毕业设计（论文）-智能拐杖设计

第2章总体方案设计2.1功能设计在明确了老年人的对拐杖的需求后，考虑到老年人记忆力减退，腿脚不便，上下楼梯不方便，视力下降和不擅与人交流等因素，我们设计了这一系列除了辅助行走之外具有以下功能的拐杖。GPS定位系统：在老年人迷路走失触发报警系统时，警察及其家人可通过GPS定位系统确定老人所在位置。而在GPS芯片的发展方向越来越趋向低耗电，小型化时，这一构思完全可以实现。老年人很难记清回家的路，在拐杖内置卫星定位的安卓系统，可以帮助城市老年人找到回家的路，可以对家庭住址和养老院住址进行定位，当老人找不到家的时候，可以开启此功能进行导航。利用GPS的卫星定位功能，随时确定使用者的位置，将当前的经纬度信息和预先存储在拐杖里的路径信息进行比较，如果超出预定范围则给出提示信息，帮助使用者回到预定范围。辅助上楼梯：便于老人上下楼梯，适用于各种各种形状，材料不同的楼梯，电动夹紧更适用于力量不够老年人。报警系统：装有扬声器和通讯设备，可以用于报时和手控报警，链接110、120两个号码，操作起来类似于手机快捷键。雷达预警：探测马路状况，确定有无车辆来往，车辆多久到达是否能安全通过，能够语音提示老人过马路，在老年人到达街口时，提示其慢性，注意车辆和红绿灯。辅助起身：通过增大支撑面，提高拐杖稳定性，保证老人安全稳定的站起来，利用电动调节，省力稳定。暖手功能：在扶手内部装有暖手功能，根据老人手的温度，如果冰凉加热到人体的正常温度。照明功能：通过在拐杖主体上设置LED灯实现，在防止夜间老人因为看不清撞到不明物质的同时也防止夜间车辆或行人撞到老人。LED由于具有质量轻体积小优势，可以实现节能减重并且很方便美观，采用CRE的灯珠Q5。防摔功能：装有防滑垫，保证地面接触打滑问题，冬天下雪防滑保证。2.2智能拐杖组成顶端扶手：可拆卸，手握部分完全符合人机曲线，装有部分电子元件和按钮，局部附以软性塑料材质，使老年人在使用时更加舒适。直头把手看上去要更加美观，更加具有力量性。弯曲的把手具有很强的美观性和简洁感。操作部分：内置GPS芯片，报警器集成电路，语音集成电路，雷达，加热设备，电源等。外置按键报警、照明、调节键。拐杖主体：长度根据老年人身高的不同设置成4～6个档，其中815mm、835mm、865mm三个档最为常用。由老年人选购拐杖时自由选配。起身、上楼着地的足：同把手一样可拆卸。设计三种拐杖足，第一种是有缓冲摩擦作用的单足着地，第二种是为方便起身，设计稳定性很强的四支腿着地，着地点为橡胶材质，第三种为辅助上楼梯夹紧支架，三种结构都拥有防滑垫，保证状态稳定。2.3智能拐杖机构设计智能拐杖分为扶手、支撑主体、起身支腿、楼梯辅助支架、支撑防滑垫如下图2-1。图2-1智能拐杖支撑腿打开状态如图2-2。图2-2支撑腿打开楼梯辅助状态如图2-3。图2-3楼梯辅助状态2.3.1顶端扶手具有支撑暖手操作的功能，如图2-4。图2-4顶端扶手2.3.2支撑主体采用航空铝，强度高、质量轻。为方便不同高度适用，采用可伸缩状态，如图2-5所示。图2-5支撑主体2.3.3支撑足1）走路支撑足，如图2-6所示，底部装有防滑垫，具有防滑功能，采用可拆卸锁钮。图2-6走路支撑足起身支撑足，如图2-7-1所示，采用航空铝材料，通过提升支撑杆2，将支撑腿打开，增大支撑面，底部采用防滑垫。为方便老年人起身坐下更稳定，添加电动辅助功能，能够根据高度适时调节。电动机构如图2-7-2.图2-7-1起身支撑足2-7-2电动机构楼梯辅助支架，如图2-8所示，采用航空铝材料，考虑到老年人可能存在力量不足和不同类型楼梯结构不同，采用电动夹紧方式，减轻老年人劳动量，确保上楼更加安全，夹紧支架上部装有防滑垫，可以适合多种状态楼梯。图2-8楼梯辅助支架智能拐杖设计计算3.1顶部扶手结构设计顶部扶手，长约30CM,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；在扶手的侧边有一个蓝色LED指示灯，当老人按键报警时，同时发出声音和闪光，便于晚上寻找；在握柄的颈部也有三颗按键，分别是报警、点灯和报时功能；报警功能只要长按这个按键3S以上，就会通过无线传播，发送信号到亲人的手机上；；在扶手前端侧边有一个键盘，便于编辑时间和程序修改；在扶手尾部侧边有一个扬声器，便于报警报时；在扶手前后两端分别安置LED照明灯和充电口。如下图3-1。1-LED灯2-键盘3-按钮4-LED屏5-扬声器6-充电器7-顶部扶手图3-1顶部扶手3.2支撑结构设计计算依据人机工程学，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~165c81.5cm160cm~175cm83.5cm170cm~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。支撑结构如图3-2所示：1-支撑杆12-调节锁钮3-支撑杆24-支撑足5-防滑垫图3-2支撑结构图3.2.1支撑杆1为了减轻拐杖重量本次支撑杆1，采用航空7075铝合金，在减轻重量的同时可以大大提高轻度，并且耐腐蚀，由于支撑结构整体长度已经确定，为预留起身支撑足操作空间，支撑杆1上部为电池预留空间，并且在中上部位置开孔装配雷达，在下部开三组调节高度孔和一组起身支撑足打开孔。设计如下图3-3所示。图3-3支撑杆13.2.2调节锁钮为了方便调节，采用按压锁钮，将锁钮按下去后拉动支撑杆2或者拆下支撑足，此锁钮大量用在伸缩可调节机构中，应用很广泛，便于学习操作，并且结构轻便简单，对于后期维修更换提供便利，如图3-4所示。1-按钮2-销轴3-弹簧图3-4调节锁钮图3.2.3支撑杆2为了减轻拐杖重量本次支撑杆1，采用航空7075铝合金，在减轻重量的同时可以大大提高轻度，并且耐腐蚀，由于支撑结构整体长度已经确定，为预留起身支撑足操作空间和支撑足安装位置，设计如下图3-5所示。图3-5支撑杆23.2.4支撑足由于本次设计中，增加起身支撑足，当起身支撑足打开时候，需要将支撑足拆掉，所以设计调节锁钮作为锁止机构，便于拆卸，同时防滑垫在使用过程中会有一定磨损，需要定时拆换，防滑垫采用装配，上楼梯辅助机构可调节夹紧也在此装配，需要预留装配孔，设计如图3-6所示。图3-6支撑足3.2.5防滑垫帮助人行走的拐杖与地面接触的部件称为防滑垫。其作用主要有两点：①防滑—防止拐杖与地面接触时打滑。②缓冲—减少地面给人体的反作用力及对人的不适感。因此，防滑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，致使防滑垫寿命短易损坏。在对拐杖防滑垫结构检验、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，防滑垫如下图3-7所示。图3-7防滑垫3.3起身支撑足采用航空铝材料，通过提升支撑杆2，将支撑杆2锁钮提升至支撑腿打开，来实现增大支撑面，底部采用防滑垫，如图3-8所示。1-销子12-支杆3-支撑杆4-销子25-防滑垫6-销子37-铰链座图3-8起身支撑足3.4辅助楼梯支架参考国外上楼梯辅助功能，设计可调节，适用多种楼梯的夹紧支杆，采用电动夹紧方式，减轻老年人劳动量，确保上楼更加安全，夹紧支架上部装有防滑垫，可以适合多种状态楼梯，设计如图3-9所示。1-支撑足2-夹紧支架3-防滑垫4-电机5-防滑垫6-小齿轮7-宝塔齿轮8-齿条图3-9辅助楼梯支架3.5智能拐杖机械强度校核在强度校核中，采用样本体重为75Kg,对于体重超过此数值，属于特殊人群，不在此次设计中。航空铝类型为7075铝合金，其中7075铝合金抗拉强度524Mpa，0.2%屈服强度455Mpa：伸长率11%，弹性模量E/Gpa：71，硬度150HB，密度：28103.5.1行走支撑机构强度校核拉压强度利用有限元分析支撑杆1、支撑杆2、支撑足载荷分别为图3-10、3-11、3-12：图3-10支撑杆1受力分析图3-11支撑杆2受力分析图3-12支撑足受力分析通过分析可知，支撑杆1、支撑杆2、支撑足分别为均小于=524MPa，符合设计要求。（2）弯曲强度利用有限元分析支撑杆1、支撑杆2、支撑足载荷分别为图3-13、3-14、3-15：图3-13支撑杆1受力分析图3-14支撑杆2受力分析图3-15支撑足受力分析通过分析可知，支撑杆1、支撑杆2、支撑足分别为均小于=455MPa，符合设计要求3.5.2起身支撑足强度校核拉压强度如图3-16，支杆只承受压力，受力分析如下图3-16支杆受力分析＜=524MPa，符合设计要求。弯曲强度如图3-17，支撑杆只有弯曲载荷，受力分析如下。图3-17支撑杆受力分析＜=455MPa，符合设计要求3.5.3楼梯支架强度校核楼梯支架只受弯曲载荷，受力分析如图3-18图3-18楼梯支架受力分析弯曲强度，符合设计要求。

智能拐杖电气设计4.1系统的总体设计整个系统主要由单片机控制、GPS定位、GSM通信、障碍物报警、语音播报和灯光等模块组成。系统上电后，拐杖开启智能模式，使用者在行走中，拐杖检测到前方障碍物，会语音提示报警；当使用者预感到身体不适，可按下求救键，直接向监护人发送求救信息。拐杖操作简单，功能实用，能够满足老人和盲人的生活需求。系统的功能框图如图4-1所示图。图4-1多功能智能拐杖功能框图4.2硬件电路设计4.2.1单片机控制模块该模块采用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，它具有功耗低、抗干扰能力强等特点，指令代码完全兼容传统的8051单片机，速度最快可达传统8051单片机的12倍。该单片机运行稳定，可长时间在智能拐杖系统中工作，适合在拐杖这种便携式设备上使用。4.2.2GSM通信模块该模块包括一个RF天线和一个接收模块，可实现求救短信的发送，监护人可对使用者进行远程监护。该拐杖选用的是Air208模块，兼容SIM900A指令、尺寸小、省电，能够满足智能拐杖的通信要求。单片机与GSM模块之间的通信采用UART串行口通信，GSM模块直接受单片机的控制4.2.3暖手功能设计自动暖手功能,温度传感器阵列的输入端通过导线与电源模块相接，输出端与单片机相接,单片机通过控制ECU与温度开关相接，所述数据存储器、显示器也与单片机相接，安装在拐杖把手的里面，采用碳纤维发热片7.5x13cm，电压5V，发热温度40℃。4.2.4障碍物报警模块该模块使用超声波测距，利用发射器发射超声波，同时单片机开始计时，当超声波接收器接收到障碍物反射的回波后，单片机停止计时。这段时间为Δt，将空气中超声波的传播速度设为v，利用s=v×Δt，就能够计算出超声波模块发射点距障碍物的距离s。该模块可实时检测距前方障碍物的距离，当测量值小于程序中设定的安全距离时，系统会语音提示使用者，采用中远程雷达K-77。4.2.5GPS定位模块GPS定位主要实现使用者所在位置的准确定位，当使用者面临突发情况时便于监护人及时发现其位置，实施救援。该拐杖选用的是GT-U7模块，该模块启动时间短、功耗低、体积小，极高的追踪灵敏度扩大了定位的覆盖面积。当使用者摔倒或遇到危险时，其位置可通过GSM通信模块发送到监护人的手机上。在复杂的城市街道可实现高精度定位，方便监护人第一时间找到走失老人的位置。GPS采用SKYLAB高性能ROM型GPS模块系列SKG09BL的定位精度为3米，速度精度为0.1米每秒。4.3软件设计多功能智能拐杖的软件程序包括系统启动、参数设置、障碍报警、语音控制及状态检测等子程序。本系统的软件设计采用性能可靠的C语言编写，具体流程如图4-2所示。图4-2系统程序流程图第5章智能拐杖总结与展望5.1设计总结对本次设计做认真的总结，本论文基于机械设计、机械原理、机械制造工艺学等基础，以设计智能拐杖为目标，为质量要求高，生产效率需要提高，降低劳动成本，还克服了当前因为国外智能拐杖价格高昂的烦恼。通过本次设计研究，为智能拐杖的研究提供了一定的思路，希望可以让老年人在以后的生活中能够更轻松、更安全的行走，拥有一个更适合生活行走的环境。通过这一阶段的课程设计，我受益匪浅，不仅锻炼了良好的设计和逻辑思维能力，而且培养了弃而不舍的求学精神和严谨作风。回顾此次课程设计，是大学之前所学知识很好的总结。此次智能拐杖的设计不仅重温了过去所学知识，而且学到了很多新的内容。相信这次课程设计对我今后的工作会有一定的帮助。所以，我很用心的把它完成。在设计中体味艰辛，在艰辛中体味快乐。通过本次设计我可以更加系统的了解智能拐杖的知识；能够了解智能拐杖的设计理念以及应该达到的目标；能够检验自己能否将大学里学习的理论知识转化为实际应用；能够培养自己自学和独立思考的能力。这次设计不但锻炼我的思维能力，还锻炼我的查阅资料获取有用信息的能力，通过绘制设计图纸，使我熟练的掌握了CAD绘图软件的使用，我把自己的理论用到实际当中去，在设计过程当中遇到的各种困难，我通过思考和咨询同学和老师获得了许多解决问题的方法和方式。课程设计的过程是艰辛的，解决问题的过程是快乐的，成长过程是痛苦的，我相信只要我们保持严谨的学习态度，我一定能够成长起来。5.2未来展望本论文完成了对智能拐杖的结构设计，基本上满足了智能拐杖的需求，设计结果能否完全的实现这一目标，还需要大量的计算、分析等工作才能知晓。要想实现这款智能拐杖达到完全实用的目的，让智能拐杖完全与实验环境匹配，还需要对智能拐杖进行适当的修改。如产品的尺寸比例、整个结构设计等都需要进行一定的调整，才能达到完全适应生产需求的目的。因此，还需要展开更多的研究工作，针对这些工作存在以下想法:根据智能拐杖设计研究过程，对智能拐杖的人机关系和机械结构部分进行调整，实现智能拐杖通用化设计。对智能拐杖结构进行更加全面的分析，设计出完全可以适应不同液压机，不同模具的自动上料系统。对智能拐杖的运动仿真要求进行更见详细的计算、分析和研究，保证此智能拐杖运行安全可靠。对零部件之间的精密配合要进行详细的研究，实现各零部件之间完美的配合。对智能拐杖的功能和美观的兼容性问题还有待于以后的继续研究。一款多功能、安全的智能拐杖在未来的社会发展中必然会受到广大老年人的青睐，但要想达到设计要求，还需要做大量的工作，由于本次设计时间紧迫，所以对于计算部分没有做详细的研究，在以后的学习中继续进行这一部分的研究，争取设计出一款经济效益比较高的智能拐杖。

致谢本设计是在老师的悉心指导下完成的，老师严谨的治学态度，一丝不苟的工作作风，平易近人的性格都是我学习的楷模，感谢老师的指导让我很好的完成了我的设计作品以及论文。虽然课程设计内容繁多，过程繁琐，但我的收获确实非常丰富。通过老师的悉心指导和其他老师的指导及其与同学们在制作作品时的交流，我了解到了许多关于智能拐杖的知识，以及相关部件的设计标准，还有设计中各种容易忽略的细节，我的能力得到了提高。这次提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了大量的实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更强的设计能力，更强的理解能力，更强的沟通能力和更快的应变能力。指导教师渊博的知识、严谨的治学态度、兢兢业业的工作作风、忘我的工作精神和谦和的为人使我受益匪浅，老师的教诲和启发使我终生难忘。最终按质按量完成本次设计，我的收获是很难用语言来描述的，非常感谢老师的指导与帮助，老师您辛苦了。

参考文献范崇洛主编.机械加工工艺学[M].东南大学出版社，2009年.

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[4]冯辛安主编.机械制造装备设计[M].机械工业出版设,2004年.[5]孙志礼，冷兴聚，魏严刚等主编[M].机械设计.沈阳：东北大