毕业设计（论文）-机械外骨骼系统设计

普通本科毕业设计论文课题名称机械外骨骼系统设计学院专业班级学号姓名指导教师教研室主任院长2022年4月5日

目录TOC\o"1-3"\h\u18956摘要 426688Abstract 625050第一章绪论 7262831.1课题研究的意义及目的 8154311.2国内外的发展趋势和现状 10299631.2.1国内外研究状况和发展趋势 10228861.2.2国外研究状况和发展趋势 1335991.3本次设计的主要内容 1625050第二章机械外骨骼总体结构设计 1931622.1机械外骨骼技术的基本内容 19270472.1辅助康复机械外骨骼的设计方案 2041032.2辅助康复机械外骨骼的材料选择 2392152.3辅助康复机械外骨骼的可行性分析 2719710第三章机械外骨骼系统的设计计算 28298873.1人体固定结构系统的设计 28248153.1.1固定腿部结构夹持力的计算 28202163.2.2辅助人体行走驱动力的计算 2956993.2外骨骼的行走误差分析 30206383.3行走丝杆螺母的设计计算 30254783.3.1行走丝杆螺母的选型和计算 30196683.3.2丝杆工作摩擦力的计算 32130683.3.3计算丝杆受力后的螺母轴向负载力 32167483.4.4丝杆螺母的动载荷计算与直径估算 3273983.4行走丝杆的校核 35229323.4.1行走丝杆临界压缩载荷的校验 35198153.5.2行走丝杆额定寿命的校验 3628363总结 3725786参考文献 3817037致谢 40全套图纸加V信153893706或扣3346389411

摘要在现代化医学技术的发展上，实现了很多医疗器材的飞速发在，使得很多的先进医用辅助的设备在现有的市场上得到了广泛的运用。能够实现可穿戴结构形式的下肢辅助支撑运动的外骨骼支架结构，是现有的技术发展上新兴的一种机械结构，在目前的辅助医疗和辅助人体结构行走上，受到了学术界和机械化生产上的重要关注，同样在实现机械化、电子信息和机械外骨骼结构设计上。越来越得到更多人们的了解和使用。使得现有的市场上的外骨骼结构的机械支架不断的被使用，实现了供不应求的市场环境。机械形式的外骨骼结构，在整个外骨骼的装置下可以实现辅助病人和行走不便的人实现了在康复上和恢复上的训练的作用，实现提高人体结构人行驶上的便捷性，提高不能自理的人和行走困难的人在生活中的便捷性。达到了在行走上的助力的过程，也是实现对负载行走上的支撑作用，使得外骨骼机械化的结构在实际的生活中被广泛的运用在民用和军用的行业里面。机械外骨骼系统是实现在人体运动肌理上的一种辅助传动和支撑的系统，也是一种助力外骨骼传动的装置，可以在实际的工作上实现外骨骼的单独工作的过程。可以将其结构上安装电控部分和控制系统，实现其在传动上的自动化结构形式，实现在固定上和流水线工作上的自动化工作的能力，实现在机械化传动系统上的辅助结构，达到机械外骨骼结构形式的运动模式。也可以在人体的运动上进行穿戴机械外骨骼的形式实现人体的辅助行走等作用，在各项的运动上实现节省体力等作用，并在一定缓解下时间额外的助力过程。在本次的设计上，通过对下肢结构逇外骨骼进行设计，分析和总结其传动的原理和工作结构形式，绘制总体结构行走图，完成三维结构的建模设计，实现在外骨骼结结构设计上达到个传动部件的基本设计要求。关键词：踝关节、外骨骼、测试、穿戴、肢体关节

AbstractWiththedevelopmentofmodernmedicaltechnology,manymedicaldeviceshavebeendevelopedrapidly,whichmakesmanyadvancedmedicalauxiliarydeviceswidelyusedintheexistingmarket.Theexoskeletonsupportstructure,whichcanrealizetheauxiliarysupportmovementoflowerlimbsintheformofwearablestructure,isanewmechanicalstructureinthedevelopmentofexistingtechnology.Inthecurrentauxiliarymedicaltreatmentandauxiliaryhumanbodystructurewalking,ithasreceivedimportantattentioninacademiccirclesandmechanizedproduction,aswellasintherealizationofmechanization,electronicinformationandrobotstructuredesign.Moreandmorepeopleunderstandanduseit.Sothattheexistingmechanicalsupportofexoskeletonstructureinthemarketiscontinuouslyused,whichrealizesthemarketenvironmentofshortsupply.Theexoskeletonstructureinmechanicalformcanassistpatientsandpeoplewithdifficultyinwalkingunderthewholeexoskeletondevice,realizetheroleoftraininginrehabilitationandrecovery,improvetheconvenienceofhumanbodystructureindriving,andimprovetheconvenienceofpeoplewhocan'ttakecareofthemselvesandpeoplewithdifficultyinwalkinginlife.Theprocessofassistingwalkingisalsotorealizethesupportingeffectonloadwalking,sothatthemechanizedstructureofexoskeletoniswidelyusedincivilandmilitaryindustriesinreallife.Mechanicalexoskeletonsystemisnotonlyanauxiliarytransmissionandsupportsysteminhumanmotiontexture,butalsoadevicetohelpexoskeletontransmission.Itcanrealizetheprocessofexoskeletonworkingaloneinactualwork.Theelectriccontrolpartandcontrolsystemcanbeinstalledonitsstructuretorealizeitsautomaticstructureformintransmission,theabilityofautomaticworkinhandlingandassemblylinework,theauxiliarystructureinmechanizedtransmissionsystemandthemotionmodeofrobotstructureform.Itcanalsobewornintheformofmechanicalexoskeletoninthemovementofhumanbodytorealizetheauxiliarywalkingofhumanbody,savephysicalstrengthinvariousmovements,andprovideadditionalassistanceinacertainamountoftime.Inthisdesign,throughthedesignoftheexoskeletonofthelowerlimbstructure,analyzeandsummarizeitstransmissionprincipleandworkingstructureform,drawtheoverallstructureassemblydrawing,completethemodelingdesignofthethree-dimensionalstructure,andachievethebasicdesignrequirementsofthetransmissioncomponentsintheexoskeletonstructuredesign.Keywords:anklejoint,exoskeleton,testing,wearing,limbjoint

第一章绪论1.1课题研究的意义及目的在机械外骨骼系统的设计，是通过基于人机工程学原理，利用计算，分析机械外骨骼系统的安全系数分布，进行开展对外骨骼的设计结构上的应力分析，实现满足人们在实际的工作上达到对人的行走和辅助支撑上的一种调节过程，满足对人体行走上的基本分析要求，实现对腰部的保护和四肢的保护的作用。使得设计的结构中的中心偏向于脚轮的中心位置，实现在设计上的基本指标要求，满足在设计中的结构设计传动要求，实现在结构设计上的稳定性和可靠性。由于现代化的辅助行走中，人们在工作上是标繁忙的，所以在四肢的运动和长期久坐的情况下，会更加的容易造成行走上的不便，特别是在年龄比较大的老年人上发展的更是比较高。能够实现在长期久坐的时候对人的身体实现调节的功能，实现在保护腰部和四肢的作用，是非常重要的。这样的结构设计可以在实际的工作上降低工作的疲劳强度，增加工作的效率，提高身体的素质。使得人们在辅助行走中进行行走的情况下实现对身体脊椎的自然调节，达到工学机械外骨骼系统进行调整的过程，在长期的工作上避免会出现脊椎酸痛的不利情况。所以在这次的设计上，总的来说，进行一个好的人体工学的分析，实现在工程结构设计上对机械外骨骼系统进行满足身体需求的结构设计，可以更好的先在结构设计上的适合程度，满足适合人体需求的运动肌理。在结构设计上，选择合适的材料，满足合适的设计特点，注重外观质量的设计，提高外观的美规程度，注重弹力结构形式的设计，符合在力学分析上的工学原理，达到时代感的设计要求。在总体结构的布置上，需要考虑结构设计的实用性要求，从人体工学的角度上出发，设计的结构要求满足人体工学的基本结构设计的要求。达到的实际的辅助康复上的使用的实用性基本要求，体现出在对机械外骨骼系统的设计上能够有效的降低人的疲劳和提高生理状况等有利的健康设计要求。在现代化的告诉发展上，很多的机械化的设备都实现了很广泛的发展，但是在机械外骨骼系统的结构设计上，很少实现了和医学和工学的相互结合。所以在实现越来越多的体力劳动上，辅助康复过程中，对人体的身体调节的过程是很重要的，并随着现代化技术的发展，人们在辅助康复中的行走不断的得到了人们的关注和制造生产上的重视。同时在城市化的不断的发展上，在辅助行走中很难得到很好的休息，所以在本次的设计上，针对在辅助康复和休息上进行设计，体现出在设计上的工学结构设计的原理，实现在辅助康复过程中和休息上的身体工学结构设计的功能，最大程度上降低人们在工作上的疲劳强度。本次设计的多功能辅助康复医用机械外骨骼，设计的作用是针对医院和老人护理上的不能实现自理的病人、在危重病人以及瘫痪的病人上，可以实现特殊使用需要的一种外骨骼结构，能在治疗上随意的调节外骨骼的背部结构和脚部倾斜的角度等，实现在便捷的操作下进行自动形式和制动，通过外骨骼上面的调节装置进行对多功能结构的设定。实现不能自理病人，在护理人员护理中可以通过外骨骼边的便捷的控制系统就可以进行外骨骼的操作，减少在治疗上照顾病人和残患者时候的劳动的强度。课题根据国家和市级长期发展纲要确定的研究方向和企业的具体需要，设计一种用于医院和老人护理重症病人用的多功能机械外骨骼系统，解决病人身体和生理方面的需要，也减轻护理人员的劳动强度。针对市场需求开发设计一种结构简单、工作可靠、使用方便的多功能辅助康复机械外骨骼并进行动态建模分析，对于产品的产业化具有重要的意义。1.2国内外的发展趋势和现状1.2.1国内外研究状况和发展趋势随着现代社会的进步和经济的迅速得到发展，使得人民的生活水平在不断的提高，所以人口的寿命也在不断的随之延长，在思想上的进步，使得城市人口的数量逐步的进入老龄化阶段,人口老龄化的造成已成为当今世界范围内以及社会性的问题。据人口统计得知，在欧洲的一些发达国家和在日本，老年人独居率非常的高，已高达40%左右，在如此之高的老龄化比例上，迫使社会上将会采取措施来解决对老年人的护理等服务问题。如果在老人的护理上完全依靠自身的家庭和人工的照料，与西方的国家子女和老年人的分居情况等。使得家庭的规模小型化的观念上会有抵触之处，如下图1-2所示，国内多功能机械外骨骼系统结构形式。图1-2：国内多功能机械外骨骼系统在我国人口统计中60岁及其以上的老年人口的数量已达到1.32亿之多,占我国总人口总数的10%,并在这几年的以3.32%的速度不断的持续的增长。其中使得“空巢家庭”的老龄家庭的总数占25.8%左右,在一些比较大的城市中造成的该比例会更大，在解决因老人身体虚弱等卧机械外骨骼系统，在不起或因疾患而导致的生活中，不能实现自理的老年人的家庭里。实现照料与看护的问题是实现人口老龄化的国家所面临的一个比较重大的共同问题。为此,目前的国家也在大力的加强了对实现自动化的护理机械外骨骼进行加快研发增强扶持的力度。为偏瘫的病人或长期需要使用病机械外骨骼系统的病人，在更加先进的设备上提供一个自动化的集护理和实现排泄等多功能的于一体的理机械外骨骼系统。现在的家庭在照顾老人的需求上。机械外骨骼系统的潜力在不断的增加,以前是使用的一些简易的机械外骨骼系统,后来不断的发展中加上了控制系统,实现自动化的行走机构和控制结构等;再后来人们开始在上面加上运动肌理,还有移动的自由度结构等;现在市场上的产生了很多的机械外骨骼系统，可以实现多功能为一体结构的多功能,实现电动机械外骨骼系统,在照料上极大的提高了在护理上的患者的康复的护理效率和水平,同时也为护理的人员在操作上提供了极大的便捷之处,所以实心操作简单的结构设计,实心功能强大的护理需求，对产品的研发会越来越受到人们的追捧。机械外骨骼系统的发展在国内的设计中，研究和开发尚处于一个比较初级的阶段，使得产品的功能和结构设计上的造型还需要进一步的得到改进和完善。在国外机械外骨骼系统的发展中，使得各种护理实现的多功能的特点正在逐步的得到完善，发展比较成熟。但因成本价格比较昂贵，很难在一般的家庭和一般的消费者可以得到使用或接受。基于人体工学机械外骨骼系统的发展趋势，在未来的发展中，可能会因为另个方面的科学技术的发展，使得人体工学机械外骨骼系统往更加先进，更加智能化的方向上发展。随着现代医学技术的不断发展，对人体机能的研究越来越深入，一些符合人体的机械结构也将不断的得到发展，结合医学的研究结构，更好的将医学研究的问题在机械外骨骼系统的设计上进行解决，在一下几个方面得到发展。（1）、实现机械外骨骼系统的多样化的特点可以在医院治疗的角度上对机械外骨骼系统附加一些特殊的功能，比如自动按摩、自动调整角度、自动根据需求变动、自动电机传动等先进的自动化功能，解决办公上的更多智能化问题。（2）、舒适的人体工学原理和外观通过机械再造行业的发展，对机械外骨骼系统的曲面建模和异性设计上，通过软件可以更加准确的分析出机械外骨骼系统的结构形式，满足人体工学的最佳要求，设计生产出更加美观的机械外骨骼系统，其结构的发展，如下图1-3所示。（3）、实现自动化程度的电子信息化在我国机械设计和机电一体化的过程中，结合电子信息元素的内容，实现自动化控制，达到自动满足人体位置的变形内容。（4）、更好的提升机械外骨骼系统材料的性能，降低生产制造的成本。将机械外骨骼系统的设计更加的优化，实现机械外骨骼系统的先进性的电子信息化发展。所以在人体工序额机械外骨骼系统的发展上，是离不开设计风格、色彩相协调和运用的。休闲座外骨骼不仅起到为使用者提供休息的服务功能，更能够展现设计者对房间的整体设计与细节处理的把握，将人体工学机械外骨骼系统的设计和制造带下智能化和信息化的设计方向上发展。1.2.2国外研究状况和发展趋势基于人体工学理念上的机械外骨骼系统，在国外的发展中，很早就得到了快速的发展，由于在国外的医学上的发展是很先进的，使得在早年间，在保证人的身体健康的基础上，将医学的技术运用在机械外骨骼系统的设计上，实现了很多外骨骼在结构设计上的医学健康性能，实现医学上的轮外骨骼、康复外骨骼、按摩外骨骼等在飞速的发展，在不断的发展上，慢慢的将这样的性能技术运用在机械外骨骼系统上，实现了机械外骨骼系统在性能上的健康标准。在发达国家的大多数工作环境中，早就在人体学上的研究运用在实际的辅助行走中，比如在美国，由于医学的发达先进，对人体的疲劳方面的研究是超前的，所以在机械外骨骼系统的发展上，更好的在人体学的角度上考虑问题，将人体工学的内容运用在机械外骨骼系统的设计和研究上。更好的实现了在办公室从事脑力劳动的工作人员的调节。减轻工作紧张的作用，达到缺乏身体锻炼人员的身体调节的功能，增强辅助行走中的身体活动机能。特别是在长期的辅助行走中，长久的坐姿机工作环境的影响，使得人体所需要的空间上的场地不足、缺乏合适的健身器材等因素，参加健身锻炼的人数及效果都很不理想，而大多数在办公室从事脑力劳动的人员由于长期伏案工作，极易使颈、椎间盘疲劳受损而引发轻微的颈椎病；另一些使用电脑、打字机、复印机等办公设备的专职人员，由于长时间从事电脑数据输入、键盘打印以及其他需要手臂单调重复动作，极易引发以手、腕、臂功能性损伤为主要表现的“反复紧张性损伤症”的现代职业病[3]。在美国，日本，意大利等发达国家，机械外骨骼和机械康复设备等一体化设备的发展经过了几十年的变更和应用，使得发展的技术水平一直属于领先的地位，达到了相当高的趋势。在工作的过程中，工作的速度，生产的效率和制造研发的效率上，对人体康复提供的质量上以及对机械康复设备的机械耗能上，都有很多的改进，实现先进性的促进作用。现在的一些国外的发的国家，在实现多功能上更是有了智能化的发展，同样的设备可以实现多种多样的操作，但是设计的结构形式简单，使用的寿命比较长等，机构的体积小，设备在造型上的美观等考虑。更多的还考虑在制造商实现一次成条的优势上发展。随着现代医疗康复上的要求和对各种医用设备的要求和各方支撑式的人体支架等设备的设计的要求在不断的提高，在机械化机械外骨骼的设计上的发展和需求开始受到人们的广泛使用，在对在全国的广大市场需求，使得的机械外骨骼的发展在不断的广阔，实现的经济性前景比较好。在国外的市场上常用的按摩外骨骼只具有单一的按摩功能，健身器材又需要专用的房间安置，无论是普通按摩外骨骼还是健身器材，都不适宜直接放置于办公室使用，为此国外开发设计了“多功能机械外骨骼系统”，以帮助长期在办公室工作的人员进行方便、适当的休息与锻炼，如下图1-2所示：图1-3：新型机械外骨骼系统结构特征国外先进的技术研究上，对人体工程学机械外骨骼系统的研究上，受到了很多人的关注，根据人们使用的健康角度分析的，根据人的生理状况、疲劳测定等来定义外骨骼的外形曲线设计。使得外骨骼的曲线主要是外骨骼垫和靠背的曲线是否和人的生理曲线相符。在靠背方面主要有两种观点：一种是不要靠背，这样人就会自然保持背部直立的姿势来减轻背压，但是这一种观点并不是很流行，因为人不可能长时间保持直立的姿势。第二种就是现在普遍认为的需要靠背的凭靠。现在的人不会再老老实实的坐在外骨骼上，设计的结构可以呈现各种姿势，靠背给腰肌休息放松的机会。国外著名设计大师对于外骨骼的细节部分都非常重视，这也就是“毫米效应”，在他们看来往往是几毫米的差别会给外骨骼带来千差成别的舒适感，我们可以看到，数据的取值往往是在一个范围之间，如果在取值的时候产生随性再加上误差的存在,那么设计出来的外骨骼最终的尺寸可能会出人意料，这也就是为什么在数据的选择和测试上大师们会精益求精的原因。此外，对于外骨骼连接部件的使用，从连接形式到连接位臵的选择，甚至小到螺丝钉的选择，他们都一丝不苟，外骨骼是一个整体，连接件是不可缺少的重要组成部件，也是外骨骼结构形式，构造承力的重要无所以，对细节的追求也是人体工学，好的构件也会给外骨骼带来与众不同的感受。1.3本次设计的主要内容目前的市场上，在国内的发展上，很多的外骨骼机械结构在医疗和科技创新上有更大的科研目标，在造价上也是一直处于一种高昂的区间。所以在本次的设计上，想通过对外骨骼结构的设计，实现在设计上的结构简单，设计过程在制造上降低生产成本等优势。达到外骨骼机械化结构在未来的发展上实现经济性能和广泛的普及型，提高实际的创新化和大众化发展。在本文的设计上，通过查阅相关的设计文献，了解国内外的机械化外骨骼的发展趋势和发展的过程，在本次的设计上完成以下的设计目标和设计的过程：①在结构设计上遵循模仿人体的结构形式，设计外骨骼总体结构形式的方案，实现参照人体运动结构的形式实现对结构总体的设计，完成传动部件的设计和驱动结构形式的设计，提高使用人群的适应性要求。②在机械外骨骼的设计上，实现个关节在传动上的灵活度，达到在结构设计膝关节传动设计，固定结构的设计，髋关节的设计和实现运动上的自由度要求，达到确保运动的形式和人的运动上具有相同的运动机制。，在使用上不限制人体的运动方式，又确保了人体在运动上的安全性能；③设计的机械化外骨骼结构能够适应在不同的环境下使用，实现对还原有一个很好的实用性要求，满足在驱动系统的设计上实现重量轻，体积小和供电结构设计合理的情况，符合在足够大的力矩和扭矩下实现传动的过程和辅助人体运动的过程，达到在传动上很好的散热结构形式的设计；④在膝盖的结构设计上，需要满足在设计上的锁止过程，达到在结构的设计上能很好的满足和实现人体的基本需求和更好的控制的过程，达到在设计上的确定定和可靠性要求。在本次课题的设计上，通过查阅相关的设计文献，对人体康复提供的现有的发展水平和发展趋势进行了解。对总体结构形式进行分析和对比，确定本次设计的总体结构方案，设计和计算其传动结构方式关节提升装置的设计，并对设计的数据进行校核，满足一下设计的基本要求：（1）对人体康复提供总体进行构思，分析结构设计的上的优势和缺点，选择最合适的设计方式，完成整体结构的设计；（2）选择最佳的传动结构的设计方案，对人体康复提供的传动机构进行设计，计算校核传动结构的设计参数要求；（3）对于人体康复提供的自由度关节传动式装置，在设计上满足定向的特点。人体康复提供在关节提升上的样式很多，是一种主要的生产用设备之一，所有在人体康复提供的关节传动上，实现了自动化的生产方法。但是在制造人体康复提供的过程中，每个制造的过程对人体康复提供要求和品质的要求都会有所不同的。但是为了在需求中能更好的满足大家对人体康复提供的要求，在本次设计中，设计的关节式的人体康复提供，可以根据自己对人体康复提供使用的要求，在行走上既减少了变位的劳动的强度，又可以实现经济性的问题。

机械外骨骼总体结构设计2.1机械外骨骼技术的基本内容在实现对机械化外骨骼的结构设计上，主要的内容是实现对模仿生物的结构形式的设计上，达到对人体运动肌理上的结构形态，满足人体运动的基本特征，才能实现在传动上和控制上的工作形式。在实现辅助医疗上和实现机械外骨骼结构形式的固定和工作上，达到机械外骨骼在传动上的稳定性和更好的效率要求，所以在设计上提高更高的机械化特征设计，实现在研究外骨骼的传动上的仿生结构形式的设计过程。在机械传动和生物学基本上进行分析，提高在医学生的使用效果和在机械化工程技术上的使用满足度，达到现代化机械人结构的设计使用标准。机械外骨骼的结构在实现仿生机械的形式上得到的研究中，其主要的领域是实现在生物生和控制力学上的使用效果，才能更好的达到在系统设计上的结构运用和特种上的结合。实现在人类的辅助系统上和使用的特性上形成自然结构形式的仿生的过程。个号的优化和提高人体在行走上的辅助作用。在设计生物力学上的仿生和结构设计上，达到电子信息化控制技术的集成化发展，是实现在更高的效率上实现控制的过程。机械结构形式的外骨骼系统，是实现像人体一样的行走机构，可以实现在人体穿戴上的基本功能，在人的行走的过程中提高一定的帮助，辅助人体进行支撑和行走的过程，保护人体在行走时出现支撑不力等情况。额外的实现给人在行走上提供相应的动力要求，增加在行走上的机能和动力。可以将其运用在腿部残疾等人们的行走上。实现在健步上和行走上降低疲劳的作用。2.1辅助康复机械外骨骼的设计方案在本次设计的辅助康复机械外骨骼的结构方案设计上，通过查阅相关的设计文献，了解人体工学结构设计的基本需求，对外骨骼的结构组成进行分析，了解外骨骼的材料组成和关键组成部件的结构形式。对外骨骼的总体结构进行功能上的考虑，分析结构形式的组成，结构样式方案，对总体结构的材料组成进行分析，选择使用合适的材料进行材质的设计，使得设计的结构形式在质量上比较轻便，在功能上比较耐用，在生产上比较方便，达到在方案结构设计上的优势特点。在性能的分析上，通过对人体机能的分析，使得在使用上达到人体的省力要求，心理机人体的工作和活动过程中的运用形式，找到合适的图2-1：3D总体结构方案图运动规律，使得设计的外骨骼能够满足正常的工作和休息的使用要求。达到最大限度的抗疲劳久坐的性能，降低疲劳感，在结构设计上体现做我国在外骨骼设计上的安全，轻便，舒适和美规的特点。在工学理念的分析上，根据生理学知识的基本要求，在人体坐姿的过程中，进行大概的分析，在人体进行落座后，脊柱的结构形式会因为外骨骼的结构特点，在做着的时候被改变相应的曲度，所以在形成长期久坐的过程中会出现椎间的压力比较大的原因，所以在长久的做着的时候，护感觉到后背的腰酸背痛的感觉，所以在设计中，外骨骼背的结构曲线在设计上需要进行工学原理的分析，满足人体的曲线标准，使得在坐下的时候感觉到很舒适的感觉，上体的重心在坐下后的位置关系上，使得落在臀部上的骨骼结构上，使得上半身的中心落在大腿上，实现大腿与小腿之间形成的角度大小一般在85°作用。可以实现在确保使用上的重量尽可能的在不同的位置上，分散接触面结，降低单位面结内的重力的大小。所以在结构方案的设计上，通过以上的结构形式的具体分析，对于大批量生产的外骨骼的使用上，满足正常的使用数据要求，在作为外骨骼的使用上，筛首先进行外骨骼的功能考虑，在进行结构外观的设计，首先在正常工作下的舒适感和美规感的设计，其结构图如下图2-1所示：通过以上的结构形式的方案分析，在本次的设计上，对总体方案的结构设计如下：在护头垫的结构设计上，根据人的身高基本要求，在头部的靠垫的设计高度上，根据人的身体大概的基本高度进行靠背位置的高度确定，为了解决的现有市场上靠背和靠外骨骼做成一个整体的状况，在本次的设计上，采用的方案设计中，选择使用两个部件的形式，在靠背的上方设计一个支撑的结构，在上面设计一个头部护垫的结构形式，实现跨越根据人体的身体高度进行头部靠垫的高度上的调整。在本次的设计上，选择的头部靠垫的距离在40mm左右。结构方案上对于靠背的深度考虑。由于在使用的过程中，每个人的身材和高度是不一样的，所以在深度的设计上，如果设计的太低，在大腿的下面没有足够的支撑，会感觉在使用上存在不适的感觉。反之设计的太高，则在靠背太深的情况下回存在背部不能实现和靠背接触，容易在使用上造成疲劳。所以在本次的设计上，通过对基本方案的分析，在靠背的深度设计上，选择使用的深度尺寸在450mm作用即可满足基本的设计要求。而且在结构设计上选择使用可调的结构形式，可以将靠背进行上下移动，实现在保证不同升高下的使用舒适感。靠背到上表面的距离的方案确定。在靠背到商标名的距离的设计上，也是关键的设计内容之一，在实现高度的调节上，可以实现自由的进行高度上的调节，实现身体的自由向前后升缩，实现在高度结构设计上的尺寸在400mm为最佳的一个设计基本尺寸。在靠背的宽度的设计上，可以选择设计的比较宽一些，满足不同体格的人在使用上的基本要求，方便调整座外骨骼。设计的太宽会使得在操作上的不方便，所以在本次的设计上，宽度尺寸的确定为420mm左右为最佳的尺寸范围。美观工艺上的设计，在本次的设计上，由于设计的材料和材质的基本要求，在设计上选择合适的颜色来进行外骨骼的结构设计，体现出的设计上的美感，实现靠背稍窄些，但太窄会破坏座外骨骼的整体造型，为了造型美观及不影响上肢活动而设计成上窄下宽的外形。在本次的设计上，通过对人体结构学的分析和理解，针对老年人在行动不便和出行不方便的情况，进行人体工学分析，确定人体工学的基本内容，设计辅助康复外骨骼的多功能结构。2.2辅助康复机械外骨骼的材料选择在本次的设计上，由于外骨骼的设计中的材料的选择是很关键的，所以在设计中，说先根据设计的结构进行材料的选则，在材料的选择上，遵循质量比较好，成本较低，在深加工生产上容易加工的材料，所以在本次的设计上。下部结构的设计上，多角轮系的传动设计选择使用现有市场上的万向轮结构，实现多个角度上的支撑。支撑的套筒在结构设计上要求有较强的刚度要求，所以选择使用不锈钢材质的TC4，在工艺上进行淬火处理，提高材质的硬度，降低电机传动上的磨损量，提高使用寿命。上部的支架结构采用304不锈钢，由于防止的使用长期的过程中碰损后生锈，所以在本次的设计上，选择使用不锈钢材料45进行支架的设计。在靠背的设计上，以及护头垫的结构设计上，考虑加工生产的难度和成本的控制，在本次的设计上，选择使用尼龙1010材质，进行冲压模具注塑生产。在大批量的生产上可以有效的降低制造的成本，提高使用的经济性能。2.3外骨骼结构支撑强度的设计要求因为在机械设备实现运动工作的过程中，外骨骼支撑在整个过程中起到稳定的作用，所以在外骨骼支撑结构设计上，一般有以下几种结构方式，一是三角结构形式的外骨骼支撑，这种结构形式采用的是三角形的稳定性结构，将三角结构运用在机械设备的运转上，实现稳定性要求。机械化设备的设计上，主要起到支撑作用的部件就是外骨骼支撑的结构，一般根据机械设备的总体重量和粗腰在动载荷下的支承力的大小，进行外骨骼支撑的结构设计，对于在外骨骼支撑的整个机械载荷的结构上来说，对外骨骼支撑结构合理的设计是很重要的一个设计过程，还有一种是四边形结构形式的外骨骼支撑，采用加强筋的结构进行分段式的固定，提高了安装上的强度和刚度，上端面上的结构对于设备的安装更加的符合运动学的要求。还有一种是采用锥形结构形式的外骨骼支撑，实现接触地面的位置上比较宽，上端比较小，这样的结构在使用上具有更好的承载能力，也是比较普片使用的一种结构形式。不管在设计上选择什么样的结构形式的外骨骼支撑，但是在设计上，必须根据设计的设备的动载荷和承载大小的分析，保证外骨骼支撑设计上满足工作的要求，保证外骨骼支撑在安装和运动上的顺序要求，实现可靠的承载能力。在运输和包装上达到便捷性的设计要求，更好的实现安装和拆卸的过程。所以在外骨骼支撑的设计上，内部和外形的结构设计上不能阻碍和干涉其他的结构形式，实现在执行上的安全性和操作上的便捷性要求。由于在机械设备上，外骨骼支撑的使用过程中和运输中的受力是很大的，所以在材料的选择和外骨骼支撑支撑部件的厚度选择上，都需要满足承载的强度要求，相当于在机械设备的床身一样，在使用中起到对整个设备的支撑作用，也是实现机械化设备在工作上的精度保证的一个重要的额部件，对提高设备的生产效率和加工的精度有一定的保障性作用。在生产和制造上对外骨骼支撑的抗冲击能力和对机械自重的承载能力，在人何条件下都要求承载最大的许用应力，满足外骨骼支撑设计条件的评论轻度要求。在机械设备的设计上，为了达到机械化设备在工作中的稳定性，对外骨骼支撑的安装位置的设置和安装孔位结构的设计上，都需要进行外骨骼支撑稳定性和对设备实现的稳定性的设计分析，在整个的结构总体上实现受弯曲能力的分析，在结构上才能更好的存在失稳性的问题和部分结构在局部上存在的屈服问题，部分的不完善可能会对整体结构产生很大的影响，所以在对每个外骨骼支撑部件的校核上，需要满足单个零件的强度设计要求。在实现满足外骨骼支撑的结构设计的前提下，对于不同承载能力的外骨骼支撑来说，对外骨骼支撑的使用环境进行分析，才能在外骨骼支撑设计上选择更合适的结构形式和设计材料的选择。一样在外骨骼支撑设计上，满足以下的设计原则：（1）外骨骼支撑设计的结构样式简单，实现自身的结构上材料选择比较轻的材质，抗屈服强度较高的材料。更好的实现降低外骨骼支撑生产制造的成本。（2）在外骨骼支撑的设计上，其结构的设计合理，在生产上的折弯，加工的过程中达到便捷的加工生产过程，防止在制造上过于繁琐。（3）在外骨骼支撑的结构上，应该考虑外骨骼支撑的搬运上和运输上的安全性，设计的零部件要满足安装方便，调试的过程简单，在设计上和后期的修理上更加的方便。（4）使得自身的结构上的内应力较小，避免在使用上因为温度的变化造成整体和局部上的变形等情况的出现，严重的可能会因为外骨骼支撑的变形造成对整个设备的损伤和对工作的影响。（5）在外骨骼支撑的结构设计上，应该更好的满足抗震性和安全性，实现稳定性工作的基本要求。（6）在外骨骼支撑的材料选择上，需要进行表面处理，通过涂油漆和发黑等工艺处理，实现材料的耐腐蚀和抗变形的能力，同时更好的提高使用上对外观的影响和材质上的变化。在设计完成总体的设备的结构形式后，需要对其自身的重量和承载的重量进行分析，在外骨骼支撑的高度上和长度尺寸上确定操作者的活动范围等，实现在根据操作者的身高和结构形式进行外骨骼支撑结构的布置，符合人性化的设计要求。一般在设计上，将操作者的身高确定在平均的水平上，将外骨骼的高度设置早操作者165mm的位置上，更加适合人工工作的基本要求。在本次的设计上，由于机械化设备的特殊原因，可以在选择上由自动化程度进行外骨骼支撑高度的设置，确保机械化正常的实现运行的过程。因为在生产和制造上，外骨骼支撑一般是属于钣金加工和焊接加工的过程，所以在制造生产上是很麻烦的，因此在设计上有需要对制造的过程进行考虑。确定其结构形状和查重大小的基本要求，才能确定制造工艺的要求，时间在材料的加工上的工艺性能。更好的分析外骨骼支撑在使用上的最大的载荷能力，外骨骼支撑在实际的工作中的荷是不一样的，所以在设计上对其运动形式进行分析，是实现本身转动上的重要参数，也是在使用上对载荷能力计算的重要内容。根据设计的内容，更好的对外骨骼支撑的结构形式进行分析和选择，选择合适的结构形式，采用型材和钢管等结构样式，工字钢和槽钢等方式，都是需要根据设计的设备的大小和承载的大小进行设计的，再采用螺钉和螺栓进行连接，实现外观上的颜色确定等。在本次的大蒜支撑机的设计上，对外骨骼支撑的设计优势很关键的，由于大蒜支撑机属于使用上比较大型的机械化设备，对外骨骼支撑的设计要求强度上和刚度上都是比较高的，所以在材料的选择上，主要选择使用T4钛合金为主要的设计材料，更好的提高在外骨骼支撑结构上的强度和稳定性。2.4辅助康复机械外骨骼的可行性分析辅助康复机械外骨骼，在以上的结构形体的设计上，在材质的选择上，零件结构的设计上，需要满足加工的可行性和生产成本的可靠性。所以在本次的设计上，选择的材料大多为比较便宜，市场上比较常见的材料，在传动部件的设计上选择石永红深沟球轴承，轴承的价格便宜，使用的性能好。在靠背和靠垫的设计上选择使用尼龙1010，在塑料膜的注塑上比较容易实现加工生产，实现大批量的制造过程，降低成本，选择使用尼龙还有一个重要的优势是比较耐磨，提高使用的寿命，在实现结构材料的使用上达到环保的特点，提高节能环保，绿色化发展的经济性特点和设计的优势。

第三章机械外骨骼系统的设计计算3.1人体固定结构系统的设计3.1.1固定腿部结构夹持力的计算机械传动结构在人体进行穿戴的时候，在固定结构同时夹在大腿上并受力的情况，满足设计的要求。是本次设计外骨骼固定结构的主要设计要求依据，必须夹持力的大小进行确定，才能符合对大腿的夹持要求，夹持的方向和夹持的作用点进行受力分析。一般根据外骨骼行走的情况来说，外骨骼夹紧力在辅助行走中必须克服人体重力的影响，抗拒大腿重量所产生的静载荷，以及在总走中的大腿运动所形成的的载荷。以使外骨骼在辅助行走中保持可靠的固定在大腿上的工作状态。外骨骼的固定结构对大腿的夹持辅助行走中的预紧力可查阅参考文献，得下式计算：式中：K1——安全系数，通常取1.2~2.0；K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。K2可近似按下式估算：其中：g—重力加速度；a—人体行走时重力方向的最大上升加速度；vmax——人体行走时重力方向的最大上升速度；t响——系统达到最高速度的时间；根据设计参数选取。一般取0.03~0.5s。K3——方位系数，根据固定结构与后背形状以及固定结构与后背位置不同进行选定。按表2选取。G——被行走后背所受重力(N)。3.2.2辅助人体行走驱动力的计算大腿固定器是夹紧装置上重要的组成部分，是使大腿内侧实现夹持运动的受力部件，是属于动力装置，其动力源是上文中的夹持丝杆，当丝杆旋转运动的时候，将会带动裸关节的拉升，实现大腿内侧的夹紧，反之则松开。拉升裸关节的拉力(或推力)N为:式中D—夹持直径（m）；d—丝杆直径（m）；p—驱动压力（Pa）。确定每个结构形式的构件的设计尺寸，以满足外骨骼对大腿的夹持的具体设计要求。3.2外骨骼的行走误差分析本次设计的行走不规则表面上的时候，大腿的外骨骼结构实现对人体受力的过程，在辅助行走中能否准确进行对大腿的夹持，把大腿固定到指定的位置上，实现稳定的行走过程，不仅取决于设计的外骨骼的制造精度和定位精度的要求，还由臂部的结构设计精度和脚部的结构精度等一起决定，而且整个行走的过程和大腿内侧的的夹持时间误差的精度大小有直接的关系。特别是在辅助行走中，固定行走的品种比较多，结构比较复杂的时候，为了满足对合适的大腿进行行走，会产生一定的误差，在机械结构的设计汇总，查阅外骨骼结构参数得，通常固定结构行走的精度夹持误差不超过±1cm就可以了。这就符合外骨骼在设计上的要求，可以在时间辅助行走中满足对大腿的定位精度的条件。为了实现对精度的要求，所有大腿内侧的设计才有带圆弧结构，可以实现中心的自动对中。固定结构的最终的夹持误差将决定于外骨骼的制造精度和控制系统的精度等级补偿的能力。3.3行走丝杆螺母的设计计算3.3.1行走丝杆螺母的选型和计算（1）螺母的旋转力的计算在计算螺母旋转力，根据选定的已知设计条件，采用机械外骨骼的连接中螺母和丝杆连接的在工作上的螺母转速，来计算螺母的运动中强力进行连接的最大直径，选M=12mm，机械外骨骼的螺母在辅助行走中具有最大的工作扭矩，在传递螺母的电机功率上，实现了完全的传递，可知螺母和丝杆的连接速度为电机的额定功率，选择=5.5kw，计算螺母的工作时候的连接转速为n=30r/min）。图3-1：行走丝杆螺母结构根据计算公式可得，机械外骨骼在工作时螺母和丝杆在连接的速度为：取机械外骨骼的传递机械效率：，计算可得旋转力的大小为：（2）计算机械外骨骼的各连接分力机械外骨骼的工作台在辅助行走中，纵向的连接力Y,以及横向连接力X，和垂向连接力Z计算分别为：3.3.2丝杆工作摩擦力的计算计算连接条件下的螺母和丝杆的摩擦力F，选择螺母和丝杆摩擦力系数为F,，机械外骨骼文献紧固力为,则计算机械外骨骼在不工作的条件下，螺母和丝杆的摩擦力为和3.3.3计算丝杆受力后的螺母轴向负载力（1）按式以上的计算，机械外骨骼在工作上的最大工作轴向负载力为（2）机械外骨骼在辅助行走中的最小轴向计算的负载力为3.4.4丝杆螺母的动载荷计算与直径估算1）确定机械外骨骼的行走丝杆螺母工作的导程，由设计参数可知，电动机的最高工作转速为：可知：2）计算机械外骨骼机工作上的行走丝杆螺母以及螺母在实际上的平均工作转速，以及机械外骨骼的平均工作载荷：（1）机械外骨骼各种实际的连接工作方式，计算行走丝杆螺母的实际工作轴向的载荷。工作的轴向载荷计算可以根据以下计算当时：通过计算，可以得到钻铣机床在连接上的行走丝杆螺母计算结果。（2）计算机械外骨骼进给运动下的螺母和丝杆速度。（3）按式以上计算的结构，计算机械外骨骼螺母和丝杆工作平均速度。（4）按式以上计算结果，可以计算螺母和丝杆工作的平均达到的载荷：3)确定机械外骨骼的行走丝杆螺母在辅助行走中的预期，大概的额定工作动载荷（1）可以计算得：（2）因对机械外骨骼的行走丝杆螺母及螺母的辅助行走中进行预紧，可以估算机械外骨骼在最大的轴向工作载荷下。查阅文献得知预紧力的系数为：=4.5，则通过计算：（3）确定机械外骨骼的行走丝杆螺母在辅助行走中的预期额定连接的动载荷：。通过对比，选择两种计算的最大值：＝33801.49N。4）按机械外骨骼的计算精度，再来确定机械外骨骼的行走丝杆螺母工作的最小运动螺纹，底径的计算为：M12mm。（1）根据计算中的定位精度，以及机械外骨骼的定位精度要求，估算机械外骨骼的工作允许最大变形。已知机械外骨骼的工作台在辅助行走中的定位时间精度为：30，机械外骨骼的重复定位的工作精度为：15，根据以上的计算结果，机械外骨骼的定位精度以及多次定位的等级要求计算：15＝（5~10）30＝（6~7.5）通过计算，选择机械外骨骼计算结果的较小工作值为：=5。（2）估算机械外骨骼工作允许的最小底径，行走丝杆螺母的底径：。在本次设计中，机械外骨骼的工作爱安装结构为两端固定的方式，可得两端固定之间的计算距离为：L＝机械外骨骼行程+机械外骨骼安全行程+2×机械外骨骼余程+选择螺母的长度+机械外骨骼的支承长度：≈（1.2~1.4）行