樓梯平地兩用折疊拐杖的設計*

□ 張佳欣 □ 蘭藝聞 □ 孫宏達 □ 郝 哲 □ 王洪洋 □ 張雪粉

沈陽理工大學 機械工程學院 沈陽 110159

1 設計背景

當前,我國人口老齡化問題突出,城市老年人口比例持續升高,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,設計出一種樓梯平地兩用折疊拐杖。

這一拐杖使用時有兩種狀態,分別為折疊狀態和展開狀態。在折疊狀態時,作用與普通拐杖類似。在展開狀態時,拐杖支點可以同時支撐在兩個臺階上,以達到更有效的穩定效果,使老年人在上下樓梯的過程中減少因拐杖滑動而發生摔倒。

2 結構設計

2.1 總體結構

樓梯平地兩用折疊拐杖的結構如圖1所示。

2.2 折疊部分

主要由五組連桿相互連接配合,以此實現拐杖的折疊[2]。在平地使用時,可以將折疊機構閉合,作為普通單腳拐杖來使用。遇到臺階時,便可將折疊機構展開,形成一個雙腳拐杖。展開時,折疊機構的連桿相互配合,形成兩個共線三角形結構來使整個拐杖更加穩定。

▲圖1 樓梯平地兩用折疊拐杖結構

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構相連接,以此來拉動折疊機構的連桿,實現對拐杖兩種狀態的控制。扶手下方設置兩個卡槽,在折疊狀態時,手柄滑動到滑動槽的最底端。展開時,操作手柄滑動到最上端。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更安全可靠,設計了一個插銷。在折疊狀態時,插銷插入拐杖上半部末端的銷孔中,提高拐杖的穩定性。插銷拔出后,滑動操作手柄即可實現折疊機構的展開。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

在拐杖連桿組機構中,活動構件數為五個,包含七個低副,所以機構的自由度為1,連桿組機構有確定的運動[3]。

使用者滑動操作手柄,帶動構件1向上滑動,通過構件1帶動連桿2及連桿5向上,拐杖折疊機構展開。在拐杖折疊機構展開后,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三角形結構。由于三角形結構的穩定性,拐杖具有良好的負載承受能力。

考慮到一般居民樓臺階高度,當拐杖折疊機構展開時,拐杖上、下部分末端距離為201.24 mm,橫向距離為175 mm?；谌切谓Y構特點,兩滑塊間距離為98 mm。拐杖展開結構尺寸如圖5所示。

▲圖5 拐杖展開結構尺寸

4 關節軸強度與剛度校核

基于理論力學及材料力學知識,對樓梯平地兩用折疊拐杖各個連桿之間的關節軸列平衡方程,進行強度與剛度校核[4-5]。拐杖關節軸分布如圖6所示,拐杖整體受力分析如圖7所示。

▲圖6 拐杖關節軸分布

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

對拐杖進行受力分析,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)為拐杖關于E點的扭矩。

185Fsin53°+(455+300)Fsin53°+

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

(6)

∑M(A)=0

(7)

式中:M(A)為拐杖關于點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

拐杖折疊機構展開時受力分析如圖8所示。

對拐杖進行受力分析,有:

Fsin53°+F1sin60°+F2-F3sin60°-FN1X=0

(9)

式中:F1為連桿5對拐杖上半部分的力;F2為連桿4對拐杖上半部分的力;F3為連桿2對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

對受力最大的關節軸1進行受力分析,如圖9所示,關節軸1長度l為20 mm,直徑d為8 mm,材料為40CrNiMoA,許用應力為291 MPa。

▲圖8 拐杖折疊機構展開時受力分析

▲圖9 關節軸1受力分析

圖9中,F1P為關節軸1在P點受到的力,M1為F1P對S點的扭矩,F1Q為關節軸1在Q點受到的力,F1S為關節軸1在S點受到的力。

對關節軸1進行受力分析,有:

F1S=F1=887.1 N

∑F(Y)=0

(12)

F1P+F1Q-F1S=0

(13)

∑M(S)=0

(14)

式中:∑M(S)為拐杖關于S點的扭矩。

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Wz為:

Wz=πd3/32=50.265 mm3

關節軸1最大應力σmax為:

σmax=M1/Wz=88.3 MPa

可見,關節軸1滿足強度要求。

同理可得關節軸2、關節軸3、關節軸4、關節軸5均滿足強度要求,故拐杖滿足強度要求[6]。

通過對拐杖關節軸的強度計算及校核,結合實際分析,確認筆者設計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,能夠平穩完成連桿折疊、展開,以及拐杖下部分的上下移動等動作。

市面上現有的輔助老年人行走的裝置[7-10],往往存在價格昂貴或穩定性不足等方面的缺陷。筆者設計的樓梯平地兩用折疊拐杖結構簡單,成本低廉,能夠較好地彌補以上不足。

5 結束語

筆者設計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、穩定性和老年人使用時的安全性等問題,確認拐杖滿足使用要求。