樓梯平地兩用折疊拐杖的設(shè)計(jì)*

□ 張佳欣 □ 蘭藝聞 □ 孫宏達(dá) □ 郝 哲 □ 王洪洋 □ 張雪粉

沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 沈陽 110159

1 設(shè)計(jì)背景

當(dāng)前,我國人口老齡化問題突出,城市老年人口比例持續(xù)升高,越來越多的老年人面臨上下樓梯不便這一困難[1]。如今市面上流通的拐杖并不適用于上下樓梯,筆者從這一方面入手,設(shè)計(jì)出一種樓梯平地兩用折疊拐杖。

這一拐杖使用時(shí)有兩種狀態(tài),分別為折疊狀態(tài)和展開狀態(tài)。在折疊狀態(tài)時(shí),作用與普通拐杖類似。在展開狀態(tài)時(shí),拐杖支點(diǎn)可以同時(shí)支撐在兩個(gè)臺(tái)階上,以達(dá)到更有效的穩(wěn)定效果,使老年人在上下樓梯的過程中減少因拐杖滑動(dòng)而發(fā)生摔倒。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

樓梯平地兩用折疊拐杖的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 折疊部分

主要由五組連桿相互連接配合,以此實(shí)現(xiàn)拐杖的折疊[2]。在平地使用時(shí),可以將折疊機(jī)構(gòu)閉合,作為普通單腳拐杖來使用。遇到臺(tái)階時(shí),便可將折疊機(jī)構(gòu)展開,形成一個(gè)雙腳拐杖。展開時(shí),折疊機(jī)構(gòu)的連桿相互配合,形成兩個(gè)共線三角形結(jié)構(gòu)來使整個(gè)拐杖更加穩(wěn)定。

▲圖1 樓梯平地兩用折疊拐杖結(jié)構(gòu)

2.3 操作手柄

操作手柄位于樓梯平地兩用折疊拐杖上半部分扶手的下方,通過一根長桿與折疊機(jī)構(gòu)相連接,以此來拉動(dòng)折疊機(jī)構(gòu)的連桿,實(shí)現(xiàn)對(duì)拐杖兩種狀態(tài)的控制。扶手下方設(shè)置兩個(gè)卡槽,在折疊狀態(tài)時(shí),手柄滑動(dòng)到滑動(dòng)槽的最底端。展開時(shí),操作手柄滑動(dòng)到最上端。操作手柄如圖2所示。

▲圖2 操作手柄

2.4 插銷

為了使樓梯平地兩用折疊拐杖使用時(shí)更安全可靠,設(shè)計(jì)了一個(gè)插銷。在折疊狀態(tài)時(shí),插銷插入拐杖上半部末端的銷孔中,提高拐杖的穩(wěn)定性。插銷拔出后,滑動(dòng)操作手柄即可實(shí)現(xiàn)折疊機(jī)構(gòu)的展開。插銷如圖3所示。

▲圖3 插銷

3 工作原理

樓梯平地兩用折疊拐杖工作原理如圖4所示。

▲圖4 拐杖工作原理

在拐杖連桿組機(jī)構(gòu)中,活動(dòng)構(gòu)件數(shù)為五個(gè),包含七個(gè)低副,所以機(jī)構(gòu)的自由度為1,連桿組機(jī)構(gòu)有確定的運(yùn)動(dòng)[3]。

使用者滑動(dòng)操作手柄,帶動(dòng)構(gòu)件1向上滑動(dòng),通過構(gòu)件1帶動(dòng)連桿2及連桿5向上,拐杖折疊機(jī)構(gòu)展開。在拐杖折疊機(jī)構(gòu)展開后,連桿2、連桿3、連桿4,以及連桿4、連桿5、拐杖上半部分分別形成兩個(gè)三角形結(jié)構(gòu)。由于三角形結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,拐杖具有良好的負(fù)載承受能力。

考慮到一般居民樓臺(tái)階高度,當(dāng)拐杖折疊機(jī)構(gòu)展開時(shí),拐杖上、下部分末端距離為201.24 mm,橫向距離為175 mm。基于三角形結(jié)構(gòu)特點(diǎn),兩滑塊間距離為98 mm。拐杖展開結(jié)構(gòu)尺寸如圖5所示。

▲圖5 拐杖展開結(jié)構(gòu)尺寸

4 關(guān)節(jié)軸強(qiáng)度與剛度校核

基于理論力學(xué)及材料力學(xué)知識(shí),對(duì)樓梯平地兩用折疊拐杖各個(gè)連桿之間的關(guān)節(jié)軸列平衡方程,進(jìn)行強(qiáng)度與剛度校核[4-5]。拐杖關(guān)節(jié)軸分布如圖6所示,拐杖整體受力分析如圖7所示。

▲圖6 拐杖關(guān)節(jié)軸分布

圖7中,F為使用者對(duì)拐杖施加的力,G為地面對(duì)拐杖的支持力,FN1X、FN1Y分別為拐杖在C點(diǎn)受到的水平方向及豎直方向的力,FN2X、FN2Y分別為拐杖在E點(diǎn)受到的水平方向及豎直方向的力。

對(duì)拐杖進(jìn)行受力分析,有:

▲圖7 拐杖整體受力分析

∑F(x)=0

(1)

式中:F(x)為拐杖X方向的合力。

Fsin53°-FN1X-FN2X=0

(2)

∑F(y)=0

(3)

式中:F(y)為拐杖Y方向的合力。

Fsin53°+G-FN1Y-FN2Y=0

(4)

∑M(E)=0

(5)

式中:M(E)為拐杖關(guān)于E點(diǎn)的扭矩。

185Fsin53°+(455+300)Fsin53°+

(185/2)G-185FN1Y-(300-100)FN1X=0

(6)

∑M(A)=0

(7)

式中:M(A)為拐杖關(guān)于點(diǎn)A的扭矩。

(455+300)FN2X+185FN2X+(455+100)FN1X-

(185/2)G=0

(8)

由式(2)、式(4)、式(6)、式(8)解得:

FN2X=-1 141.51 N

FN1Y=1.5 N

FN2Y=309.196 N

拐杖折疊機(jī)構(gòu)展開時(shí)受力分析如圖8所示。

對(duì)拐杖進(jìn)行受力分析,有:

Fsin53°+F1sin60°+F2-F3sin60°-FN1X=0

(9)

式中:F1為連桿5對(duì)拐杖上半部分的力;F2為連桿4對(duì)拐杖上半部分的力;F3為連桿2對(duì)拐杖上半部分主體的力。

FN1Y+F1cos60°-Fcos53°-G-F3cos60°=0

(10)

(455+100)Fsin53°+367F1sin60°+100F2-

90F3sin60°=0

(11)

解得:

F1=-887.1 N

F2=724.3 N

F3=-1 368.1 N

對(duì)受力最大的關(guān)節(jié)軸1進(jìn)行受力分析,如圖9所示,關(guān)節(jié)軸1長度l為20 mm,直徑d為8 mm,材料為40CrNiMoA,許用應(yīng)力為291 MPa。

▲圖8 拐杖折疊機(jī)構(gòu)展開時(shí)受力分析

▲圖9 關(guān)節(jié)軸1受力分析

圖9中,F1P為關(guān)節(jié)軸1在P點(diǎn)受到的力,M1為F1P對(duì)S點(diǎn)的扭矩,F1Q為關(guān)節(jié)軸1在Q點(diǎn)受到的力,F1S為關(guān)節(jié)軸1在S點(diǎn)受到的力。

對(duì)關(guān)節(jié)軸1進(jìn)行受力分析,有:

F1S=F1=887.1 N

∑F(Y)=0

(12)

F1P+F1Q-F1S=0

(13)

∑M(S)=0

(14)

式中:∑M(S)為拐杖關(guān)于S點(diǎn)的扭矩。

F1Pl/2-F1Ql/2=0

(15)

F1P=F1Q=F1S/2=443.55 N

M1=F1Pl/2=4.44 N·m

抗彎截面系數(shù)Wz為:

Wz=πd3/32=50.265 mm3

關(guān)節(jié)軸1最大應(yīng)力σmax為:

σmax=M1/Wz=88.3 MPa

可見,關(guān)節(jié)軸1滿足強(qiáng)度要求。

同理可得關(guān)節(jié)軸2、關(guān)節(jié)軸3、關(guān)節(jié)軸4、關(guān)節(jié)軸5均滿足強(qiáng)度要求,故拐杖滿足強(qiáng)度要求[6]。

通過對(duì)拐杖關(guān)節(jié)軸的強(qiáng)度計(jì)算及校核,結(jié)合實(shí)際分析,確認(rèn)筆者設(shè)計(jì)的樓梯平地兩用折疊拐杖的承重能力完全可以滿足老年人上下樓梯的行走需求,能夠平穩(wěn)完成連桿折疊、展開,以及拐杖下部分的上下移動(dòng)等動(dòng)作。

市面上現(xiàn)有的輔助老年人行走的裝置[7-10],往往存在價(jià)格昂貴或穩(wěn)定性不足等方面的缺陷。筆者設(shè)計(jì)的樓梯平地兩用折疊拐杖結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉,能夠較好地彌補(bǔ)以上不足。

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)了一種既可以輔助老年人上下樓梯,又可以在平地使用的樓梯平地兩用折疊拐杖,著重分析了拐杖展開與折疊的流暢性、穩(wěn)定性和老年人使用時(shí)的安全性等問題,確認(rèn)拐杖滿足使用要求。