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毕业设计（论文）论文题目三自由度上肢机械助力外骨骼模型设计学生姓名学号所在院系专业班级机械设计制造及其自动化导师姓名职称完成日期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-freedomupperlimbmachineryforexternalskeletaldesignAbstractMechanicalexoskeletonisahotresearchtopicinrecentyears,thedevelopmentofvarioustypesofrehabilitationrobotsintomilitarymechanicalarmordevelopment,allkindsofresultsreportedinthenewspapers,themainfunctionofmechanicalexoskeletonisthecoordinatedmovement,provideassistance,isthemovementmoreeasily.Withtheincreaseoftheelderlypopulationandthelargepopulationbaseofdisability,thedevelopmentofmechanicalexoskeletonisofpracticalsignificanceinchina.Thisdesignmainlyaimsatthehospital,thedailynursinghomesfortheelderlyandordinaryfamilies,helpcarersloseabilitytoexercisetheelderlyandsick,assistthepatienttoturnover,transferwillholdtothewheelchairbedsandpatientbasicnursingwork.ByqueryingtheaveragebodysizeChinaadultpopulation,estimatedageneralsizedata,using3DmodelingsoftwareUGmodeling,andthroughthecalculationofthedesigntomeettherequirementsofthespring,the3Dassembly,thevalidationoftherationalityofmechanicalexoskeleton.Inordertoachievethegoalofboostingcoordination,thedesignofthemechanicalexoskeletonofthemechanicalstructureinnovationinthejoints,theexternalgearwheelspring,nested,built-in,ensurethestiffnessandstrengthofmaterials,butalsoensuretherationalityofthestructure.Withtheimprovementofscienceandtechnology,mechanicalexoskeletonpowersystemtowardsamoreadvanced,intelligentandminiaturization,thenewprocessingtechnologyofnewmaterials,theapplicationofartificialintelligenceareconstantlypromotethedevelopmentofthiskindofresearch.Keywords:Mechanicalupperlimb;Exoskeleton;3Dmodeling;Powerassistedcompression;Springcare目录1前言.................................................11.1项目分析................................................11.2研究现状................................................11.3研究难点................................................22人体结构及运动学分析.................................52.1人体结构学分析..........................................52.2项目方案分析............................................52.3人体基本尺寸数据........................................62.4上肢运动特性............................................73关键节点结构的设计与分析............................103.1结构方案分析...........................................103.2外骨骼各部件的拆分.....................................113.3设计参数的确定.........................................113.4上肢机械助力外骨骼的运动学分析.........................124外骨骼各部件的设计..................................164.1肘关节设计.............................................164.2肘关节弹簧的设计计算...................................174.3肩关节的设计...........................................234.4肩关节弹簧的设计.......................................244.5腕关节及手掌支板的设计.................................294.6前臂与上臂的设计.......................................294.7脊背的设计.............................................305上肢机械外骨骼装配图................................325.1三维建模软件UG介绍...................................325.2上肢机械助力外骨骼装配图...............................325.3基于UG软件的上肢结构运动仿真.........................346总结与展望..........................................386.1总结...................................................386.2展望...................................................38参考文献...............................................39致谢...................................................40附录...................................................411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。随着生活质量和和医疗水平的提高，现在人们的平均寿命与过去相比有了较大的提高，据2015年5月13日世界卫生组织发布的《世界卫生统计》报告指出，中国的人口平均寿命为：男性74岁，女性77岁，随着高龄老年人的增多，使与之相对应的老年人生活难以自理，需要有专门的护理员为其生活提供必须的帮助，对于那些年纪较大或者身体瘫痪的老年人和病人来说，护理人员的护理难度较大。因此针对这个问题，我设计出这种能够为医护人员提供助力的机械外骨骼，让他们穿戴起来能够减轻作负担，提高作效率，降低工作疲劳度，因为这种机械外骨骼是穿戴在正常人身上的，因此只需要助力机械结构即可完成相关的任务，鉴于目前的技术水平和使用者的工作要求，并不需要自备动力的机械外骨骼系统。本次设计的机械助力外骨骼主要用于养老院、医院、家庭护理等领域，由身体健全的正常人穿戴，对年纪大、身体弱、长期卧床或不具备生活自理能力的人员进行一般的护理，在护理过程中需要对被护理人员进行翻身，搀扶或将被护理人员搬到轮椅，转移病床时，通过穿戴机械助力外骨骼，实现省力、减轻护理人员工作压力的目的。针对养老院、医院、家庭护理领域的护理人员大多女性，因此机械助力外骨骼应满足穿戴舒适，使用方便，质量轻便，效果明显的基本要求，同时应满足人机工程学的相关要求，不对使用者和适用对象造成伤害，本次设计的机械助外骨骼在养老院、医院、家庭护理等领域都以有所应用，这些地方的使用场所相对来说人员密度大，空间狭窄，在护理过程中还会有其他一些辅助设备，因此就造成了护理空间有限，操作障碍多的问题，比如在医院进行护理的过程中，病房空间狭小，走廊狭窄，人员流动量大，辅助的设备比如药品柜、输液柱、呼吸机等设备较多，在护工对病人进行翻身、搀扶，将病人抱到轮椅上，以及对病人实施转移病床等护理活动时，受到不小的影响，在使用机械助力外骨骼时，就应考虑到这些实际情况，不能给护理人员及受用对象造成额外的不便，更不能产生伤害。1.2研究现状上身机械外骨骼分为两种类型，一种是机械助力外骨骼，用于辅助使用者完成某些特定的工作，起到助力，降低使用者工作疲劳度，延长工作时间的作用，另外一种是机械康复医疗外骨骼，主要用于对偏瘫、中风患者以及上身运动失常的病人的康复训练和辅助治疗，因为患者基本上已经失去自主运动的能力，无法自主控制身体完成基本的运动，所以这一类机械外骨骼具有自主运动的能力，它能够按照预