学文网摘要随着社会的不断发展，各种人性化的产品设计也越来越多。研发出一种能将雨伞固定在拐杖上并且在拐杖移动过程中使伞杆儿能始终保持垂直状态的机械结构。通过对这项新型机构的研究可以使得那些行动不便的人在雨天出行变得更加便利，本文通过应用机械原理的理论知识的方法，成功的实现了上述所提出的新功能。
关键词 新型技术 多功能拐杖伞
中***分类号：TS959.5 文献标志码：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 项目背景
传统的拐杖就其功能来说都只是为了实现辅助行走的功能。而现在的拐杖则增加了很多辅助功能。常见的有：不锈钢四脚拐杖、镁合金拐杖凳等。可以看出这些新型拐杖不仅变得更加轻便耐用而且还赋予了拐杖新的功能。这就说明了随着物质生活不断提高的现代化社会，新型的创新就是要在一些旧的原始机构上在保证基本功能不变的基础上增加新的功能。所以，我们试着将人们最常用的两种生活用品加以巧妙的结合，从而实现一种新型的产品――拐杖伞。
2 机构设计
2.1 方案的提出
通过分析要想实现能够使得拐杖在任意角度时都能够使得伞杆儿保持铅垂位置，就需要一个自由度F=1的机构来完成这一过程。而且通过调查研究，拐杖的运动轨迹多为一个平面轨迹，即拐杖是在铅垂平面内运动，所以我们只需要在一个平面内来实现上述功能。这就大大简化了我们的机构。如***1是我们对机构进行的整体设计。
***1
运动过程如下，初始时刻拐杖被提起，在竖直平面内做向前的摆动，则整个机构如***一中右***所示处于倾斜状态，当人手提拐杖触地时由于拐杖受到人身体的压力，上下两根弹簧逐渐受力，此时下面的弹簧受到压力而缩短，缸体相对于拐杖向上运动，从而使右侧绳子通过滑轮带动左侧绳子向下运动，因为线通过上端套筒中的杆和弹簧相连，并且与杆相连接，所以线会拉动杆，使杆缩回到套筒内，使缸体与拐杖的夹角变小，伞杆儿逐渐趋于竖直。当拐杖竖直时，雨伞和拐杖都处于竖直状态。相反，当提起拐杖向前摆动一个角度a时，下面的弹簧从压缩状态恢复原长，给缸体一个向下的力，从而使缸体向下运动，而上端的弹簧则要收缩从而使绳子带动套筒内的杆向外伸，重新使伞杆儿保持垂直。
2.2 参数的确定
2.2.1 机构的运动设计
(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）
根据预先的设计，设定A点的参数为(0,100)，C点参数为(198,0)，B1点参数为(xB1,0)。利用MATLB编程求出设计方程的解，求得未知变量xB1的解有两个，xB1 = 196即或xB1 = 250。对机构进行合理性分析后得出应该选择第二个解，即xB1 = 250mm。
所以得出三个设计变量的参数为A(0,100)，B1(250,100)，C(198,0)，把设计变量带入到方程式3，4可求得中间变量B2点的参数B2(217,225)。由求出的参数点可求得杆AB1和CB1套筒的长度，即AB1 = 250mm，CB1=113mm，则整个机构的尺寸已确定。
2.2.2 机构的运动分析
对机构进行运动分析：以构件BC为原动件，机构为级机构，由构件3与机架0以转动副C相连接，又增加构件1、2组成的级基本杆组。基本杆组的两个外副分别与构件3组成形成移动副、与机架形成转动副A。一个内副是转动副B。
已知条件为杆件AB的长度 = 250mm，B、C之间的相对距离HBC，相对运动速度VCB和加速度aCB。首先应该先确定基本杆组外副的运动，然后再确定基本杆组的内副的运动。因为只有一个内副点是未知的，所以需要建立两个位置方程。由于A点、B点和C点的位置已知，通过长度计算公式即可列出两个位置方程。所列方程中只包含有运动点B的参量。机构的速度和加速度方程仍然是上面的方程组分别对时间的一阶和二阶导数求得。这样就可以逐个求得运动点B的位置参数、速度参数和加速度参数。
通过上面的运动设计和运动分析，机构的位置参数和运动参数就已经确定。下面的问题就是如何正确选择各部分的材料，在既保证强度的条件下同时满足总体的轻便和外表的美观，这是后续所值得研究的。
参考文献
[1]谢进,万朝燕,杜立杰.机械原理.北京:高等教育出版社,2004.
[2]宋海潮.新型弹性拐杖的设计.机械制造,44卷,第508期.
[3]马莉，MATLAB数学建模与实验.北京:清华大学出版社,2010.1.
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