機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)說明書——橢圓漫步機(jī)

1、機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)說明書 設(shè)計(jì)題目 橢圓漫步機(jī) 機(jī)械工程學(xué)院 機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動化專業(yè) 設(shè)計(jì)者 指導(dǎo)教師 2021年12月28日 目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc29477 一、設(shè)計(jì)題目 PAGEREF _Toc29477 - 3 - HYPERLINK l _Toc12058 1.橢圓漫步機(jī)背景 PAGEREF _Toc12058 - 3 - HYPERLINK l _Toc1448 2.設(shè)計(jì)要求 PAGEREF _Toc1448 - 3 - HYPERLINK l _Toc22186 二、機(jī)構(gòu)選型及評價 PAGEREF _Toc22186 - 4 - HYPER

2、LINK l _Toc18898 方案1 PAGEREF _Toc18898 - 4 - HYPERLINK l _Toc20800 方案2 PAGEREF _Toc20800 - 5 - HYPERLINK l _Toc7668 方案3 PAGEREF _Toc7668 - 6 - HYPERLINK l _Toc15820 方案4 PAGEREF _Toc15820 - 7 - HYPERLINK l _Toc32668 三、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc32668 - 7 - HYPERLINK l _Toc31893 四、運(yùn)動分析及仿真 PAGEREF _Toc31893 - 10

3、 - HYPERLINK l _Toc2841 1.踏點(diǎn)軌跡與標(biāo)準(zhǔn)橢圓比擬圖 PAGEREF _Toc2841 - 10 - HYPERLINK l _Toc10548 2. 踏點(diǎn)位置與標(biāo)準(zhǔn)橢圓比擬表 PAGEREF _Toc10548 - 11 - HYPERLINK l _Toc9245 3.位移、速度、加速度分析 PAGEREF _Toc9245 - 14 - HYPERLINK l _Toc23839 4.運(yùn)動仿真 PAGEREF _Toc23839 - 17 - HYPERLINK l _Toc30866 五、結(jié)果分析 PAGEREF _Toc30866 - 18 - HYPERLI

4、NK l _Toc18368 六、個人體會 PAGEREF _Toc18368 - 19 - HYPERLINK l _Toc22226 七、參考資料 PAGEREF _Toc22226 - 20 - HYPERLINK l _Toc20537 八、分工 PAGEREF _Toc20537 - 21 -一、設(shè)計(jì)題目1.橢圓漫步機(jī)背景 橢圓漫步機(jī)是一種非常實(shí)用的純機(jī)械健身器材, 它具有活動下肢及脊椎各關(guān)節(jié)，抻動肝、脾、腎、經(jīng)脈，增強(qiáng)人體上肢肌肉耐力和四肢協(xié)調(diào)能力等健身功能，特別是對下肢減脂有針對性效果。下列圖1所示為某公司生產(chǎn)的YC-LJ-25型號橢圓漫步機(jī),其占地空間為長寬高136060015

5、87mm。圖2為運(yùn)動軌跡圖。鍛煉方法：兩腳踏于座板上，兩手握住手柄擺動，往復(fù)運(yùn)動。圖1 圖22.設(shè)計(jì)要求雙腳的橢圓軌跡長軸為50cm，短軸20cm，要求實(shí)現(xiàn)的軌跡為標(biāo)準(zhǔn)橢圓或近似橢圓偏差小于5%。動力源手動或者自動。保證運(yùn)動者在機(jī)器上有舒適的鍛煉姿勢，整個身體要協(xié)調(diào)。二、機(jī)構(gòu)選型及評價方案1 圖3 優(yōu)點(diǎn)：采用了發(fā)電機(jī)提供動力，可以讓使用者更加省力，而且可以通過調(diào)速設(shè)備來調(diào)節(jié)運(yùn)動的快慢，使橢圓漫步機(jī)由手動走向自動化。缺點(diǎn)：需要供電，不適合在戶外作為公共根底設(shè)施以及一些其他無法持續(xù)供電的地方使用，具有一定的局限性，而且不經(jīng)濟(jì)。方案2 圖4 該方案為在原有的題中給出的機(jī)構(gòu)上擴(kuò)展而出的，將原先的四桿機(jī)

6、構(gòu)轉(zhuǎn)變成六桿機(jī)構(gòu)，使得橢圓漫步機(jī)穩(wěn)定性更強(qiáng)，更耐用。但是因?yàn)榕c原機(jī)構(gòu)太過相似，不具有創(chuàng)新性。方案3 圖5 此方案是通過運(yùn)動鏈再生的方法獲得的，同樣是更穩(wěn)定的六桿機(jī)構(gòu)，而且更加具有一定的創(chuàng)新性，但是因?yàn)榍岸瓮ㄟ^滑塊連接，使得該機(jī)構(gòu)顯得比擬不協(xié)調(diào)。而且前端的滑塊也不便于生產(chǎn)安裝，且占用空間面積較大，不適合室內(nèi)使用。方案4 圖6此方案不但具有一定的創(chuàng)新性，而且踏點(diǎn)軌跡穩(wěn)定，不但符合人行走的軌跡，而且更貼近題目要求。而采用鉸鏈連接代替滑塊，又消除了方案三中的缺點(diǎn)。綜上所述，我們選擇方案4作為最終方案。三、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 對于方案4的尺寸設(shè)計(jì)，我們根據(jù)其運(yùn)動規(guī)律，將其分為手扶和腳踏兩個局部，踏板為原動件，因此

7、手扶局部并不影響腳踏局部的運(yùn)動軌跡。這樣一來，該機(jī)構(gòu)就由六桿機(jī)構(gòu)求軌跡問題簡化成為四桿機(jī)構(gòu)的軌跡求解。 在腳踏局部，我們先利用題中所示的橢圓軌跡的上，下，左，右四個頂點(diǎn)作為點(diǎn)，得出四桿機(jī)構(gòu)的四個位置。我們知道，通過四位置綜合求解，是可以得出精確的四桿機(jī)構(gòu)位置的。因此，通過解析法解幾何方程，我們找到了踏點(diǎn)的位置，在圖7中用紅色圓圈表示。方程：，解得 x=91.24由此，我們得出踏點(diǎn)軌跡，顯然，該軌跡為橢圓或者一近似為橢圓的曲線，該結(jié)論在稍后得到了證實(shí)。 圖7在此之后，為了得出踏點(diǎn)的真實(shí)軌跡，我們又利用解析法，對踏點(diǎn)的運(yùn)動軌跡列出了二次方程，并利用matlab軟件進(jìn)行了軌跡的曲線繪制，發(fā)現(xiàn)該點(diǎn)的軌

8、跡確實(shí)符合題目要求，為一近似為橢圓的曲線圖詳見分析與仿真局部。到此，踏點(diǎn)位置確實(shí)定一段落。接下來，我們開始了手扶局部的設(shè)計(jì)。手扶局部不光需要考慮到人體的協(xié)調(diào)，還要考慮到人的身高及手臂長度，使得使用者可以比擬舒服的使用它進(jìn)行鍛煉或者休閑。所以我們沒有將手扶局部放在整個機(jī)構(gòu)的最前端，因?yàn)樽钋岸伺c踏點(diǎn)最遠(yuǎn)將相隔近一米五左右，不符合人體的運(yùn)動協(xié)調(diào)性及實(shí)際情況。因?yàn)閷?shí)際條件不允許，所以我們只對周圍人進(jìn)行了一些臂長的采樣，雖然比擬少，但是仍不失普遍性。通過結(jié)果分析我們發(fā)現(xiàn)大家的臂長大多集中在5060這一范圍內(nèi)。因此我們把展開的最遠(yuǎn)距離確定到了這一區(qū)間，又為了方便確定手扶局部的位置，將其與腳踏局部的連結(jié)鉸鏈

9、點(diǎn)放在了踏點(diǎn)位置的下方。這樣，通過簡單的幾何關(guān)系，就得出了手扶局部的位置。到此，該方案橢圓漫步機(jī)的整體尺寸就定下來了。下列圖8為橢圓漫步機(jī)方案4的整體尺寸。 圖8四、運(yùn)動分析及仿真1.踏點(diǎn)軌跡與標(biāo)準(zhǔn)橢圓比擬圖我們用matlab軟件繪制出了踏點(diǎn)的軌跡和題目設(shè)計(jì)要求中的理想橢圓相比擬，圖9為比擬圖。 圖9附matlab程序： h1=ezplot(150-x)/sqrt(y2+(150-x)2)=(91.242+2*91.24*sqrt(y2+(150-x)2)+y2+(150-x)2+1502-252)/(2*150*(91.24+sqrt(y2+(150-x)2),60,120,-20,20)s

10、et(h1,Color,red)hold on h2=ezplot(x-91.24)2/625+y2/100=1,60,120,-20,20)set(h2,Color,green)title(踏點(diǎn)軌跡) 踏點(diǎn)位置與標(biāo)準(zhǔn)橢圓比擬表我們用matlab程序分別解踏點(diǎn)的幾何方程和標(biāo)準(zhǔn)橢圓方程，以這兩個圖形的最左端和最右端兩點(diǎn)為邊界，即66.24，106.24，然后以1為步長共取了51個點(diǎn)，分別解出橫坐標(biāo)相同時的兩個縱坐標(biāo)來比擬誤差，表1為比擬表。 表1XY1標(biāo)準(zhǔn)橢圓Y2方案4誤差w66.2400067.242.83.460.2357142857168.243.924.80.2244897959269.

11、244.755.780.2168421052670.245.436.550.2062615101371.2467.190.1983333333372.246.457.730.198449612473.246.948.190.1801152737874.247.338.580.1705320600375.247.688.920.1614583333376.2489.210.1512577.248.289.450.1413043478378.248.549.660.1311475409879.248.779.830.1208665906580.248.989.970.1102449888681.2

12、49.1710.080.09923664122182.249.3310.160.0889603429883.249.4710.210.07814149947284.249.610.250.06770833333385.249.7110.250.0556127703486.249.810.240.04489795918487.249.8710.20.03343465045688.249.9310.150.02215508559989.249.9710.070.01003009027190.249.999.98-0.00100100100191.24109.86-0.01492.249.999.7

13、3-0.02602602602693.249.979.59-0.03811434302994.249.939.43-0.05035246727195.249.879.25-0.06281661600896.249.89.05-0.07653061224597.249.718.84-0.08959835221498.249.68.62-0.1020833333399.249.478.38-0.11510031679100.249.338.12-0.12968917471101.249.177.86-0.14285714286102.248.987.57-0.1570155902103.248.7

14、77.28-0.16989737742104.248.546.96-0.1850117096105.248.286.63-0.19927536232106.2486.29-0.21375107.247.685.93-0.22786458333108.247.335.55-0.24283765348109.246.945.15-0.25792507205110.246.454.72-0.26821705426111.2464.26-0.29112.245.433.77-0.30570902394113.244.753.23-0.32114.243.922.6-0.33673469388115.2

15、42.81.81-0.35357142857 3.位移、速度、加速度分析我們用proe軟件對踏點(diǎn)處的位移，速度和加速度進(jìn)行了分析，圖10為位移曲線，圖11為速度曲線，圖12為加速度曲線，圖13為速度和加速度曲線，便于更直觀地了解踏點(diǎn)的運(yùn)動規(guī)律。 圖10 圖11 圖12 圖13 4.運(yùn)動仿真仿真我們用的是proe軟件，圖14為仿真截圖。 圖14五、結(jié)果分析從踏點(diǎn)軌跡和標(biāo)準(zhǔn)橢圓的比擬圖表來看，我們所設(shè)計(jì)的方案誤差稍大，但由于是近似設(shè)計(jì)，所以根本可以滿足要求。而且，曾有研究說明，人在電動跑步機(jī)上跑步時，實(shí)測的腳踝軌跡實(shí)線用橢圓形狀虛線擬合的結(jié)果，如圖15 圖15實(shí)測人體腳踝運(yùn)動軌跡與橢圓存在一定的差

16、異，呈現(xiàn)一頭圓，而另一頭比擬尖的情況，故我們的設(shè)計(jì)更貼近于實(shí)際生活，符合人體的運(yùn)動規(guī)律，為運(yùn)動的人們帶來更加舒適的感受。但該設(shè)計(jì)仍有缺乏，例如為防止導(dǎo)桿傷人，需做一個比擬大的后蓋。六、個人體會在這七周的課程設(shè)計(jì)中，我們收獲頗豐。最開始拿到題目無從下手，分別嘗試用圖解法和解析法均不太適合。最終選擇用特殊位置列方程，設(shè)計(jì)出我們方案機(jī)構(gòu)的尺寸。后來為了方案機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析及模擬仿真，我們開始學(xué)著使用matlab和proe等軟件，而這兩個軟件我們以前并未接觸過，學(xué)習(xí)時遭遇了一定的困難。例如在做軌跡的比擬表格時，由于matlab知識不太夠，我們只好將不同的x坐標(biāo)代入來求y，總共算了七十屢次，消耗了大量的時間。如果有更多的時間的話，我們將嘗試更好的方法。在做運(yùn)動仿真時，我們先用inventor做了一遍，但發(fā)現(xiàn)無法輸出踏點(diǎn)的軌跡，于是我們改用proe軟件，最終成功地輸出了踏點(diǎn)的軌跡。再有就是比擬誤差之時，我們還可以用踏點(diǎn)軌跡的面積和標(biāo)準(zhǔn)橢圓的面積相比擬，但由于軟件知識儲藏不夠，只得暫時作罷。總之，這次課程設(shè)計(jì)讓我們學(xué)到了解決問題的能力，也對機(jī)械有了更加濃厚的興趣，為我們將來的學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定了良好的根底。七、參考資料1.?機(jī)械原理教程?申永勝，清華大學(xué)出版社，20052.?機(jī)械原理講義?王德倫，高媛， 大