多功能拐杖设计【三维图】【含CAD图纸】
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密级: 学号: 本科生毕业论文(设计)多功能拐杖的结构设计学 院: 专 业: 班 级: 学 号: 姓 名: 指导老师1: 指导老师2: 学士学位论文原创性声明本人郑重申明:所呈交的论文(设计)是本人在指导老师的指导下独立进行研究,所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文(设计)不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名(手写): 签字日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权江西科技学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保 密 , 在 年解密后适用本授权书。不保密 。(请在以上相应方框内打“” )学位论文作者签名(手写): 指导老师签名(手写): 签字日期: 年 月 日 签字日期: 年 月 日摘要随着我国人口老龄化趋势的不断加剧,老年人数量越来越多,与此同时老年用品市场的规模也不断扩大,伴随而来的是巨大的商业机遇,但是目前来看针对老年人用品的研发和相关配套仍落后于市场需求。本文通过对老年市场的调研,发现老年用品市场的巨大缺口,并希望通过所学的机械相关知识设计一种老年运动障碍的行进辅助设备,通过对其机械原理进行分析然后采用人口相关数据平均值设计产品尺寸。然后对产品进行了优化设计和多功能设计,主要包括可伸缩设计,以及一些必要的辅助功能如全球定位系统,灯,最后应用人体工程学原理进行进一步优化设计,并且通过三维设计软件给出了相关模型的Solidworks模型。最后对本次设计的进一步功能设计以及一些不足之处进行了探讨,并且希望可以做出更好的改进。关键词:人口老龄化;拐杖多功能设计;三维设计;人体工程学原理AbstractAs 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 录第一章 引 言31.1老年用品市场调研31.2老龄用品业发展的新趋势4第二章 产品的三维设计61.1三维设计的主要思想61.2三维设计软件的优势61.3市场主流三维设计软件介绍6第三章 拐杖可升缩设计8第四章 座椅的可折叠设计13第五章 手柄设计165.1人体工程学原理简介165.2手柄的整体设计165.3辅助功能设计175.3.1GPS芯片设置175.3.2 LED灯设计175.2.3 伪钞识别装置17第六章总体方案设计186.1总体设计及图形186.2 三维设计186.3 SOLIDWORKS命令简介196.3.1拉伸特征196.3.2旋转特征196.3.3扫描特征20第七章 结论217.1 整体设计结论217.2 进一步工作的方向21参考文献:22致谢23第一章 引 言1.1老年用品市场调研中国拥有世界上最大的潜在老龄用品市场,而且这个市场在不断扩大。2013年年底,中国老年人口已经超过2亿。2025年,中国老年人口将突破3亿。高龄老年人口、失能老年人口以及患有慢性病的老年人口规模非常大,并且在持续增长,这些老年人口对康复辅具、保健用品、医药用品等老龄用品有着较强的刚性需求,消费需求潜力巨大。 老龄用品的定义如下:以老年人为主要消费人群的任何器械、器具、用具和物品,包括所需的软件,以满足老年人因残障、疾病、体弱或其他特殊的身体、心理特点而产生的对物品的特殊需求。老龄用品属于“物”的范畴,这是与老龄服务的根本性区别。 老龄用品业是指从事老龄用品生产、销售和提供相关服务的经营性行业,属于实体经济,是老龄产业的重要组成部分。 由于老年人的特殊性需求具有多元性,老龄用品也因此涵盖了生活的方方面面,产品种类繁多。基于老年人的主要需求,对老龄用品的分类进行系统化的梳理和厘清。 康复辅具涵盖生活的各个方面,产品种类非常多。常见老年人康复辅具分为生活自理与护理辅具、老年行动辅具、老年居家生活辅具、老年沟通与信息辅具、老年康复器材五个类别。 基于老年人对老龄用品的主要需求,依据老龄用品的核心功能和用途,将常见老龄用品分为老年日用品、老年服饰用品、老年文化体育用品、老年电子产品、老年保健用品、老年个人自理与护理辅具、老年行动辅具、老年居家生活辅具、老年沟通与信息辅具、老年康复器材、老年医药用品、老年丧葬用品十二大类。 在互联网、物联网的技术环境下,随着智慧养老、远距医疗、远程照料等新型服务形态的出现,越来越多的智能化科技老龄产品将出现在老年人日常生活中。 国内老龄用品销售企业也在不断发展壮大。 老龄电子科技产品的研发较为滞后。在信息和网络化时代,老年人生活越来越离不开信息技术的辅助以手机为典型的例子。老龄用品创新乏力、科技含量不足的状况,究其原因,主要是老龄用品基础科学研究比较薄弱。产品的研发,不仅需要企业重视产品质量和功能,也需要用户对此有积极要求和反馈。而目前的大部分老年人选择用品首先看重的是价格,其次才是品质,这就导致有些质量不佳、功能不完善的产品市场占有率反而高,也导致老龄用品厂家缺乏技术创新的动力。 老龄用品关涉所有老年人,而且涵盖了老年人生活的方方面面,种类繁多,包罗万象。由于老年人需求强度的不同,老龄用品业内的各子行业的发展并不均衡。与老年人生活密切相关的老龄康复辅具用品、老龄护理用品、老龄保健用品市场比较活跃,产品种类比较多,社会认知度较高,科技含量也在逐步提高。而老年文化用品、老年日用品市场相对冷清,行业发展较慢。而实际上,随着老年人经济实力的增强,以及消费观念的转变,一部分老年人,特别是相对年轻老年人、城市老年人对化妆品、抗衰老产品以及电子产品等存在着较强的购买欲望和支付能力。 1.2老龄用品业发展的新趋势 老龄用品市场潜力巨大,中国正在逐步成为老龄用品的需求大国。中国老龄用品市场具有巨大的人口基础,而且这种需求会随着人口老龄化的快速发展、人们生活水平的不断提高而不断释放。 中国老年人口,尤其是高龄、失能以及患慢性病的老年人口的快速增长,将会对康复辅具、护理产品、医疗器械、药品及保健品等产生巨大的需求。而且老年人自身收入水平的提高、消费观念的转变,将促使潜在需求转变为实际的购买行为,推动老龄用品市场蓬勃发展。2012年,中国失能老年人口(包括部分失能和完全失能)达3600万人,到2015年失能老年人达到千万人。假设根据失能老年人平均每人每年需要500元的康复辅具产品来做一个粗略的保守估算,2015年康复辅具类产品的市场潜力将达到200亿元。 图1.1 中国人口老龄化趋势图老年人健康状况和功能障碍的差异影响到老年人对各类老龄用品的需求。老年人对行动类辅具产品的需求量也很大,到2020年,中国有各类行动障碍的老年人将超过三千万。综上所述,进入老龄社会后,随着中国居民整体生活水平的提高,老年人对于生活质量的要求也在不断提升,老龄用品将逐步成为老年人日常生活中不可缺少的必需品,老龄用品业也将逐步成为老龄产业当中一大增长点。 本文将针对行动不便的老年人为他们设计一种既经济实惠,又用途多样的老年行动障碍辅助工具多功能拐杖。第二章 产品的三维设计1.1三维设计的主要思想传统2D设计中,设计者是根据对零件或装配体设计期望的结果直接绘制二维图。而在三维设计中,是从平面-草图-特征-零件-装配体这一思路出发,直接生成零件和装配体的三维模型,再导出对应的二维图纸。在三维设计中,对零件进行三维建模,实质是对零件加工过程进行模拟和对零件加工工艺过程进行描述,是在三维软件的环境下进行的虚拟加工。一般来说,建模常用的方法有旋转法、层叠法、加工法。旋转法:在一幅草图上画出零件的多个复杂外形特征,通过旋转命令“一步到位”生成零件。但此方法仅仅适合回转零件,而且仅适用于回转零件外形轮廓特征建模。层叠法:单独建立零件各段的每个特征,用堆积的方式,将各段堆叠起来。通过上述实例不难发现,该方法局部性强,缺乏总体布局,没有毛坯选择,没有总体的特征规划。但此方法适用于大型焊接件,其建模思想与焊接方法正好吻合。加工法:是模拟零件实际加工过程。首先生成零件基本特征(如拉伸、旋转、去除材料、倒角等),也就是实际加工的毛坯。然后一道道工序逐渐加工,生成成品。加工法最符合实际生产过程,它的建模顺序符合实际加工步骤,也符合专业设计者的设计过程。因此,在建模之前,有必要对产品零件进行特征规划,这样不仅使设计者对后续建模有总体把握,而且对于最后编辑修改也很方便.1.2三维设计软件的优势利用三维软件,设计者可准确、轻松地得到想要的三维模型,并且在此基础上可以完成许多2D软件不可能完全的功能,如:(1) 对复杂体进行体积、重量的计算。(2) 对构件的运动进行仿真。(3) 对零件进行应力分析。(4) 根据用户设置的几何约束条件对零件进行装配。(5) 演示功能。(6) 快速导出二维图纸。1.3市场主流三维设计软件介绍从上一节对三维设计软件优势的分析中,我们可以大致得出结论,一个比较完善的三维设计软件应具备以下基本功能:(1)科学计算与分析功能:能够完成产品常规设计、优化设计、可靠性分析、有限元分析、动态分析、运动模拟仿真、应力分析等科学计算。(2)图形处理功能:如二维交互图形技术、三维几何造型、图形仿真模拟及其图形输入输出功能等。(3)数据管理与数据交换功能:如数据库管理、不同CAD系统间的数据交换和接口功能等。(4)其它功能:如进行文档制作、编辑及文字处理功能、二次开发功能和网络功能等 由于三维设计软件需要漫长的开发过程和高端的开发技术,市场上不可能出现很多三维设计软件。目前市场上较主流的软件有AutodeskInventor、Solidworks、ProEngineer、CATIA、UG等。 SolidWorks是由美国达索公司发行的,是第一款基于Windows操作系统开发的三维CAD软件,具有操作简单、易学易用、兼容性高的特点。SolidWorks是一个基于特征的、参数化的实体造型系统,这也是当前CAD软件的主体趋势。SolidWorks采用单一的数据库,用户在使用SolidWorks进行建模时,既可以创建单一的三维实体模型,也可以由三维实体自动生成各种工程视图;SolidWorks是应用最广泛的中端三维建模软件,在制造业领域和机械设计行业里都有应用。由于SolidWorks也是发行最早的中端三维建模软件,在国际上享有较高的声誉,国际通用性比较强,国外的许多大学、企业应用很多。本设计将简单的利用SOLIDWORKS进行部分设计。图2.1 管类零件模型图第三章 拐杖可升缩设计为了适应不同身高的老年人我们要对拐杖进行可伸缩设计,从而实现产品更广的应用范围从而获得更大的市场。我们从机械设计的角度入手实现拐杖的可伸缩设计。并且提出以下两种可行性方案:方案一:基于摩擦力自锁的螺纹自锁设计摩擦力自锁模型简介如图1所示,把质量为m的物体A铅直压在斜面上,慢慢增大倾斜角,当倾角增大到一定程度时,物体开始下滑,斜面上物体受力如图所示,除铅直压力F外,还有重力G,斜面支持力N和摩擦力发。物体开始下滑时。摩擦力最大为(为斜面与物体之间的静摩擦因数)图3.1斜面物体受力分析图要保证物体不下滑,根据平衡条件,利用正交分解可得将以上三式联立求解,得或角仅与静摩擦因数有关,与正压力F及物体的质量m无关,人们称此角为摩擦角。显然,当斜面上无论放多重的物体,无论铅直压力F有多大,由于下滑力始终与静摩擦力发相平衡,并且小于最大静摩擦力,物体都不会下滑,这就是斜面的自锁现象。下面我们来分析一下螺纹的自锁现象。转动手柄,螺杆并不会再重力重压下反向旋转而掉下来。利用螺旋可以举起重物,在外力撤销后不会下滑的现象叫做螺旋自锁,实际上就是斜面自锁现象。把一张三角形的纸片卷起来就形成了螺旋,如图所示,螺旋倾角就是就是三角形斜边的倾角,螺杆在螺纹支座内螺旋上升,相当于物体沿斜面向上滑动,与斜面相比较,螺杆相当于物体A,支座相当于斜面,重物对螺杆的压力相当于铅直压力F,螺旋自锁相当于物体A在力F的作用下不下滑。图3,2螺纹连接受力图利用上述螺旋自锁的原理,拐杖上面的螺纹相当于斜面,并且螺纹斜面的倾角小于静摩擦角。这样当老人用力拄拐时尽管螺纹受到很大的压力,仍然不会转动。由上推导可知,斜面(或螺旋)自锁条件是:倾角应该满足:当斜面倾角时,物体处于静止状态,产生的摩擦力为静摩擦,由此可知静摩擦力的大小为:当斜面倾角时,物体开始下滑,此时产生的摩擦为滑动摩擦力,并且滑动摩擦力的大小为:为物体与斜面之间的动摩擦因数,且0,他就可以成为一个机构,即表明各构件间可以有相对运动;如果F=0.他将是一个结构,即已经退化为一个构件。机构自由度可以分为平面机构自由度和空间机构自由度。一个原动件只能提供一个独立参数。如图所示,我们将整个拐杖简化为如图所示的简图来进行分析:图4.2机构运动原理图首先进行自由度的计算由公式 其中n为除机架外机构的个数,为低副的数目,为高副的数目。在本机构中一共有3个机构所以n=3,然后继续分析高副的数目为0,=0,一共有4个低副,所以机构的自由度为:F=3X3-2X4=1也就是说座椅的自由度为一仅仅可以沿着拐杖做直线往复运动,这也正是我们现实中所要求的故可以满足设计要求。再者考虑极限位置的情况。当座位打开时应当考虑座位的限位所以要在合适的位置加装限位设计保证座位的位置是在水平面内,另外当座位合起来时应为座位的阻挡作用所以不用考虑座位位置会到了另一边。第五章 手柄设计5.1人体工程学原理简介人体工程学是一门“研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素;研究人和机器及环境的相互作用;研究人在工作中、家庭生活中和休假时怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的学科。早期的人体工程学主要研究人和工程机械的关系,即人机关系。其内容有人体结构尺寸和功能尺寸,操作装置,控制盘的视觉显示,这就涉及到了心理学,人体解剖学和人体测量学等,继而研究人和环境的相互作用,即人-环境关系,这有涉及到了心理学,环境心理学等。至今,人体工程学的研究内容仍在发展,并不统一。为了更好的迎合市场人群的需要,要设计符合人体工程学的产品,正是基于这样的理念简单的应用人体工程学原理进行了手柄的设计。灯光调节按钮2荧光验钞按钮灯光调节按钮1LED灯图5.1手柄5.2手柄的整体设计如图所示为了获得更好的抓握体验按照人体平均手掌的长度设计手柄的长度和粗细。并且可以对手柄的颜色实现多种颜色。从而满足不同人群的喜好。另外为了更好的服务于老年人,在手柄上进行了多处人性化辅助功能设计下面将进行一一的列举和说明。5.3辅助功能设计 5.3.1GPS芯片设置首先在拐杖内部设计一个GPS芯片的容纳位置,GPS是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统。这个系统可以保证在任意时刻,地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星,以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度,以便实现导航、定位、授时等功能。 全球定位系统(GPS)是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。这样就能随时定位老人的位置,这是为了防止一些患有诸如阿尔兹海默症的老年人走失。5.3.2 LED灯设计另外我们希望在拐杖的手柄处设计一个手电筒。LED灯是一块电致发光的半导体材料芯片,用银胶或白胶固化到支架上,然后用银线或金线连接芯片和电路板,四周用环氧树脂密封,起到保护内部芯线的作用,最后安装外壳,所以 LED 灯的抗震性能好。考虑到LED灯的诸多优点另外加上老年人使用拐杖的现实工况LED灯是最合适的选择。有LED灯和GPS系统就需要有相关的供电系统来维系他们的工作状态,因此,我们在手柄的一端设置电池的存放位置,并且采用二次可充电电池为LED灯和GPS系统实现供电,并在手柄底端设置充电线接口。5.2.3 伪钞识别装置荧光检测的工作原理是针对人民币的纸质进行检测。人民币采用专用纸张制造(含85%以上的优质棉花),假钞通常采用经漂白处理后的普通纸进行制造,经漂白处理后的纸张在紫外线(波长为365nm的蓝光)的照射下会出现荧光反应(在紫外线的激发下衍射出波长为420460nm的蓝光),人民币则没有荧光反应。所以,用紫外光源对运动钞票进行照射并同时用硅光电池检测钞票的荧光反映,可判别钞票真假。为排除环境光对辨伪的干扰,必须在硅光电池的表面安装一套透过波长与假钞荧光反应波长一致的滤色片。基于上述原理我们在手柄中加入能够发出荧光的装置这样又能防止老年人在使用钞票时拿到假钞。第六章总体方案设计 6.1总体设计及图形通过前面的设计计算我们已经能够大体上完成拐杖设计的基本功能,首先通过主体实现作为拐杖的基本功能接着在主体两侧加装座椅支撑结构通过螺钉加以固定实现了座椅的整个支撑结构,座椅设计有孔连接结构实现座椅和支撑结构的连接,通过一个类似滑块的套筒实现拐杖的座位功能。完成主要的功能之后我们进行优化设计,优化设计主要在手柄位置,我们采用了人体工程学原理进行设计,并且可以喷涂不同的颜色实现不同人群的喜好。再在手柄位置做文章加入手电筒、全球定位装置、荧光灯以及等等,实现拐杖用途的多功能化。最后加装防滑套实现拐杖的防滑。如图所示为拐杖设计的装配图:图6.1拐杖装配图 6.2 三维设计我们进行零件的三维装配设计。通过零件设计之后我们得到了拐杖的全部零件,然后我们通过零件的装配完成整体的设计,从而实现一个更加直观真实的设计效果。如下图所示为三维设计图图6.2 拐杖三维造型6.3 SOLIDWORKS命令简介6.3.1拉伸特征拉伸就是把一个草图沿垂直方向伸长,伸长的方向可以是单向或者是双向的。拉伸特征主要分为拉伸凸台/基体、拉伸薄壁和拉伸切除3种类型。建立拉伸的主要条件:A必须有一个草绘;B必须指定拉伸的类型以及相关参数;6.3.2旋转特征所谓旋转特征是旋转通过绕中心线旋转草图来生成基体、凸台、切除或曲面,系统默认的旋转角是360度。回转特征同样有三类:旋转基体/凸台、旋转切除、旋转曲面。A需要旋转的草绘中必须含有一条中心轴;B需要旋转的截面只能画在中心轴的一侧;6.3.3扫描特征扫描特征是沿着一条路径移动轮廓来生成基体、凸台或是曲面遵循以下规则:A对于基体或凸台扫描特征轮廓必须是闭环的;B对于曲面扫描特征则轮廓可以是闭环也可以是开环的;C路径可以为开环或者闭环但是路径起点必须位于轮廓的基准面上。20第七章 结论7.1 整体设计结论本文的设计工作依托人口老龄化背景,对人口老龄化问题进行了陈述之后分析了老年用品市场拥有广阔的市场前景。然后,了解了三维设计软件的使用,及目前流行的软件。然后着手开始设计拐杖的机械结构。通过机械原理给出了两种设计思路对两种思路进行分析之后我们采用了按钮可拉伸式的设计,接着设计出拐杖的可折叠座椅,然后是拐杖的手柄,将他们装配之后就可以得到带座位的可伸缩的多功能拐杖,另外为了更好的帮助到老年人群,我们设计了诸多辅助功能,这样就完成了拐杖的全部设计。7.2 进一步工作的方向本文研究设计虽取得了基本的设计结果,但依然有很大的改进空间,有待进一步完善,这里择其要者简要讨论:拐杖内部空间可以实现一定的利用如设计合理的储物空间;设计一键拨打电话功能老人在出现摔倒等意外情况时可以进行一键救助呼叫;可以设置内部的无线广播接收;对整体的外观还可以进行进一步改进。参考文献:1 葛志祺.简明机械零件设计手册.北京:冶金工业出版社,1999:1416,1131152 濮良贵,纪名刚.机械设计.第九版.北京:高等教育出版社,2012:1842233 王昆,何小柏,汪信远.课程设计手册.北京:高等教育出版社,1995:47494 侯洪生,王秀英.机械工程图学.北京:科学出版社,2009:2253335 潘洁玉.关于多功能拐杖的设计与研究.北京:科学出版社,2015:2553036吴文佳.新型多功能拐杖设计.南京:工业设计学报,2013:1719致谢经过这几个月的集中努力,毕业设计已经接近尾声,至此我已经完成了所有的设计任务。在我做设计期间,主要方案设计,可行性分析,计算和绘图等几个阶段。由于设计的内容是第一次接触,所以开始着手时候不是很顺利,整个设计过程中有很多反复计算,如设计装载机工作装置的工作部分确定各个铰接点位置的过程中走了一些弯路。到目前为止对设计不是非常满意,我所学知识有限没能弄懂某些知识点,在设计过程中,很多新的东西都是边翻资料边作设计,对有些知识掌握的不透,还需要在以后的工作学习过程中多实践学习。同时在设计过程中有粗心大意的时候,造成了一些影响,望老师谅解。 设计过程中,我得到老师的细心指导,使我所遇到的困难得到了即时的解决。另外,也感谢老师的督促指导,在此向所有的指导老师表示感谢!
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