计在锻炼小腿方面较佳，此型机构设计应用于踏步机机构设 计上， 可依照不同设计的平行连杆的运动角度范围及方向来区分，将平行连杆式 分离为：回转型、摆动型、杠杆型等三型。 （1）回转型 此型是采用 360 度旋转的平行曲柄连杆来作设计，包含一对平行曲柄连杆、 及固设于连接杆上的踏板，平行曲柄连杆分别置于结构主体的两侧，两侧的前曲 柄互相呈 180 度直线，后曲柄亦同，在使用者踩踏施力下，前后曲柄作 360 度旋 转，连接杆上的踏板则保持水平。 （2）摆动型 平行连杆式中除了用回转型设计作 360 度旋转外， 也可使用摆动一角度范围 之设计，此型主要设计有两组平行连杆，另包含有基座、油压缸、脚踏板等，将 平行连杆中较短的一对平行杆，其中一杆当地杆，踏板则固接于另一杆，当使用 者踩动施力时， 踏板保持水平并随着一对较长的平行杆两端平面上所产出的弧线 往下踩动， 踩动时可拉伸小腿肌肉踏板最多可达连接于平行连杆的油压缸的行程 终点，因此在油压缸的行程内，可使摆动型的踏板活动在一限制的角度范围内， 此型所模拟出的脚步运动比起倾斜划槽式、单轴式更近似于爬楼梯的动作。 （3）杠杆型 杠杆型的两组平行连杆采用不同于摆动型的配置方式， 此型将平行连杆以横 摆的方式安置于支撑座上，踏板则设置于杆的延伸端上，由于平行连杆的特性使 踏板始终维持水平状态，将较长的一对平行杆于中央处枢接于支撑座上，如此可 使左右两侧的踏板作相对的上下踩动。 四、曲柄式 曲柄式的主要特征是在踏步机的主要机构设计上，皆有曲柄及飞轮的设计， 踏板则设置于连接曲柄的相关杆件上，籍由曲柄旋转动作下，曲柄臂带动相关的 连接杆件，形成可模拟脚步走路、爬楼梯等运动 五、循环阶梯式 循环阶梯式主要是让使用者爬楼梯的训练运动， 此类的特征主要是在机构上 拥有若干环接的阶梯，当使用者立于阶梯板上时，利用中心带动阶梯板，如此可 以让使用者真正的做爬楼梯运动， 但是整体构型相对于其他类别要来的大因此较 不适合在空间不大的住家使用， 不过此类最大的是做爬楼梯运动抬起的一脚会与 踏板分离因此可以真正模拟爬楼梯运动，此式可供专业的健身训练使用，缺点是 循环阶梯式它属于冲动方式的踩踏运动因此对于机械元件会有较多的损耗。 13 新型踏步机研究的理论基础 市场上有关椭圆运动机的专利很多， 其中刘等人提出具二个自由度之七杆八 接头机构，该机构特别将曲柄杆设计成由主曲柄杆与副曲柄杆相互组接而成，并 于该主、副曲柄杆间设有电动伸缩结构及控制电路，使其可依使用者需要，控制 曲柄伸缩长度，以配合使用者身材或动作速度，自动改变两踏板前后最大间距， 其结构设计符合人体工学，有效发挥运动功效。罗与廖提出运动量调整踏板的滑 移行程，改变椭圆运动轨迹的可调整行程椭圆运动机。郭冈提出具有可调变运动 轨迹长短径功能的椭圆运动机，可满足前后脚跨距不同的使用者训练或复健。郭 提出椭圆运动机的改良，可迅速调变椭圆运动机的轨迹的长短轴，且能有效减轻 左右摇杆的支撑负载，使运动重心更加平稳安全。李整合踏步及椭圆形回转运 动， 并配合一活动插销折合结构，使健身器兼具踏步机及椭圆形回转运动的健身 功能，并可快速折合，节省占用空间。陈提出椭圆轨道踏步机结构，在连动承杆 设导槽，以供 u 型滑座滑动，改良结构设计，使得椭圆轨道踏步机更顺畅、更稳 固。 郭提出可缩小整体组装宽度，并可提高脚踏行程的椭圆形的运动轨迹脚踏系 统。 第二章运动机整体设计 21 确定运动机型 由第一章所讲述的运动机专利资料，发现刘2七杆八接头椭圆运动机具有 二个自由度， 可藉由其中一个自由度； 当作输入调整行程， 并在设定好行程之後， 将其固定：使机构退化为一个自由度，使得椭圆运动机只需一个输入源即可作拘 束运动，比其一个自由度的四杆或六杆椭圆运动机，有较弹性的调的整空间，可 让使用者达到不同的运动效果。在此设计中主要运用颜氏创意性结构设计方法， 定出设计需求与限制，再依据一般化原则、数目合成及特殊化过程，找出满足设 计需求与限制的运动链图谱，将得到的运动链经过具体化，有系统的找出可行的 改进型设计，即可完成具有二自由度的椭圆运动机的设计。下图是一个二自由度 的椭圆运动机。 首先对其进行分析，根据平面自由度公式：F=3（N-1）-2J1-J2 其中 N 为机件数目，为自由度为一的接头数目，为自由度为 2 的接头数目， 所以此机构的自由度为： F=3（7-1）-2*8=2 整个椭圆机动作时，有机架上端的把手杆的把手前后摆动，带动具有他板的 滑杆， 另于机架上设有传动机构， 该传动机构联动一转轴， 该转轴端部连设曲柄， 而曲柄杆则与上述滑杆的另一端相连接，使滑杆在动作时，能够沿着机架上的滑 座轨迹滑动。其主要的特征，在于两者之间设有电动伸缩结构和控制电路，配合 使用者的身材调整曲柄的伸缩长度，自动控制改变两踏板前后最大间距，符合人 体工学的概念，有效的发挥运动功效。 分析具有两个自由度的七杆八接头的椭圆运动机时，因只有一个输入，为了 使此机械能够做拘束运动，可以用其中一个自由度当作是输入调整，以配合使用 者或动作速度，自动改变前后两踏板的最大间距，调整后将其固定，使整体机构 只有一个输入， 即可形成一个拘束运动。 在此通过运用颜氏创意性机构设计方法， 产生符合设计需求的及限制的运动链图谱，再经过具体化过程，找出可行的改良 设计椭圆运动机构造。 在此设计的需求与限制为: 1）滑件与活塞必须与固定杆相连，且活塞杆与气压缸只能为为二接头杆。 2）自由度为二。 3）为使机构能做拘束运动，在设计好行程之后，需将活塞杆固定，以使机 构自由度退化为一。 4）若固定杆为二接头杆，机架将缺少把柄，因此固定杆只能为三接头杆。 特殊化过程主要为: 1）指定机架 2）指定滑件 3）指定活塞杆与气压缸。 其分析过程附图 在这里采用如下的分析结果来进行设计 22 运动分析 很明显这是一个七连杆机构，对其进行运动分析首先要固定一个运动副使 其运动唯一。在这里选择固定滑动调节单元，则七连杆机构就变成了四杆的曲柄 滑块机构，考虑到运动机的体积和人体自身的特点我们选择 L3=200mm， L4=900mm，此运动分析的主要目的是检验所定的尺寸是否能满足人体工程学的 要求模拟出一个近似的椭圆。此运动分析的方法有两种：作图法，解析法。 作图法：概念清晰、形象直观，但是作图烦琐，一旦尺寸变动就要重新作 图，工作量较大。 解析法：对操作者的要求较高，其要求操作者要有一定的数学功底，能正 确的算出点坐标的表达式，再通过计算机编程模拟出运动轨迹。虽然其计算、编 程等过程中易出现错误， 但是一旦程序调试成功那么只需改变参数的数值就能得 到想要的结果，而且精度较高。解析法运动分析的大致步骤如下： 1)建立数学模型 首先应选定直角坐标系，一般将圆点取在一个固定铰链上，一个坐标轴与 机架重合。其次选取各杆的矢量方向和转角（一般各杆转角规定以 X 轴正向为 基准，逆时针为正；对连架杆其矢量方向由固定铰链向外，以便标出其转角） ， 绘出机构的封闭矢量多边形。然后写出机构机构封闭矢量方程式，向坐标轴投影 写出机构独立运动方程， 进行位置分析， 进而用矩阵方法进行速度和加速度分析。 2)根据数学模型设计、编制和调试程序 3)上机计算，输出计算结果 4)分析和校验计算机计算结果 当固定了一个移动副时，其就变成了一个曲柄滑块机构对起竟他进行运动 分析就相对简单许多。其简化后的机构简图如下 考虑到踏步机的整体设计现把踏板脚尖放在 D 的这个位置，如图所示 现在用解析法对其进行位置分析设定逆时针为角的正方向,Y 轴既经过铰链 A 向上为正,X 轴向右经过铰链 C 为正。 现对其进行运动分析如下： 作辅助线 BE 在 Y 方向上有 AB*SinA+e=BC*Sin(180- m) BE=AB*SinA CE=(BC2- BE2)1/2 180-m=tan -1(BE/CE) m=180- tan -1(BE/CE) D 点的坐标可表示为 YD=CD*Cos(180-m+10) XD=AB*Cosa+BC*Cos(180-m)-CD*Cos(180-m+10) 通过 VB 对其进行编程模拟轨迹主要是较核 e 在什么范围内 D 点的轨迹是一 个椭圆 窗体用四个 lable 控件其 caption 分别设为 L3=200mm， L4=900mm， L5=350mm 和”e=” 一个 Text 控件其 text 属性设为空，一个 command 控件其 caption 属性设 为轨迹模拟 程序编制如下 Private Sub Command1_Click() Dim a As Integer, x As Long, y As Long, e As Integer, m As Long Const d = 3.14159265 e = Text1.Text For a = 0 To 360 m = 180 - 180 / d * Atn(200 * Sin(a * d / 180) + e) / (900 2 - (200 * Sin(a * d / 180) + e) 2) (1 / 2) x = 6 * (200 * Cos(a * d / 180) + Cos(180 - m) * d / 180) * 900 - 350 * Cos(180 - m + 13) * d / 180) y = 6 * 350 * Sin(180 - m + 13) * d / 180) PSet (x, y), RGB(255, 0, 0) Next a End Sub 通过在 text 键入数值再单击按钮就可以从窗体上看到 D 点的轨迹 通过模拟可以看出e在300到450毫米范围内点的轨迹是一个近似的椭圆能 满足要求。 23 确定整体尺寸 根据上一节所确定的尺寸来确定运动机在两个极限位置的尺寸很显然在 e=450 且 AB 和 BC 滑块离铰链 A 最近，当 e=300 且 AB 和 BC 在一条直线上是滑块 离铰链 A 最远，这样就确定了滑槽的基本位置 Lmax=（(200+900) 2-3002）1/2=1058 Lmin=（(900-200) 2-4502）1/2=536 Lmax-Lmin=522 可见滑槽的长度不可以小于 522mm 根据人体工学的要求将踏步机的大体尺寸定为 总长=1540mm 总宽=500mm 总高=1500mm 祥见装配图 当的范围确定好了之后就是确定移动副的调节范围， 其可以用作图法来求得 其过程如下 58 A B C 150 B1 C1 O O1 O1B=193mm O1B1=373mm 可见调节装置要有 80mm 的调节范围。 根据人体工学把两踏板间的距离设计为 330mm 第三章零件设计第三章零件设计 31 轴的设计与较核轴的设计与较核 作为回转运动的零件都要装在轴上来实现其回转运动，大多数轴还起着传 递转矩的作用。轴要用滑动轴承或滚动轴承来支撑。长见的轴有直轴和曲轴，曲 轴主要用于作往复运动的机械中。在次设计中，就只讨论直轴。根据轴的承载情 况可分为转轴、心轴和传动轴三类。 轴主要由轴颈、轴头、轴身三部分组成。轴上被支撑部分叫轴颈，安装轮毂 部分叫做轴头，连接轴颈和轴头的部分叫做轴身。从节省材料、减少质量的观点 来看，轴的各截面最好是等强度的。但从加工工艺的观点来看，轴的形状却是愈 简单愈好。简单的轴制造时省工，热处理不易变形，并有可能减少应力集中。当 决