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本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
多功能拐杖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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摘要
隨著我國(guó)人口老齡化趨勢(shì)的不斷加劇，老年人數(shù)量越來(lái)越多，與此同時(shí)老年用品市場(chǎng)的規(guī)模也不斷擴(kuò)大，伴隨而來(lái)的是巨大的商業(yè)機(jī)遇，但是目前來(lái)看針對(duì)老年人用品的研發(fā)和相關(guān)配套仍落后于市場(chǎng)需求。
本文通過(guò)對(duì)老年市場(chǎng)的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)老年用品市場(chǎng)的巨大缺口，并希望通過(guò)所學(xué)的機(jī)械相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)一種老年運(yùn)動(dòng)障礙的行進(jìn)輔助設(shè)備，通過(guò)對(duì)其機(jī)械原理進(jìn)行分析然后采用人口相關(guān)數(shù)據(jù)平均值設(shè)計(jì)產(chǎn)品尺寸。然后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和多功能設(shè)計(jì)，主要包括可伸縮設(shè)計(jì)，以及一些必要的輔助功能如全球定位系統(tǒng)，燈，最后應(yīng)用人體工程學(xué)原理進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件給出了相關(guān)模型的Solidworks模型。
最后對(duì)本次設(shè)計(jì)的進(jìn)一步功能設(shè)計(jì)以及一些不足之處進(jìn)行了探討，并且希望可以做出更好的改進(jìn)。
關(guān)鍵詞：人口老齡化；拐杖多功能設(shè)計(jì)；三維設(shè)計(jì)；人體工程學(xué)原理
Abstract
As the population aging trend in our country continues to intensify, the number of elderly people is increasing, while the size of the market for the aged goods is also expanding, accompanied by tremendous business opportunities, but for the present, R & D and related facilities are still lagging behind the market demand.
Through the research on the aged market, this article finds a huge gap in the market for the aged supplies and hopes to design a traveling auxiliary equipment for senile dyskinesia based on the mechanical knowledge learned. By analyzing its mechanical principle and then using the average value of population-related data Design product size. Then the product was optimized design and multi-functional design, including scalable design, and some necessary auxiliary functions such as GPS, lights, the final application of ergonomic principles for further optimization design, and through the three-dimensional design software gives Solidworks model for related models.
Finally, this design further functional design and some shortcomings were discussed, and hope can make better improvements.
Keywords: population aging; crutch multifunctional design; three-dimensional design; ergonomics
目 錄
第一章 引 言 3
1.1老年用品市場(chǎng)調(diào)研 3
1.2老齡用品業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì) 4
第二章 產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì) 6
1.1三維設(shè)計(jì)的主要思想? 6
1.2三維設(shè)計(jì)軟件的優(yōu)勢(shì)? 6
1.3?市場(chǎng)主流三維設(shè)計(jì)軟件介紹? 6
第三章 拐杖可升縮設(shè)計(jì) 8
第四章 座椅的可折疊設(shè)計(jì) 13
第五章 手柄設(shè)計(jì) 16
5.1人體工程學(xué)原理簡(jiǎn)介 16
5.2手柄的整體設(shè)計(jì) 16
5.3輔助功能設(shè)計(jì) 17
5.3.1GPS芯片設(shè)置 17
5.3.2 LED燈設(shè)計(jì) 17
5.2.3 偽鈔識(shí)別裝置 17
第六章總體方案設(shè)計(jì) 18
6.1總體設(shè)計(jì)及圖形 18
6.2 三維設(shè)計(jì) 18
6.3 SOLIDWORKS命令簡(jiǎn)介 19
6.3.1拉伸特征 19
6.3.2旋轉(zhuǎn)特征 19
6.3.3掃描特征 20
第七章 結(jié)論 21
7.1 整體設(shè)計(jì)結(jié)論 21
7.2 進(jìn)一步工作的方向 21
參考文獻(xiàn)： 22
致謝 23
第一章 引 言
1.1老年用品市場(chǎng)調(diào)研
中國(guó)擁有世界上最大的潛在老齡用品市場(chǎng)，而且這個(gè)市場(chǎng)在不斷擴(kuò)大。2013年年底，中國(guó)老年人口已經(jīng)超過(guò)2億。2025年，中國(guó)老年人口將突破3億。高齡老年人口、失能老年人口以及患有慢性病的老年人口規(guī)模非常大，并且在持續(xù)增長(zhǎng)，這些老年人口對(duì)康復(fù)輔具、保健用品、醫(yī)藥用品等老齡用品有著較強(qiáng)的剛性需求，消費(fèi)需求潛力巨大。
老齡用品的定義如下：以老年人為主要消費(fèi)人群的任何器械、器具、用具和物品，包括所需的軟件，以滿足老年人因殘障、疾病、體弱或其他特殊的身體、心理特點(diǎn)而產(chǎn)生的對(duì)物品的特殊需求。老齡用品屬于“物”的范疇，這是與老齡服務(wù)的根本性區(qū)別。
老齡用品業(yè)是指從事老齡用品生產(chǎn)、銷售和提供相關(guān)服務(wù)的經(jīng)營(yíng)性行業(yè)，屬于實(shí)體經(jīng)濟(jì)，是老齡產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。
由于老年人的特殊性需求具有多元性，老齡用品也因此涵蓋了生活的方方面面，產(chǎn)品種類繁多。基于老年人的主要需求，對(duì)老齡用品的分類進(jìn)行系統(tǒng)化的梳理和厘清。
康復(fù)輔具涵蓋生活的各個(gè)方面，產(chǎn)品種類非常多。常見(jiàn)老年人康復(fù)輔具分為生活自理與護(hù)理輔具、老年行動(dòng)輔具、老年居家生活輔具、老年溝通與信息輔具、老年康復(fù)器材五個(gè)類別。
基于老年人對(duì)老齡用品的主要需求，依據(jù)老齡用品的核心功能和用途，將常見(jiàn)老齡用品分為老年日用品、老年服飾用品、老年文化體育用品、老年電子產(chǎn)品、老年保健用品、老年個(gè)人自理與護(hù)理輔具、老年行動(dòng)輔具、老年居家生活輔具、老年溝通與信息輔具、老年康復(fù)器材、老年醫(yī)藥用品、老年喪葬用品十二大類。
在互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)環(huán)境下，隨著智慧養(yǎng)老、遠(yuǎn)距醫(yī)療、遠(yuǎn)程照料等新型服務(wù)形態(tài)的出現(xiàn)，越來(lái)越多的智能化科技老齡產(chǎn)品將出現(xiàn)在老年人日常生活中。 國(guó)內(nèi)老齡用品銷售企業(yè)也在不斷發(fā)展壯大。
老齡電子科技產(chǎn)品的研發(fā)較為滯后。在信息和網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代，老年人生活越來(lái)越離不開(kāi)信息技術(shù)的輔助以手機(jī)為典型的例子。
老齡用品創(chuàng)新乏力、科技含量不足的狀況，究其原因，主要是老齡用品基礎(chǔ)科學(xué)研究比較薄弱。產(chǎn)品的研發(fā)，不僅需要企業(yè)重視產(chǎn)品質(zhì)量和功能，也需要用戶對(duì)此有積極要求和反饋。而目前的大部分老年人選擇用品首先看重的是價(jià)格，其次才是品質(zhì)，這就導(dǎo)致有些質(zhì)量不佳、功能不完善的產(chǎn)品市場(chǎng)占有率反而高，也導(dǎo)致老齡用品廠家缺乏技術(shù)創(chuàng)新的動(dòng)力。
老齡用品關(guān)涉所有老年人，而且涵蓋了老年人生活的方方面面，種類繁多，包羅萬(wàn)象。由于老年人需求強(qiáng)度的不同，老齡用品業(yè)內(nèi)的各子行業(yè)的發(fā)展并不均衡。與老年人生活密切相關(guān)的老齡康復(fù)輔具用品、老齡護(hù)理用品、老齡保健用品市場(chǎng)比較活躍，產(chǎn)品種類比較多，社會(huì)認(rèn)知度較高，科技含量也在逐步提高。而老年文化用品、老年日用品市場(chǎng)相對(duì)冷清，行業(yè)發(fā)展較慢。而實(shí)際上，隨著老年人經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)，以及消費(fèi)觀念的轉(zhuǎn)變，一部分老年人，特別是相對(duì)年輕老年人、城市老年人對(duì)化妝品、抗衰老產(chǎn)品以及電子產(chǎn)品等存在著較強(qiáng)的購(gòu)買(mǎi)欲望和支付能力。
1.2老齡用品業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)
老齡用品市場(chǎng)潛力巨大，中國(guó)正在逐步成為老齡用品的需求大國(guó)。中國(guó)老齡用品市場(chǎng)具有巨大的人口基礎(chǔ)，而且這種需求會(huì)隨著人口老齡化的快速發(fā)展、人們生活水平的不斷提高而不斷釋放。
中國(guó)老年人口，尤其是高齡、失能以及患慢性病的老年人口的快速增長(zhǎng)，將會(huì)對(duì)康復(fù)輔具、護(hù)理產(chǎn)品、醫(yī)療器械、藥品及保健品等產(chǎn)生巨大的需求。而且老年人自身收入水平的提高、消費(fèi)觀念的轉(zhuǎn)變，將促使?jié)撛谛枨筠D(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際的購(gòu)買(mǎi)行為，推動(dòng)老齡用品市場(chǎng)蓬勃發(fā)展。2012年，中國(guó)失能老年人口（包括部分失能和完全失能）達(dá)3600萬(wàn)人，到2015年失能老年人達(dá)到４千萬(wàn)人。假設(shè)根據(jù)失能老年人平均每人每年需要500元的康復(fù)輔具產(chǎn)品來(lái)做一個(gè)粗略的保守估算，2015年康復(fù)輔具類產(chǎn)品的市場(chǎng)潛力將達(dá)到200億元。
圖1.1 中國(guó)人口老齡化趨勢(shì)圖
老年人健康狀況和功能障礙的差異影響到老年人對(duì)各類老齡用品的需求。老年人對(duì)行動(dòng)類輔具產(chǎn)品的需求量也很大，到2020年，中國(guó)有各類行動(dòng)障礙的老年人將超過(guò)三千萬(wàn)。綜上所述，進(jìn)入老齡社會(huì)后，隨著中國(guó)居民整體生活水平的提高，老年人對(duì)于生活質(zhì)量的要求也在不斷提升，老齡用品將逐步成為老年人日常生活中不可缺少的必需品，老齡用品業(yè)也將逐步成為老齡產(chǎn)業(yè)當(dāng)中一大增長(zhǎng)點(diǎn)。
本文將針對(duì)行動(dòng)不便的老年人為他們?cè)O(shè)計(jì)一種既經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，又用途多樣的老年行動(dòng)障礙輔助工具多功能拐杖。
第二章 產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)
1.1三維設(shè)計(jì)的主要思想?
傳統(tǒng)2D設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者是根據(jù)對(duì)零件或裝配體設(shè)計(jì)期望的結(jié)果直接繪制二維圖。而在三維設(shè)計(jì)中，是從平面-草圖-特征-零件-裝配體這一思路出發(fā)，直接生成零件和裝配體的三維模型，再導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的二維圖紙。在三維設(shè)計(jì)中，對(duì)零件進(jìn)行三維建模,?實(shí)質(zhì)是對(duì)零件加工過(guò)程進(jìn)行模擬和對(duì)零件加工工藝過(guò)程進(jìn)行描述,?是在三維軟件的環(huán)境下進(jìn)行的虛擬加工。?
一般來(lái)說(shuō)，建模常用的方法有旋轉(zhuǎn)法、層疊法、加工法。?
旋轉(zhuǎn)法:?在一幅草圖上畫(huà)出零件的多個(gè)復(fù)雜外形特征,?通過(guò)旋轉(zhuǎn)命令“一步到位”生成零件。但此方法僅僅適合回轉(zhuǎn)零件，而且僅適用于回轉(zhuǎn)零件外形輪廓特征建模。?
層疊法：?單獨(dú)建立零件各段的每個(gè)特征,?用堆積的方式,?將各段堆疊起來(lái)。通過(guò)上述實(shí)例不難發(fā)現(xiàn),?該方法局部性強(qiáng),?缺乏總體布局,?沒(méi)有毛坯選擇,沒(méi)有總體的特征規(guī)劃。但此方法適用于大型焊接件,其建模思想與焊接方法正好吻合。?
加工法：是模擬零件實(shí)際加工過(guò)程。?首先生成零件基本特征（如拉伸、旋轉(zhuǎn)、去除材料、倒角等），也就是實(shí)際加工的毛坯。?然后一道道工序逐漸加工，生成成品。加工法最符合實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，它的建模順序符合實(shí)際加工步驟，也符合專業(yè)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)過(guò)程。因此，在建模之前，有必要對(duì)產(chǎn)品零件進(jìn)行特征規(guī)劃，?這樣不僅使設(shè)計(jì)者對(duì)后續(xù)建模有總體把握,?而且對(duì)于最后編輯修改也很方便.?
1.2三維設(shè)計(jì)軟件的優(yōu)勢(shì)?
利用三維軟件，設(shè)計(jì)者可準(zhǔn)確、輕松地得到想要的三維模型，并且在此基礎(chǔ)上可以完成許多2D軟件不可能完全的功能，如：?
（1） ?對(duì)復(fù)雜體進(jìn)行體積、重量的計(jì)算。?
（2） ?對(duì)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真。?
（3） ?對(duì)零件進(jìn)行應(yīng)力分析。?
（4） ?根據(jù)用戶設(shè)置的幾何約束條件對(duì)零件進(jìn)行裝配。?
（5） ?演示功能。?
（6） ?快速導(dǎo)出二維圖紙。??
1.3?市場(chǎng)主流三維設(shè)計(jì)軟件介紹?
從上一節(jié)對(duì)三維設(shè)計(jì)軟件優(yōu)勢(shì)的分析中，我們可以大致得出結(jié)論，一個(gè)比較完善的三維設(shè)計(jì)軟件應(yīng)具備以下基本功能：?
(1)?科學(xué)計(jì)算與分析功能：能夠完成產(chǎn)品常規(guī)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性分析、有限元分析、動(dòng)態(tài)分析、運(yùn)動(dòng)模擬仿真、應(yīng)力分析等科學(xué)計(jì)算。?
(2)?圖形處理功能:如二維交互圖形技術(shù)、三維幾何造型、圖形仿真模擬及其圖形輸入輸出功能等。?
(3)?數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)交換功能:如數(shù)據(jù)庫(kù)管理、不同CAD系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換和接口功能等。?
(4)?其它功能:如進(jìn)行文檔制作、編輯及文字處理功能、二次開(kāi)發(fā)功能和網(wǎng)絡(luò)功能等
? 由于三維設(shè)計(jì)軟件需要漫長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程和高端的開(kāi)發(fā)技術(shù)，市場(chǎng)上不可能出現(xiàn)很多三維設(shè)計(jì)軟件。目前市場(chǎng)上較主流的軟件有Autodesk?Inventor、Solidworks、Pro?Engineer、CATIA、UG等。?
? ?SolidWorks是由美國(guó)達(dá)索公司發(fā)行的，是第一款基于Windows操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的三維CAD?軟件，具有操作簡(jiǎn)單、易學(xué)易用、兼容性高的特點(diǎn)。SolidWorks?是一個(gè)基于特征的、參數(shù)化的實(shí)體造型系統(tǒng)，這也是當(dāng)前CAD軟件的主體趨勢(shì)。SolidWorks采用單一的數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶在使用SolidWorks進(jìn)行建模時(shí)，既可以創(chuàng)建單一的三維實(shí)體模型，也可以由三維實(shí)體自動(dòng)生成各種工程視圖;?
SolidWorks是應(yīng)用最廣泛的中端三維建模軟件，在制造業(yè)領(lǐng)域和機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)里都有應(yīng)用。由于SolidWorks也是發(fā)行最早的中端三維建模軟件，在國(guó)際上享有較高的聲譽(yù)，國(guó)際通用性比較強(qiáng)，國(guó)外的許多大學(xué)、企業(yè)應(yīng)用很多。本設(shè)計(jì)將簡(jiǎn)單的利用SOLIDWORKS進(jìn)行部分設(shè)計(jì)。
圖2.1 管類零件模型圖
第三章 拐杖可升縮設(shè)計(jì)
為了適應(yīng)不同身高的老年人我們要對(duì)拐杖進(jìn)行可伸縮設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品更廣的應(yīng)用范圍從而獲得更大的市場(chǎng)。
我們從機(jī)械設(shè)計(jì)的角度入手實(shí)現(xiàn)拐杖的可伸縮設(shè)計(jì)。并且提出以下兩種可行性方案：
方案一：
基于摩擦力自鎖的螺紋自鎖設(shè)計(jì)
摩擦力自鎖模型簡(jiǎn)介
如圖1所示，把質(zhì)量為m的物體A鉛直壓在斜面上，慢慢增大傾斜角θ，當(dāng)傾角增大到一定程度時(shí)，物體開(kāi)始下滑，斜面上物體受力如圖所示，除鉛直壓力F外，還有重力G，斜面支持力N和摩擦力發(fā)。物體開(kāi)始下滑時(shí)。摩擦力最大為（為斜面與物體之間的靜摩擦因數(shù)）
圖3.1斜面物體受力分析圖
要保證物體不下滑，根據(jù)平衡條件，利用正交分解可得
將以上三式聯(lián)立求解，得
或
角僅與靜摩擦因數(shù)有關(guān)，與正壓力F及物體的質(zhì)量m無(wú)關(guān)，人們稱此角為摩擦角。顯然，當(dāng)斜面上無(wú)論放多重的物體，無(wú)論鉛直壓力F有多大，由于下滑力始終與靜摩擦力發(fā)相平衡，并且小于最大靜摩擦力，物體都不會(huì)下滑，這就是斜面的自鎖現(xiàn)象。
下面我們來(lái)分析一下螺紋的自鎖現(xiàn)象。轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，螺桿并不會(huì)再重力重壓下反向旋轉(zhuǎn)而掉下來(lái)。利用螺旋可以舉起重物，在外力撤銷后不會(huì)下滑的現(xiàn)象叫做螺旋自鎖，實(shí)際上就是斜面自鎖現(xiàn)象。把一張三角形的紙片卷起來(lái)就形成了螺旋，如圖所示，螺旋傾角就是就是三角形斜邊的傾角，螺桿在螺紋支座內(nèi)螺旋上升，相當(dāng)于物體沿斜面向上滑動(dòng)，與斜面相比較，螺桿相當(dāng)于物體A，支座相當(dāng)于斜面，重物對(duì)螺桿的壓力相當(dāng)于鉛直壓力F，螺旋自鎖相當(dāng)于物體A在力F的作用下不下滑。
圖3，2螺紋連接受力圖
利用上述螺旋自鎖的原理，拐杖上面的螺紋相當(dāng)于斜面，并且螺紋斜面的傾角小于靜摩擦角。這樣當(dāng)老人用力拄拐時(shí)盡管螺紋受到很大的壓力，仍然不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。
由上推導(dǎo)可知，斜面（或螺旋）自鎖條件是：
傾角應(yīng)該滿足：
當(dāng)斜面傾角時(shí)，物體處于靜止?fàn)顟B(tài)，產(chǎn)生的摩擦力為靜摩擦，由此可知靜摩擦力的大小為：
當(dāng)斜面傾角時(shí)，物體開(kāi)始下滑，此時(shí)產(chǎn)生的摩擦為滑動(dòng)摩擦力，并且滑動(dòng)摩擦力的大小為：
為物體與斜面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)，且<,斜面摩擦與斜面傾角的關(guān)系可以用三角函數(shù)圖像表示，如圖所示：
圖3.3摩擦力變化圖
在斜面上物體受到摩擦力f 隨斜面傾角的變化情況：
當(dāng)時(shí)，靜摩擦力f隨按正弦規(guī)律由零逐漸增大；
當(dāng)時(shí)，物體開(kāi)始滑動(dòng)，摩擦力突然從最大靜減少到滑動(dòng)摩擦力
當(dāng)時(shí)，滑動(dòng)摩擦力發(fā)f隨按余弦規(guī)律減小到零。
圖3.4采用螺紋鎖緊的拐杖可伸縮方式
方式二：采用彈簧按鈕的可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度方式
圖3.5 彈簧按鈕伸縮設(shè)計(jì)示意圖
該方式采用了一個(gè)彈簧按鈕，當(dāng)需要改變拐杖的長(zhǎng)度時(shí)我們按下按鈕在拐杖的底端用力拉或者是推從而當(dāng)彈簧按鈕進(jìn)入下一個(gè)按鈕孔時(shí)自動(dòng)彈起卡住拐杖的長(zhǎng)度伸縮，從而實(shí)現(xiàn)拐杖長(zhǎng)度的變化。
通過(guò)以上兩種方式我們可以發(fā)現(xiàn)，采用螺旋自鎖式拐杖長(zhǎng)度變化可以實(shí)現(xiàn)任意長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)，其萬(wàn)能性好，但是與此同時(shí)，作為拐杖增加了重量不是特別輕便，另外螺紋的加工工藝相對(duì)復(fù)雜成本較高。如果采用彈簧按鈕式的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)方式其檔位有限萬(wàn)能性不好，但是可以實(shí)現(xiàn)拐杖的輕量化并且成本相對(duì)較低，綜上所述我們采用彈簧按鈕式的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)方式。
第四章 座椅的可折疊設(shè)計(jì)
考慮到老年人身體方面的原因，走路依靠輔助工具，相對(duì)來(lái)說(shuō)還是比較困難的，考慮到老年人體力的原因可能走一段路需要適當(dāng)?shù)男菹⑽覀冊(cè)O(shè)計(jì)了可折疊座位。
下圖是座位的三維圖。
圖4.1 座位圖
座椅采用塑料材質(zhì)加工從而保障了整個(gè)拐杖的輕便，為了和拐杖配合實(shí)現(xiàn)座位的折疊我們?cè)谧簧显O(shè)計(jì)了用于連接的連接孔，使整個(gè)座位和拐杖通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)座位的折疊。
接下來(lái)我們將討論用實(shí)現(xiàn)折疊的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的機(jī)械原理。
根據(jù)機(jī)械原理，機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)時(shí)所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目（亦即為了使機(jī)構(gòu)的位置得以確定，必須給定的獨(dú)立的廣義坐標(biāo)的數(shù)目），稱為機(jī)構(gòu)自由度其數(shù)目通常以F表示。如果一個(gè)構(gòu)件組合體的自由度F>0，他就可以成為一個(gè)機(jī)構(gòu)，即表明各構(gòu)件間可以有相對(duì)運(yùn)動(dòng)；如果F=0.他將是一個(gè)結(jié)構(gòu)，即已經(jīng)退化為一個(gè)構(gòu)件。機(jī)構(gòu)自由度可以分為平面機(jī)構(gòu)自由度和空間機(jī)構(gòu)自由度。一個(gè)原動(dòng)件只能提供一個(gè)獨(dú)立參數(shù)。
如圖所示，我們將整個(gè)拐杖簡(jiǎn)化為如圖所示的簡(jiǎn)圖來(lái)進(jìn)行分析：
圖4.2機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理圖
首先進(jìn)行自由度的計(jì)算
由公式
其中n為除機(jī)架外機(jī)構(gòu)的個(gè)數(shù)，為低副的數(shù)目，為高副的數(shù)目。在本機(jī)構(gòu)中一共有3個(gè)機(jī)構(gòu)所以n=3，然后繼續(xù)分析高副的數(shù)目為0，=0，一共有4個(gè)低副，所以機(jī)構(gòu)的自由度為：
F=3X3-2X4=1
也就是說(shuō)座椅的自由度為一僅僅可以沿著拐杖做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這也正是我們現(xiàn)實(shí)中所要求的故可以滿足設(shè)計(jì)要求。
再者考慮極限位置的情況。當(dāng)座位打開(kāi)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮座位的限位所以要在合適的位置加裝限位設(shè)計(jì)保證座位的位置是在水平面內(nèi)，另外當(dāng)座位合起來(lái)時(shí)應(yīng)為座位的阻擋作用所以不用考慮座位位置會(huì)到了另一邊。
第五章 手柄設(shè)計(jì)
5.1人體工程學(xué)原理簡(jiǎn)介
人體工程學(xué)是一門(mén)“研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)等方面的各種因素；研究人和機(jī)器及環(huán)境的相互作用；研究人在工作中、家庭生活中和休假時(shí)怎樣統(tǒng)一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問(wèn)題的學(xué)科。
早期的人體工程學(xué)主要研究人和工程機(jī)械的關(guān)系，即人機(jī)關(guān)系。其內(nèi)容有人體結(jié)構(gòu)尺寸和功能尺寸，操作裝置，控制盤(pán)的視覺(jué)顯示，這就涉及到了心理學(xué)，人體解剖學(xué)和人體測(cè)量學(xué)等，繼而研究人和環(huán)境的相互作用，即人-環(huán)境關(guān)系，這有涉及到了心理學(xué)，環(huán)境心理學(xué)等。至今，人體工程學(xué)的研究?jī)?nèi)容仍在發(fā)展，并不統(tǒng)一。
為了更好的迎合市場(chǎng)人群的需要，要設(shè)計(jì)符合人體工程學(xué)的產(chǎn)品，正是基于這樣的理念簡(jiǎn)單的應(yīng)用人體工程學(xué)原理進(jìn)行了手柄的設(shè)計(jì)。
燈光調(diào)節(jié)按鈕2
熒光驗(yàn)鈔按鈕
燈光調(diào)節(jié)按鈕1
LED燈
圖5.1手柄
5.2手柄的整體設(shè)計(jì)
如圖所示為了獲得更好的抓握體驗(yàn)按照人體平均手掌的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)手柄的長(zhǎng)度和粗細(xì)。并且可以對(duì)手柄的顏色實(shí)現(xiàn)多種顏色。從而滿足不同人群的喜好。
另外為了更好的服務(wù)于老年人，在手柄上進(jìn)行了多處人性化輔助功能設(shè)計(jì)下面將進(jìn)行一一的列舉和說(shuō)明。
5.3輔助功能設(shè)計(jì)
5.3.1GPS芯片設(shè)置
首先在拐杖內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)GPS芯片的容納位置，GPS是一個(gè)由覆蓋全球的24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)可以保證在任意時(shí)刻，地球上任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測(cè)到4顆衛(wèi)星，以保證衛(wèi)星可以采集到該觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和高度，以便實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位、授時(shí)等功能。 全球定位系統(tǒng)(GPS)是20世紀(jì)70年代由美國(guó)陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。這樣就能隨時(shí)定位老人的位置，這是為了防止一些患有諸如阿爾茲海默癥的老年人走失。
5.3.2 LED燈設(shè)計(jì)
另外我們希望在拐杖的手柄處設(shè)計(jì)一個(gè)手電筒。LED燈是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料芯片，用銀膠或白膠固化到支架上，然后用銀線或金線連接芯片和電路板，四周用環(huán)氧樹(shù)脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，最后安裝外殼，所以 LED 燈的抗震性能好。考慮到LED燈的諸多優(yōu)點(diǎn)另外加上老年人使用拐杖的現(xiàn)實(shí)工況LED燈是最合適的選擇。
有LED燈和GPS系統(tǒng)就需要有相關(guān)的供電系統(tǒng)來(lái)維系他們的工作狀態(tài)，因此，我們?cè)谑直囊欢嗽O(shè)置電池的存放位置，并且采用二次可充電電池為L(zhǎng)ED燈和GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供電，并在手柄底端設(shè)置充電線接口。
5.2.3 偽鈔識(shí)別裝置
熒光檢測(cè)的工作原理是針對(duì)人民幣的紙質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。人民幣采用專用紙張制造（含85%以上的優(yōu)質(zhì)棉花），假鈔通常采用經(jīng)漂白處理后的普通紙進(jìn)行制造，經(jīng)漂白處理后的紙張?jiān)谧贤饩€（波長(zhǎng)為365nm的藍(lán)光）的照射下會(huì)出現(xiàn)熒光反應(yīng)（在紫外線的激發(fā)下衍射出波長(zhǎng)為420－460nm的藍(lán)光），人民幣則沒(méi)有熒光反應(yīng)。所以，用紫外光源對(duì)運(yùn)動(dòng)鈔票進(jìn)行照射并同時(shí)用硅光電池檢測(cè)鈔票的熒光反映，可判別鈔票真假。為排除環(huán)境光對(duì)辨?zhèn)蔚母蓴_，必須在硅光電池的表面安裝一套透過(guò)波長(zhǎng)與假鈔熒光反應(yīng)波長(zhǎng)一致的濾色片?；谏鲜鲈砦覀?cè)谑直屑尤肽軌虬l(fā)出熒光的裝置這樣又能防止老年人在使用鈔票時(shí)拿到假鈔。
第六章總體方案設(shè)計(jì)
6.1總體設(shè)計(jì)及圖形
通過(guò)前面的設(shè)計(jì)計(jì)算我們已經(jīng)能夠大體上完成拐杖設(shè)計(jì)的基本功能，首先通過(guò)主體實(shí)現(xiàn)作為拐杖的基本功能接著在主體兩側(cè)加裝座椅支撐結(jié)構(gòu)通過(guò)螺釘加以固定實(shí)現(xiàn)了座椅的整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，座椅設(shè)計(jì)有孔連接結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)座椅和支撐結(jié)構(gòu)的連接，通過(guò)一個(gè)類似滑塊的套筒實(shí)現(xiàn)拐杖的座位功能。
完成主要的功能之后我們進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)主要在手柄位置，我們采用了人體工程學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且可以噴涂不同的顏色實(shí)現(xiàn)不同人群的喜好。再在手柄位置做文章加入手電筒、全球定位裝置、熒光燈以及等等，實(shí)現(xiàn)拐杖用途的多功能化。最后加裝防滑套實(shí)現(xiàn)拐杖的防滑。
如圖所示為拐杖設(shè)計(jì)的裝配圖：
圖6.1拐杖裝配圖
6.2 三維設(shè)計(jì)
我們進(jìn)行零件的三維裝配設(shè)計(jì)。通過(guò)零件設(shè)計(jì)之后我們得到了拐杖的全部零件，然后我們通過(guò)零件的裝配完成整體的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)更加直觀真實(shí)的設(shè)計(jì)效果。
如下圖所示為三維設(shè)計(jì)圖
圖6.2 拐杖三維造型
6.3 SOLIDWORKS命令簡(jiǎn)介
6.3.1拉伸特征
拉伸就是把一個(gè)草圖沿垂直方向伸長(zhǎng)，伸長(zhǎng)的方向可以是單向或者是雙向的。拉伸特征主要分為拉伸凸臺(tái)/基體、拉伸薄壁和拉伸切除3種類型。建立拉伸的主要條件：
A必須有一個(gè)草繪；
B必須指定拉伸的類型以及相關(guān)參數(shù)；
6.3.2旋轉(zhuǎn)特征
所謂旋轉(zhuǎn)特征是旋轉(zhuǎn)通過(guò)繞中心線旋轉(zhuǎn)草圖來(lái)生成基體、凸臺(tái)、切除或曲面，系統(tǒng)默認(rèn)的旋轉(zhuǎn)角是360度?；剞D(zhuǎn)特征同樣有三類：旋轉(zhuǎn)基體/凸臺(tái)、旋轉(zhuǎn)切除、旋轉(zhuǎn)曲面。
A需要旋轉(zhuǎn)的草繪中必須含有一條中心軸；
B需要旋轉(zhuǎn)的截面只能畫(huà)在中心軸的一側(cè)；
6.3.3掃描特征
掃描特征是沿著一條路徑移動(dòng)輪廓來(lái)生成基體、凸臺(tái)或是曲面遵循以下規(guī)則：
A對(duì)于基體或凸臺(tái)掃描特征輪廓必須是閉環(huán)的；
B對(duì)于曲面掃描特征則輪廓可以是閉環(huán)也可以是開(kāi)環(huán)的；
C路徑可以為開(kāi)環(huán)或者閉環(huán)但是路徑起點(diǎn)必須位于輪廓的基準(zhǔn)面上。
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第七章 結(jié)論
7.1 整體設(shè)計(jì)結(jié)論
本文的設(shè)計(jì)工作依托人口老齡化背景，對(duì)人口老齡化問(wèn)題進(jìn)行了陳述之后分析了老年用品市場(chǎng)擁有廣闊的市場(chǎng)前景。然后，了解了三維設(shè)計(jì)軟件的使用，及目前流行的軟件。然后著手開(kāi)始設(shè)計(jì)拐杖的機(jī)械結(jié)構(gòu)。通過(guò)機(jī)械原理給出了兩種設(shè)計(jì)思路對(duì)兩種思路進(jìn)行分析之后我們采用了按鈕可拉伸式的設(shè)計(jì)，接著設(shè)計(jì)出拐杖的可折疊座椅，然后是拐杖的手柄，將他們裝配之后就可以得到帶座位的可伸縮的多功能拐杖，另外為了更好的幫助到老年人群，我們?cè)O(shè)計(jì)了諸多輔助功能，這樣就完成了拐杖的全部設(shè)計(jì)。
7.2 進(jìn)一步工作的方向
本文研究設(shè)計(jì)雖取得了基本的設(shè)計(jì)結(jié)果，但依然有很大的改進(jìn)空間，有待進(jìn)一步完善，這里擇其要者簡(jiǎn)要討論：
拐杖內(nèi)部空間可以實(shí)現(xiàn)一定的利用如設(shè)計(jì)合理的儲(chǔ)物空間；設(shè)計(jì)一鍵撥打電話功能老人在出現(xiàn)摔倒等意外情況時(shí)可以進(jìn)行一鍵救助呼叫；可以設(shè)置內(nèi)部的無(wú)線廣播接收；對(duì)整體的外觀還可以進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。
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致謝
經(jīng)過(guò)這幾個(gè)月的集中努力，畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，至此我已經(jīng)完成了所有的設(shè)計(jì)任務(wù)。在我做設(shè)計(jì)期間，主要方案設(shè)計(jì)，可行性分析，計(jì)算和繪圖等幾個(gè)階段。
由于設(shè)計(jì)的內(nèi)容是第一次接觸，所以開(kāi)始著手時(shí)候不是很順利，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中有很多反復(fù)計(jì)算，如設(shè)計(jì)裝載機(jī)工作裝置的工作部分確定各個(gè)鉸接點(diǎn)位置的過(guò)程中走了一些彎路。到目前為止對(duì)設(shè)計(jì)不是非常滿意，我所學(xué)知識(shí)有限沒(méi)能弄懂某些知識(shí)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，很多新的東西都是邊翻資料邊作設(shè)計(jì)，對(duì)有些知識(shí)掌握的不透，還需要在以后的工作學(xué)習(xí)過(guò)程中多實(shí)踐學(xué)習(xí)。同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中有粗心大意的時(shí)候，造成了一些影響，望老師諒解。
設(shè)計(jì)過(guò)程中，我得到老師的細(xì)心指導(dǎo)，使我所遇到的困難得到了即時(shí)的解決。另外，也感謝老師的督促指導(dǎo)，在此向所有的指導(dǎo)老師表示感謝！