一種新型多功能雨傘的設計

摘要隨著社會的不斷發展，各種人性化的產品設計也越來越多。研發出一種能將雨傘固定在拐杖上并且在拐杖移動過程中使傘桿兒能始終保持垂直狀態的機械結構。通過對這項新型機構的研究可以使得那些行動不便的人在雨天出行變得更加便利，本文通過應用機械原理的理論知識的方法，成功的實現了上述所提出的新功能。

關鍵詞 新型技術 多功能拐杖傘

中圖分類號：TS959.5 文獻標志碼：A

Design of a New Multi-function Umbrella

LI Chun， DA Yingfan， ZHA Quanbo， SHAO Yunlong

(School of Mechanical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu， Sichuan 611756)

AbstractWith the continuous development of society，more and more various user-friendly designed products appear. Develop a mechanical structure which can fix the umbrella on a stick and make the umbrella remain perpendicular in the process of moving the cane stalks. Through this new body of research， can help those handicapped people travel more convenient in the rain， through the methods of the theoretical knowledge of mechanical principles， successful implements the new features talked about.

Key wordsnew technology; multi-function umbrella

1 項目背景

傳統的拐杖就其功能來說都只是為了實現輔助行走的功能。而現在的拐杖則增加了很多輔助功能。常見的有：不銹鋼四腳拐杖、鎂合金拐杖凳等。可以看出這些新型拐杖不僅變得更加輕便耐用而且還賦予了拐杖新的功能。這就說明了隨著物質生活不斷提高的現代化社會，新型的創新就是要在一些舊的原始機構上在保證基本功能不變的基礎上增加新的功能。所以，我們試著將人們最常用的兩種生活用品加以巧妙的結合，從而實現一種新型的產品——拐杖傘。

2 機構設計

2.1 方案的提出

通過分析要想實現能夠使得拐杖在任意角度時都能夠使得傘桿兒保持鉛垂位置，就需要一個自由度F=1的機構來完成這一過程。而且通過調查研究，拐杖的運動軌跡多為一個平面軌跡，即拐杖是在鉛垂平面內運動，所以我們只需要在一個平面內來實現上述功能。這就大大簡化了我們的機構。如圖１是我們對機構進行的整體設計。

圖１

運動過程如下，初始時刻拐杖被提起，在豎直平面內做向前的擺動，則整個機構如圖一中右圖所示處于傾斜狀態，當人手提拐杖觸地時由于拐杖受到人身體的壓力，上下兩根彈簧逐漸受力，此時下面的彈簧受到壓力而縮短，缸體相對于拐杖向上運動，從而使右側繩子通過滑輪帶動左側繩子向下運動，因為線通過上端套筒中的桿和彈簧相連，并且與桿相連接，所以線會拉動桿，使桿縮回到套筒內，使缸體與拐杖的夾角變小，傘桿兒逐漸趨于豎直。當拐杖豎直時，雨傘和拐杖都處于豎直狀態。相反，當提起拐杖向前擺動一個角度a時，下面的彈簧從壓縮狀態恢復原長，給缸體一個向下的力，從而使缸體向下運動，而上端的彈簧則要收縮從而使繩子帶動套筒內的桿向外伸，重新使傘桿兒保持垂直。

2.2 參數的確定

2.2.1 機構的運動設計

(xA - xB2)2 + (yA - yB2)2 = (xA - xB1)2 + (yA - yB1)2（1）

(xC - xB2)2 + (yC - yB2)2 = [(xC - xB1)2 + (yC - yB1)2]（2）

xB2 = xA + (xB1 - xA)sin30€?（3）

yB2 = yA + (xB1 - xA)cos30€? （4）

根據預先的設計，設定A點的參數為(0，100)，C點參數為(198，0)，B1點參數為(xB1，0)。利用MATLB編程求出設計方程的解，求得未知變量xB1的解有兩個，xB1 = 196即或xB1 = 250。對機構進行合理性分析后得出應該選擇第二個解，即xB1 = 250mm。

所以得出三個設計變量的參數為A(0，100)，B1(250，100)，C(198，0)，把設計變量帶入到方程式3，4可求得中間變量B2點的參數B2(217，225)。由求出的參數點可求得桿AB1和CB1套筒的長度，即AB1 = 250mm，CB1=113mm，則整個機構的尺寸已確定。

2.2.2 機構的運動分析

對機構進行運動分析：以構件BC為原動件，機構為級機構，由構件3與機架0以轉動副C相連接，又增加構件1、2組成的級基本桿組。基本桿組的兩個外副分別與構件3組成形成移動副、與機架形成轉動副A。一個內副是轉動副B。

已知條件為桿件AB的長度 = 250mm，B、C之間的相對距離HBC，相對運動速度VCB和加速度aCB。首先應該先確定基本桿組外副的運動，然后再確定基本桿組的內副的運動。因為只有一個內副點是未知的，所以需要建立兩個位置方程。由于A點、B點和C點的位置已知，通過長度計算公式即可列出兩個位置方程。所列方程中只包含有運動點B的參量。機構的速度和加速度方程仍然是上面的方程組分別對時間的一階和二階導數求得。這樣就可以逐個求得運動點B的位置參數、速度參數和加速度參數。

通過上面的運動設計和運動分析，機構的位置參數和運動參數就已經確定。下面的問題就是如何正確選擇各部分的材料，在既保證強度的條件下同時滿足總體的輕便和外表的美觀，這是后續所值得研究的。

參考文獻

[1]謝進，萬朝燕，杜立杰.機械原理.北京:高等教育出版社，2004.

[2]宋海潮.新型彈性拐杖的設計.機械制造，44卷，第508期.

[3]馬莉，MATLAB數學建模與實驗.北京:清華大學出版社，2010.1.