智能拐杖机械结构设计--毕业论文.doc

学院毕业设计（论文） 毕业设计（论文）题目：智能拐杖机械结构设计摘 要全球已步入老龄化社会,老年人晚年的生活质量和安全性引起了世界各国学者的关注。由于年龄原因容易突发意外情况,如摔倒、迷路等,不能跟家人及时取得联系，还有很多老年人容易健忘,外出时经常出现迟滞不归等,因此电子拐杖成为老年人的重要帮手。现在市场上的手杖品牌混杂，质量参差不齐，功能单一，不能充分满足老年人生理要求。有不少老年人的手杖是不理想的，一根合适的手杖对老年人的安全十分重要。根据老年人的需求，我们可以设计一款集多种功能于一体的手杖来满足老年人的出行需求，锻炼需求，安全需求，使他们的生活更加便利，更加舒适。关键词：拐杖、多功能、老年人、报警Abstract The world has entered the aging society, the quality of life and safety of the elderly in old age by scholars of the world. Due to age due to unexpected accidents, such as falls, labyrinth, not with the family promptly get in touch, and many older people tend to be forgetful, when they go out often appear sluggish return, so electronic walking stick become a vital ally in the elderly. Now a brand on the market is mixed, uneven quality, single function, can not fully meet the requirements of elderly people. There are many old people walking stick is not ideal, a walking stick for the elderly are very important. According to the needs of the elderly, we can design a set of multiple functions in one of the cane to meet the travel needs of the elderly, training needs, security needs, their life more convenient, more comfortable.Keywords: Crutches,multi-function,elderly,alarmII1目 录1绪论-1 1.1 目前智能拐杖的研究及现状 -1 1.2 课题的背景和意义-1 2 概述-2 2.1 钢的介绍 -2 2.2 45号钢概述 -23 硬件系统设计 -4 3.1 系统总体结构及工作原理 - 4 3.2 系统主要部分介绍- 4 3.2.1 高亮度LED灯 -5 3.2.2 LED闪烁灯模块 - 6 3.2.3 mp3播放器 - 7 3.2.4 反光镜部分- 8 3.2.5按键部分 - 9 3.3电源及充电 -10 3.4可伸缩的拐杖腿设计- 114 利用CAD软件进行设计智能拐杖 -14 4.1 拐杖的整体设计-145 结论-15致谢 -16参考文献 -17附录-18附录1 设计实物图 -18III1 前言21世纪是人口老龄化的时代，中国已于1999年进入老龄社会，是较早进入老龄社会的发展中国家之一。中国是世界上老年人口最多的国家，中国的人口老龄化具有老年人口规模巨大、老龄化发展迅速、地区发展不平衡、老龄化超前于现代化等主要特征。专家预计，从2001年到2100年，中国的人口老龄化可以分为三个阶段：从2001到2020年是快速老龄化阶段。在这一阶段，中国将新增596万老年人口，年平均增长速度达到3.28%，到2020年，老年人口将达到2。48亿，老龄化水平将达到17.17%。其中。80岁及以上老年人口将达到3067万人，占老年人口的12.37%。从2020年到2050年是加速老龄化阶段。老龄化水平将推进到30%以上，其中，80岁及以上老年人口将达到9448万，占老年人口的21.78%。从2051年到2100年是稳定的重度老龄化阶段，老龄化水平基本稳定在31%左右，80岁及以上高龄老人占老年总人口的比重将保持在25%30%，中国进入一个高度老龄化的平台期。1绪论 1.1 拐杖设计的现状及问题 随着中国进入人口老龄化阶段，老年人的健康保障以及生活起居问题成为社会的一大显著关注焦点。随着年龄的增长，老年人的生理功能逐渐衰退，在行动上越来越无能为力，器官生理功能逐渐减退，机体代谢变得缓慢，免疫机能下降，应急能力日渐减弱，极易发生摔跤的事故，轻者疼痛不已，重则骨折，甚至有时会有丧命的危险。因此拐杖应运而生，对于平衡能力差的老人，拐杖可以帮助他们保持身体平衡。对于视力不佳的老人，拄拐杖能帮助他们避让行动途中的障碍及其风险。经过检查，患有严重骨质疏松症的老年人，使用拐杖能防止其摔倒受伤；此外，关节炎和中风的老人也要使用拐杖。综上所述，作为老年人广泛使用的一种工具，一款真正适合于老年人使用的拐杖迫在眉睫。 现在市场上的手杖品牌混杂，质量参差不齐，功能单一，只能单单起到支撑作用，而对于老年人来说，光是起到走路支撑的作用是远远不够的。而且市面上的有些拐杖质量堪忧，老人使用不仅起不到支撑的作用，相反会使人感到吃力，甚至会给人体带来危害。因此，一根合适的手杖对老年人的安全十分重要。为了使广大老年人的出行更加安全，更加便利，更加舒适。我们设计了一款集多种功能于一体的智能拐杖，来满足老年人的需要。1.2 课题的背景和意义 运动对于身体健康的益处非常重要，不仅年轻人要多运动，老年人更加需要多运动。但是由于人上了年纪之后各项身体机能开始显著下降，使得老人日常的锻炼与出行比平常人要难上许多，有许多老人就是因为摔倒过对运动与出行产生恐惧、厌倦，从而不愿意再出门，这就更容易引发疾病。针对现有老年人普通拐杖不能满足出行需求等问题，对传统拐杖进行了创新设计。运用现代化科技的设计元素，围绕人性化和智能化这两个设计关键点，根据形态跟随功能的原则，在原普通拐杖的形态下，进行优化，使其更具有科技感和时尚感。2概述2.1钢的介绍 钢，是对含碳量质量百分比介于0.02%至2.06%之间的铁碳合金的统称。钢的化学成分可以有很大变化，只含碳元素的钢称为碳素钢或者普通钢；在实际生产中，钢往往根据用途的不同含有不同的合金元素，比如：锰、镍、钒等等。人类对钢的应用和研究历史相当悠久，但是直到19世纪贝氏炼钢法发明之前，钢的制取都是一项高成本低效率的工作。如今，钢以其低廉的价格、可靠的性能成为世界上使用最多的材料之一，是建筑业、制造业和人们日常生活中不可或缺的成分。可以说钢是现代社会的物质基础。2.2 45号钢的概述 45钢是GB中的叫法，也叫油钢，市场现货热轧居多，冷轧规格1.04.0mm之间。它的特性：常用中碳调质结构钢。该钢冷塑性一般，退火、正火比调质时要稍好，具有较高的强度和较好的切削加工性，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性，材料来源方便。适合于氢焊和氢弧焊，不太适合于气焊。焊前需预热，焊后应进行应力退火。3 硬件系统设计3.1 系统总体结构及工作原理顶部是带照明LED灯头的握柄，长约17CM,根据人机工程学原理，设计成有波浪形弧度的握柄，让使用者握持更舒服，用着更舒心；在手握柄的侧边有两个红色LED指示灯，当老人摔倒的时候能够自动报警；在握柄的颈部也有一颗用硅胶做的一键求助按键，只要长按这个按键3S以上，就会通过无线传播，发送信号到亲人的手机上；在杖杆的中上部有2个抽屉式的小药箱，可随时随地放些急用的备用药；拐杖的底部采用橡胶材料，增加与地面的摩擦，起到防滑作用。工作原理：此款新型拐杖的设计引用TRIZ创造原理。TRIZ创造原理的核心内容是技术系统进化原理和技术冲突解决原理。首先，无论是一个简单产品还是复杂的技术系统，其核心技术的发展都是遵循着客观的规律发展演变的，即具有客观的进化规律和模式。其次，各种技术难题、冲突和矛盾的不断解决是推动这种进化过程的动力。拐杖的设计多次援用了TRIZ理论的几种发明创造原理，归纳如下：1.文中的此款新型拐杖利用分割原理，将拐杖分割为手柄和柱体，手柄和柱体有各自分为几个部分。2.利用组合原理，把LED灯组与GPS、收音机、移动通讯以及其它适用设备组合在把手处。3.利用多用性原理，拐杖原本的支持作用变为具有照明功能、导航功能等多功能集合的一体。4.拐杖的收缩性运用了嵌套理论。5.手柄的把手圆润适手的设计运用了去棉花原理。6.复合材料原理的运用，使拐杖整体的重量减轻许多。具体操作如下：当老人手握手柄，按下弹簧按钮时，智能拐杖进入工作状态。尾端的高清反光镜，仿照汽车的车尾灯，将前面的路况、周围的环境反射进来。通过传送装置将反射到的信息及时输送到电脑智能芯片，通过智能芯片对信息进行分析、加工和处理。同时，它可有播放音乐和相声，拐杖中端的电脑芯片可以储存上百首的歌曲、相声。只要打开手柄下方的三角形播放按钮，就可以听到优美的音乐，幽默的相声。当天色比较昏暗时或晚上看不清的时候，按下按钮，拐杖前段内圈的LED灯就会打开帮助照明，当老人摔倒或遇到紧急情况时，外圈的彩色LED灯，会发出彩色的光，向周围发出求救信号。而且拐杖中端有个伸缩装置，可以伸长或者缩短，适合不同身高的人群，非常方便。3.2 系统主要部分介绍 这款智能拐杖主体部分为铝合金材质，表面带有金色喷漆，做工精细，开孔处以及边缘均进行了处理，不会出现割手的现象。伸缩处带有螺母用来固定拐杖，这种设计的优点在于：拐杖主体杆可伸缩，也智能拐杖人性化的采用了伸缩式设计，可以通过卡扣来实现不同的长度，整个拐杖最短为80cm、最长可以延长到102cm，拥有20cm的调节长度，可以满足不同用户对于拐杖的需求。可拆卸并内置一些其它物件，节约空间，储藏和携带方便。尾部则是有一个较大的防滑橡胶头。给拐杖提供足够大的摩擦力。 最醒目的是拐杖头前端的一个LED灯。其次，顶部握手处是一个触控按键，旁边是一个两档的灯光开关；中间位置是一个MP3播放器，左边是一排控制按键；而头部侧面拥有一个SOS按键等等。在拐杖的尾端有一个高清反光镜。当然，除此以外， 这个拐杖还能够插入一张SIM卡和一张TF卡。3.2.1 高亮度LED灯 在拐杖的一端放置了一款亮度LED灯，包括电路板和LED芯片，其特征在于：所述的电路板上设有可容纳安装LED芯片的反光凹孔。可以直接在电路板上设置杯状的凹孔，其结构大为简化，使拐杖结构更加轻便，利用凹孔对LED光线进行反射叠加，使亮度大大提高，方便老人在亮度不够或夜间依旧能够行动自如。智能拐杖还拥有人性化的手电筒设计，正面设计有高亮度额的LED灯，为了方便老人在夜晚行走，在拐杖顶部的下方同样设计有一个LED灯，用来照亮脚下的路，在将亮度开关调节至二档时，拐杖上半部的红色预警灯还会闪烁，提醒身后的人们，前面有老人，进一步提高了老人行走夜路的安全性。 高亮度LED灯在智能拐杖中的开关情况及布局的对比如下图3-1所示： 图3-1 高亮度LED灯3.2.2 LED闪烁灯模块 此灯主要是作为警示灯使用。在这根智能拐杖上拥有三个灯，一个是刚才提到的大灯，能够随意开启，你完全可以把它当做手电筒使用；此外在拐杖头的下方还有一个“氛围灯”，它会随着主灯的开启而开启；而在拐杖头与金属杆的连接处是圆环形的红色预警灯，可以方便走夜路时打开。同时会有报警声。当老人不小心摔倒时，可将开关拨到第四档，即可报警，且LED灯发出红色光束，引起周围人的注意，使老人及时得到救助，以防造成危险。 LED闪速灯在智能拐杖中的布局及开关灯情况的对比如下图3-2所示：图3-2 LED闪烁灯3.2.3 mp3播放器MP3播放器支持：MP3、AAC、OGG、ARM、WAV等常用格式，网络制式则支持GSM+AGPS，通俗点说也就是支持移动与联通的2G网络。其次是娱乐功能。智能拐杖不仅可以利用本身的外置扬声器来播放收音机，而且还能够通过在拐杖头中放入一张TF卡，让其直接播放其中的音乐、评书 等音频文件。它可以支持包括MP3、AAC、OGG、ARM、WAV等多种音频格式。让老人在出行时更加乐趣盎然。 内置的mp3播放器及在智能拐杖中的安装位置如下图3-3所示： 图3-3 mp3播放器3.2.4 反光镜部分 这款智能拐杖的反光镜采用耐老化玻璃钢镜背，进口聚碳酸脂（PC）、PMMA镜面，具有影象清晰反射的同时又不变形和抗撞击的特性，不失美观又能降低太阳反射，不会给老人和路人带来眩晕感。不易损耗、防阳光紫外线、耐力持久；坚固、耐久性能强且有防碎性能；镜面影象清晰、明确且方便简易安装； 镜身轻、安全可靠；只需用软布或海棉、温水轻轻清洗。非常方便护理。它能够将前面的路况、周围的环境反射进来。通过传送装置将反射到的信息及时输送到电脑智能芯片，通过智能芯片对信息进行分析、加工和处理。并通过MP3播放器播放出来，提醒老人。反光镜部分的模型和原理如下图3-4所示：图3-4 反光镜及原理3.2.5 按键部分 拐杖顶端的尾部设计有隐藏的卡槽，里面有USB充电接口、TF卡插槽以及mini SIM卡插槽（iphone 4S大小） 首先它还带有收音机以及MP3功能，方便老人在外出遛弯时收听一些广播或者戏曲之类的节目，让拐杖不再是单一的拐杖。用户可以通过拐杖侧面的一排多媒体按键进行操作，功能按键清晰明了。 按住拐杖头那几个按键中的播放键后，就会自动启动到收音机模式，而在插入TF存储卡后，这里也可以切换到存储卡播放模式，用手指轻按手柄侧面中间 MP3 控制按钮，MP3 即处于工作状态。此时用手指轻按 MP3 歌曲搜索左右按键，歌曲上下选台，以锁定中意的曲目。以上操作都比较简单，适合老人使用。各按键部分如下安排如下图3-5所示：图3-5 按键3.3 充电插口和卡槽插口充电用的电源是以我国国家电网220V、50HZ为标准，配有标准的充电器，将充电线一端插入产品 DC 口，另一端接入标准 5V 输出 USB 母座，即可对产品内部充电电池充电， 此时充电红色指示灯亮， 充满电后指示灯熄灭。提供标准 USB 5V 输入给内置软包装锂电池充电储能，驱动 LED照明，闪光，喇叭高分贝声音报警。MP3播放器所用的卡和我们平时手机所用内存卡一致，这保证了很强的互换性，给使用者更加方便的选择。充电插口和电源插口如下图3-6所示：图3-6 充电插口和电源插口3.4可伸缩的拐杖腿设计依据人机工程学，理想的拐杖长度，一般在穿平底鞋站在平地上两手自然下垂时，选取以立正姿势，然后测量出下垂的手腕时一部皮肤距离地面的多少，测出的这个尺寸就应是拐杖的理想长度。在此基础上，一般不可短于或长于两公分。拐杖不管过短或者过长，特别是在长期的使用下，就会使感到吃力，而且会给人体带来较大的危害，因为如此当在选购或自制拐杖时要特别注意。而对于腿脚有疾病，或者年纪比较大的老人而言，拐杖的长度要求就自然会更为严格一些，然而如果相对于身体较健康些的老年人来讲，就拐杖的长度来说要求并没那么严格，主要是因为对于这一类老人来而言，使用拐杖的主要目的只是减少行走时的体力消耗，防止容易导致产生的疲劳，以及在走动可能产生的恐惧。不同身高对拐杖高度的要求如下表3-1所示：表3-1不同身高对拐杖高度的要求150cm 165c81.5cm 160cm 175cm 83.5cm 170cm 185cm86.5cm为了更好地满足不同身高的人群要求本设计特意做了如下设计，那就是模仿我们的雨伞柄的结构设计，我们将此款智能拐杖设计出了在不同高度上都有活动的按钮，使用者只需按照说明书正确的操作那么都可以调节出适合自身身高的拐杖。仿伞柄的可调节拐杖高度按钮剖面图如下图3-7所示： 图3-7 调节拐杖高度按钮剖面图帮助人行走的拐杖与地面接触的部件称为支脚垫。其作用主要有两点：防滑防止拐杖与 地面接触时打滑。缓冲减少地面给人体的反作用力及对人的不适感。因此，支脚垫应考虑摩擦系数大且有弹性的材料，但往往这样的材料强度低、不耐磨，致使支脚垫寿命短易损坏。在对拐杖支脚垫结构检验、分析的基础上，改进这种拐杖垫的设计，是非常的有实用性和大功效的。它所用的材料是一种碳素合成材料，具有很好的的耐磨性，而且它的面积比一般的拐杖垫要大，所以就能更好的解决以上的两点问题。所以此款拐杖垫不仅可以像普通的拐杖垫一样防滑、减震，触地点增多，稳定性好，能避免一些打滑现象的发生，而且在冬天下雪或地面结冰的时候，在它下面还可以装防滑钉。能为老年人和一些腿脚不便的残疾人带来更多的方便和安全感。更重要的是当拐杖倒地的时候，只要用脚尖轻踩一下防滑垫的边缘即可轻易的让拐杖重新回到手中。有很多的老年人都有风湿和腰椎盘突出登一系列的疾病，有了这样一款拐杖垫，就可以大大减小这个动作的难度。另外有了这个拐杖垫你就不要为了在一些公共场所应没地方放置自己的拐杖而心烦了。可以随便放置拐杖，它不再会像以前一样稍不注意就倒在地上了。拐杖支脚垫设计如下图3-8所示。图3-8 拐杖支脚垫4 利用CAD软件进行设计智能拐杖4.1 拐杖的整体设计如下图4-1所示：图4-1 拐杖的整体设计5结 论本文设计了一个环境内部监测系统，主要是对超市内部温湿度的监测和烟雾浓度的监测。超市内部温湿度的监测有利于各种食物和物品的保存以及给消费者提供了一个舒适的购物环境，而烟雾检测报警器则可保障生产与生活的安全，避免火灾和爆炸事故以及煤气中毒的发生，它是防火、防爆和安全生产所必备的仪器，具有广阔的市场空间与发展前景。本文是将传感器技术应用与AT89C52单片机控制技术相结合，利用DHT11传感器采集温湿度数据，运用MQ-2烟雾传感器采集烟雾浓度，利用LED数码管显示技术完成了环境温度、湿度及显示电路的设计。并且外接了蜂鸣器报警模块，在超过设定温湿度上下限和烟雾浓度上限时自动报警。还采用发光了二极管进行温湿度报警及烟雾报警。 到目前为止我的毕业设计也即将告一段落了，在这次的毕业设计中，自己也学习到了很多以前没有学过的知识，让我更加清楚了理论知识和实践能力的差别了，了解到自己的短处，培养了我的独立思考能力，进一步提高了自己在实际设计过程中研究问题、发现问题、解决问题的能力。同时，也发现了自己的不足之处和一些问题的存在，并有待进一步学习和发展，让自己在未来的工作和学习之中更快的适应和提高自己。致谢时光如梭，岁月如歌，转眼，仿佛昨天还是一个懵懵懂懂提着行李的大一新生，今天已经变成了大四的学姐，在满校园中“毕业快乐”的淡淡感伤氛围中度过大学最后为数不多的时光。大学四年学习生涯,让我有了质的飞跃，专业技能、人生目标和个人处世能力都得到了提高。衷心感激这大学最后的毕业论文设计，给自己的大学一个圆满的收尾。暨毕业论文答辩之际，我要忠心感谢学院和机械工程学院的各位老师大学四年来对我的辛勤培养和悉心教导，使我学到了很多知识也学会了独立处理问题的本领。是母校提供了学习机会，是各位老师传授了我专业知识和做人的道理。在毕业设计过程中，谭老师循循善诱的教导，在学习、工作和思想上都给予了我莫大的帮助和鼓励，在此，对谭老师表示深深的感谢。同时谭老师认真负责的工作态度，严谨的治学精神使我受益匪浅。无论在理论和实践中，都给了我很大的帮助，使我综合素质提高不少，这对于我以后的学习和工作都有一种很大的帮助。同时我要感谢我的班主任老师，以及任课老师，感谢他们的教诲，让我知道在社会上懂得怎样去做好自己，端正自己的位置，为社会贡献出我自己的力量。 在这次的毕业设计中，我深深地体会到毕业设计不是一件容易的事情，它需要学生具有全面的专业知识、缜密的思维、严谨的学习态度以及较高的分析问题、解决问题的能力，而我在这些方面的水平还有所欠缺，同时也进一步督促我在这些方面努力提高自己，充实自己。这让我意识到：编写毕业论文的过程就是是一个学习的过程，论文最终的完成，提高了了我的能力，它能让我在今后的工作与学习当中更加有自信。 设计结束了，四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始，我将跨入新的未知的生活，然而学无止境，我一定会在今后的学习生活中不断的努力，不断的前进，不辜负老师和父母对我的期望。最后，再一次感谢我的恩师！感谢我的母校！感谢论文答辩组的老师们，你们辛苦了，祝各位老师身体健康，工作顺心！愿