椭圆漫步机

枣庄职业学院毕业设计（论文）第1页共23页枣庄职业学院毕业设计（论文）椭圆漫步机设计姓名魏建系部数控系专业模具设计与制造班级09级模具一班学号200901030107指导老师高连勇2012年05月枣庄职业学院毕业设计（论文）第2页共23页摘要（或设计总说明）关键词:目录前言第一章设计题目……………………………………………………4第一节椭圆漫步机背景……………………………………………………………4第二节设计要求………………………………………………………………4第三节软件介绍………………………………………………………………第二章机构选型及评价……………………………………………………………5第一节方案1………………………………………………………5第二节方案2………………………………………………………………6第三节方案3………………………………………………………………13第四节方案4………………………………………………………………14第三章机构设计………………………………………………………………22第四章运动分析及仿真…………………………………………………………24第一节踏点轨迹与标准椭圆比较图…………………………………………第二节踏点位置与标准椭圆比较表…………………………………………第三节位移、速度、加速度分析………………………………………………第四节运动仿真…………………………………………………………………第五章结果分析及成品………………………………………………………………参考文献………………………………………………………………………………30结论………………………………………………………………………………………31前言枣庄职业学院毕业设计（论文）第3页共23页第一章设计题目第一节椭圆漫步机背景椭圆漫步机是一种非常实用的纯机械健身器材,它具有活动下肢及脊椎各关节，抻动肝、脾、肾、经脉，增强人体上肢肌肉耐力和四肢协调能力等健身功能，特别是对下肢减脂有针对性效果。下图1所示为某公司生产的YC-LJ-25型号椭圆漫步机,其占地空间为（长×宽×高）1360×600×1587mm。图2为运动轨迹图。锻炼方法：两脚踏于座板上，两手握住手柄摆动，往复运动。图1图2第二节设计要求1)双脚的椭圆轨迹长轴为50cm，短轴20cm，要求实现的轨迹为标准椭圆或近似椭圆（偏差小于5%）。2)动力源手动或者自动。3)保证运动者在机器上有舒适的锻炼姿势，整个身体要协调。枣庄职业学院毕业设计（论文）第4页共23页第三节软件介绍Proe自问世以来，现在成为世界上最普及的三维cad/cam系统标准软件，被广泛应用于航空航天、机械、电子、汽车、家电、玩具等各行各业。其功能强大，包括零件设计、产品装配、模具开发、NC加工、钣金件设计、铸造件设计、造型设计、自动测量、机构仿真设计、应力分析、数据库管理等多种功能。它的出现改变了传统的CAD/CAM作业方式，参数化设计及全关联性数据库使产品的设计更加容易，大大缩短了用户的开发时间。第二章机构选型及评价第一节方案1图3优点：采用了发电机提供动力，可以让使用者更加省力，而且可以通过调速设备来调节运动的快慢，使椭圆漫步机由手动走向自动化。枣庄职业学院毕业设计（论文）第5页共23页缺点：需要供电，不适合在户外作为公共基础设施以及一些其他无法持续供电的地方使用，具有一定的局限性，而且不经济。第二节方案2图4该方案为在原有的题中给出的机构上扩展而出的，将原先的四杆机构转变成六杆机构，使得椭圆漫步机稳定性更强，更耐用。但是因为与原机构太过相似，不具有创新性。枣庄职业学院毕业设计（论文）第6页共23页第三节方案3图5此方案是通过运动链再生的方法获得的，同样是更稳定的六杆机构，而且更加具有一定的创新性，但是因为前段通过滑块连接，使得该机构显得比较不协调。而且前端的滑块也不便于生产安装，且占用空间面积较大，不适合室内使用。枣庄职业学院毕业设计（论文）第7页共23页第四节方案4图6此方案不但具有一定的创新性，而且踏点轨迹稳定，不但符合人行走的轨迹，而且更贴近题目要求。而采用铰链连接代替滑块，又消除了方案三中的缺点。综上所述，我们选择方案4作为最终方案。枣庄职业学院毕业设计（论文）第8页共23页第三章机构设计对于方案4的尺寸设计，我们根据其运动规律，将其分为手扶和脚踏两个部分，踏板为原动件，因此手扶部分并不影响脚踏部分的运动轨迹。这样一来，该机构就由六杆机构求轨迹问题简化成为四杆机构的轨迹求解。在脚踏部分，我们先利用题中所示的椭圆轨迹的上，下，左，右四个顶点作为已知点，得出四杆机构的四个已知位置。我们知道，通过四位置综合求解，是可以得出精确的四杆机构位置的。因此，通过解析法解几何方程，我们找到了踏点的位置，在图7中用红色圆圈表示。方程：25150101502522x，解得x=91.24由此，我们得出踏点轨迹，显然，该轨迹为椭圆或者一近似为椭圆的曲线，该结论在稍后得到了证实。枣庄职业学院毕业设计（论文）第9页共23页图7在此之后，为了得出踏点的真实轨迹，我们又利用解析法，对踏点的运动轨迹列出了二次方程，并利用matlab软件进行了轨迹的曲线绘制，发现该点的轨迹的确符合题目要求，为一近似为椭圆的曲线（图详见分析与仿真部分）。到此，踏点位置的确定一段落。接下来，我们开始了手扶部分的设计。手扶部分不光需要考虑到人体的协调，还要考虑到人的身高及手臂长度，使得使用者可以比较舒服的使用它进行锻炼或者休闲。所以我们没有将手扶部分放在整个机构的最前端，因为最前端与踏点最远将相隔近一米五左右，不符合人体的运动协调性及实际情况。因为实际条件不允许，所以只对周围人进行了一些臂长的采样，虽然比较少，但是仍不失普遍性。通过结果分析我们发现大家的臂长大多集中在50~60㎝这一范围内。因此把展开的最远距离确定到了这一区间，又为了方便确定手扶部分的位置，将其与脚踏部分的连结铰链点放在了踏点位置的枣庄职业学院毕业设计（论文）第10页共23页下方。这样，通过简单的几何关系，就得出了手扶部分的位置。到此，该方案椭圆漫步机的整体尺寸就定下来了。下图8为椭圆漫步机方案4的整体尺寸。图8第四章运动分析及仿真第一节.踏点轨迹与标准椭圆比较图用matlab软件绘制出了踏点的轨迹和题目设计要求中的理想椭圆相比枣庄职业学院毕业设计（论文）第11页共23页较，图9为比较图。图9附matlab程序：h1=ezplot('(150-x)/sqrt(y^2+(150-x)^2)=(91.24^2+2*91.24*sqrt(y^2+(150-x)^2)+y^2+(150-x)^2+150^2-25^2)/(2*150*(91.24+sqrt(y^2+(150-x)^2)))',[60,120,-20,20])set(h1,'Color','red')holdonh2=ezplot('(x-91.24)^2/625+y^2/100=1',[60,120,-20,20])set(h2,'Color','green')title('踏点轨迹')第二节踏点位置与标准椭圆比较表用matlab程序分别解踏点的几何方程和标准椭圆方程，以这两个图形的枣庄职业学院毕业设计（论文）第12页共23页最左端和最右端两点为边界，即[66.24，106.24]，然后以1为步长共取了51个点，分别解出横坐标相同时的两个纵坐标来比较误差，表1为比较表。表1XY1（标准椭圆）Y2（方案4）误差w66.2400067.242.83.460.2357142857168.243.924.80.2244897959269.244.755.780.2168421052670.245.436.550.2062615101371.2467.190.1983333333372.246.457.730.198449612473.246.948.190.1801152737874.247.338.580.1705320600375.247.688.920.1614583333376.2489.210.1512577.248.289.450.1413043478378.248.549.660.1311475409879.248.779.830.1208665906580.248.989.970.1102449888681.249.1710.080.09923664122182.249.3310.160.0889603429883.249.4710.210.07814149947284.249.610.250.06770833333385.249.7110.250.05561277034枣庄职业学院毕业设计（论文）第13页共23页86.249.810.240.04489795918487.249.8710.20.03343465045688.249.9310.150.02215508559989.249.9710.070.01003009027190.249.999.98-0.00100100100191.24109.86-0.01492.249.999.73-0.02602602602693.249.979.59-0.03811434302994.249.939.43-0.05035246727195.249.879.25-0.06281661600896.249.89.05-0.07653061224597.249.718.84-0.08959835221498.249.68.62-0.1020833333399.249.478.38-0.11510031679100.249.338.12-0.12968917471101.249.177.86-0.14285714286102.248.987.57-0.1570155902103.248.777.28-0.16989737742104.248.546.96-0.1850117096105.248.286.63-0.19927536232106.2486.29-0.21375107.247.685.93-0.22786458333108.247.335.55-0.24283765348109.246.945.15-0.25792507205110.246.454.72-0.26821705426111.2464.26-0.29枣庄职业学院毕业设计（论文）第14页共23页112.245.433.77-0.30570902394113.244.753.23-0.32114.243.922.6-0.33673469388115.242.81.81-0.35357142857第三节位移、速度、加速度分析用proe软件对踏点处的位移，速度和加速度进行了分析，图10为位移曲线，图11为速度曲线，图12为加速度曲线，图13为速度和加速度曲线，便于更直观地了解踏点的运动规律。枣庄职业学院毕业设计（论文）第15页共23页图10枣庄职业学院毕业设计（论文）第16页共23页图11枣庄职业学院毕业设计（论文）第17页共23页图12枣庄职业学院毕业设计（论文）第18页共23页图13第四节.运动仿真仿真用的是proe软件，图14为仿真截图。枣庄职业学院毕业设计（论文）第19页共23页图14第五章结果分析及效果图一．结果分析从踏点轨迹和标准椭圆的比较图表来看，所设计的方案误差稍大，但由于是近似设计，所以基本可以满足要求。而且，曾有研究表明，人在电动跑步机上跑步时，实测的脚踝轨迹（实线）用椭圆形状（虚线）拟合的结果，如图15枣庄职业学院毕业设计（论文）第20页共23页图15实测人体脚踝运动轨迹与椭圆存在一定的差异，呈现一头圆，而另一头比较尖的情况，故我们的设计更贴近于实际生活，符合人体的运动规律，为运动的人们带来更加舒适的感受。但该设计仍有不足，例如为防止导杆伤人，需做一个比较大的后盖。二．效果图此图利用proe软件进行绘制。枣庄职业学院毕业设计（论文）第21页共23页致谢非常感谢各位指导老师，没有你们交给我们知