机械创新设计-多功能拐杖

第一篇：机械创新设计-多功能拐杖

机械创新设计

多 功 能 拐 杖

学生姓名：

学

号： 专业班级：

2014年 12 月 7 日

多功能拐杖

摘要： 鉴于我国人口渐趋老龄化，老年人口的健康和生活质量，已经成为社会各界的广泛关注焦点，作为老年人口广泛使用的一种工具，拐杖的设计衍生出许多新的研究课题。本文将从拐杖的发展现状、新型多功能拐杖的设计及原理、产品的发展前景等方面介绍此款智能拐杖。

关键词：拐杖、多功能、老年人、智能

一、产品背景及发展现状

根据美国普查的研究，世界性的人口老龄化是“历史上未曾出现的社会现象”。从根本上讲，这种人口转变是医疗进步、教育水平明显提高和经济发展的直接成就，因此，人们可以把这一现象当作历史进步来庆祝。但与此同时，老年人的健康保障以及生活起居问题也随之而来，老年人口的增多势必引发社会对老年人健康、安全的高度重视。人进入衰老阶段后，器官生理功能逐渐减退，机体代谢变得缓慢，免疫机能下降，应急能力日渐减弱，极易发生摔跤的事故，轻者疼痛不已，重则骨折，甚至有时会有丧命的危险。因此拐杖应运而生，拐棍能帮助老人站立，拐棍能作为助步器帮助老人行走，拐棍还能作为有视力障碍的老人的眼睛为他们的日常生活保驾护航。作为老年人广泛使用的一种工具，拐杖的设计由此衍生出许多新的研究课题。

老年人需要锻炼与出行。但是由于疾病的侵扰，体能的下降，“行路难”问题不可避免地成为困扰着老人们的一个难题。调查显示，80%的老人不愿意在没有人搀扶的情况下独自出门。我们从这种问题上展开思考，设计了一款智能手杖，保障老年人出行的安全和锻炼的需要。

现在市场上的手杖品牌混杂，质量参差不齐，功能单一，只能单单起到支撑作用，并不能充分满足老年人生理要求。有不少老年人的手杖是不理想的，一根合适的手杖对老年人的安全十分重要。根据老年人的需求和消费特点，我们可以设计一款集多种功能于一体的手杖，来满足老年人的出行需求，锻炼需求，安全需求，使他们的生活更加便利，更加舒适。

二、设计方案

市面上拐杖的缺点：单一的高度，没有升降功能；定位麻烦；携带不便；材料偏重。

改造拐杖的特点： 1.高度可随心调节 2.定位方便 3.携带方便 4.采用工程塑料

此款新型拐杖，主要包括把手部分、主体部分。

其中把手部分包括由壳体、前盖、后盖组成的手柄；主体部分包括既可拆卸又可旋转伸缩的主体杆、连接管；手柄内部中空形成空腔，利用这个空腔，可完成诸多功能的压缩设计，主体杆通过连接件与连接管活动相连，连接管固定在手柄的外侧面。

这种设计的优点在于：拐杖主体杆可伸缩，也可拆卸并内置一些其它物件，节约空间，储藏和携带方便。

三、设计原理

此款新型拐杖的设计引用TRIZ创造原理。TRIZ创造原理的核心内容是技术系统进化原理和技术冲突解决原理。首先，无论是一个简单产品还是复杂的技术系统，其核心技术的发展都是遵循着客观的规律发展演变的，即具有客观的进化规律和模式。其次，各种技术难题、冲突和矛盾的不断解决是推动这种进化过程的动力。拐杖的设计多次援用了TRIZ理论的几种发明创造原理，归纳如下：

1.文中的此款新型拐杖利用分割原理，将拐杖分割为手柄和柱体，手柄和柱体有各自分为几个部分。

2.利用组合原理，把LED灯组与GPS、收音机、移动通讯以及其它适用设备组合在把手处。

3.利用多用性原理，拐杖原本的支持作用变为具有照明功能、导航功能等多功能集合的一体。

4.拐杖的收缩性运用了嵌套理论。

5.手柄的把手圆润适手的设计运用了去棉花原理。6.复合材料原理的运用，使拐杖整体的重量减轻许多。

四、功能结构

1.电筒式手柄

在拐杖一个端面处内置一个小型LED灯头，旋转外露头部可控制手电筒的亮灭。安装在手柄上的手电筒，使手杖具备了照明功能，不必再额外备用照明设备，方便老年人在光线暗的地方以及夜间出行的时候使用。

2.GPS导航与定位

手柄内置GPS导航，当老年人在户外迷路或者要找近道回家时，利用GPS的导航功能即可实现自动导航并带有语音播报功能，即使无法自己回家，只要按一下GPS功能键，就能够把老人的当前地址发送给家人。

3.通讯功能

手柄内置通讯器材，在把手处设置几个快捷按键，各个按键指定系统给不同的号码拨号，只要按下按键，就可以与对应的人进行通话。另外，设有急救按键，当老人感觉到身体异常时可立即按下此键，附近医院就能收到求救信号，并能及时施救。

4.收音机

当老人在户外散步时可打开安装在手柄里的收音机，收听广播，解除老人的孤单寂寞、了解社会新闻、生活琐事。完全把自己融入正常人的生活之中。只需要按一下放行按钮，开启收音功能，旋转调频圈，转到恰当的频率上收听信息。偶尔几位老人坐在一起听一出黄梅戏，裳一段书评，忆一段小曲，闲暇之余，不缺玩乐。这一功能对老人来说也是一大好处。

5.红外感应

LED灯头上方设有一个红外传感器，当遇到前方有障碍物时，拐杖内的传感器可感应到然后引发报警装置报警，这样可以避免老年人因视线不好带来的危险。

6.报警功能

当老人不慎摔倒时，拐杖倾斜达到一定时间，报警器启动，并发出报警声，提醒家人及周边人发现老人情况，并及时救助，使老人在第一时间得到救护，防止造成危险。若达到一个小时无人受理，拐杖将自动触发通讯讲危险信号发送至就近医院。当老人要把拐杖放在一边时，为了避免不需要的报警，可手动关闭报警功能，当拐杖重新被拿起，水平仪被改变，报警系统自动复位，进入工作状态。

7.减震机构

减震机构包括减震触头和弹簧，其主体采用钢材料，减震触头采用橡胶材料制作。在手杖触头与支撑杆连接的部位安装弹簧的人性化设计使手杖在使用时拥有了减震功能，使人们在使用手杖时感觉更加舒适。

8.拐杖垫

拐杖垫的加入，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，避免了滑脱现象的发生，为残疾人和下肢骨折病人带来了方便和安全感，更重要的是当拐杖倒地的时候，老人只要用脚尖轻踩一下防滑垫的边缘即可轻易的让拐杖重新回到手中。避免了因为弯腰捡拐杖而造成对老人腰部的损害。另外，有了这个拐杖垫就不用为没地方挂而心烦了，拐杖可以随意放在地上而不会倒下。

9.钓鱼功能

说起钓鱼，必然会联想到老者垂钓于池边的闲适画面，对老年人群来说，垂钓是一个不可少的休闲方式。此拐杖的杖体中空设计就能很好的解决这个问题，只要将拐杖底端杖体拆下，就可以拿出放在里面的鱼竿，只要愿意，就可以拿出鱼竿钓一下午。有了这样的设计，老年人就不愁没有什么打发时间了。

五、关键技术

1.手柄处的设计

拐杖针对的使用者主要是老年人和一些身体有疾病的人群，所以对手柄处的设计就有着非常严格的要求，手柄主要注重的功效是握手的舒适度和保健的功能。海南黄花梨木，木质地细腻，润泽，纹路绚丽，整体线条优美，荧光好，手感舒服，再加上手柄是雕刻龙头状，寓意长命百岁，同时显得富丽堂皇。紫檀优点有：颜色较深，多体现出古香古色的风格木质较重，给人感觉质量不错一般木材本身都有自身所散发出的香味，尤其是檀木材质较硬，强度高，耐磨，耐久性好。

2.拐杖垫的设计 帮助人行走的拐杖与地面接触的部件称为支脚垫。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，支脚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，致使支脚垫寿命短易损坏。

在对拐杖支脚垫结构检验、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，所以就能个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。更重要的是当拐杖倒地的时候，只要用脚尖轻踩一下防滑垫的边缘即可轻易的让拐杖重新回到手中。有很多的老年人都有风湿和腰椎盘突出登一系列的疾病，有了这样一款拐杖垫，就可以大大减小这个动作的难度。另外有了这个拐杖垫你就不要为了在一些公共场所应没地方放置自己的拐杖而心烦了。可以随便放置拐杖，它不再会像以前一样稍不注意就倒在地上了。

3.拐杖的收缩功能

这项功能的设计对于老年人来讲，可以说是一个莫大的福音。拐杖可以伸缩，当他们上车或者坐下时来讲就可以通过旋转控制把拐杖旋进去，当他们站起来时，再把拐杖旋出来，非常的轻松，可以讲是十分方便。有许多老人喜欢经常去郊外散心，呼吸新鲜空气之类的，在那时他们有可能不想拄拐杖，这时就可以把拐杖收缩起来放进包里，既简单又轻便。

六、材料

拐杖的手柄部分是海南黄花梨（老料）中最好的油梨老料随型雕刻而成，质地细腻，润泽，纹路绚丽，整体线条优美，荧光好，手感舒服。配合现代化的电子设施嵌入其中，使得古典美与现代工艺完美融于一体。

拐杖的杖体对制作的要求较高，由于杖体中空，所以坚固性是基本要求，要保持拐杖不会轻易折断，另外，考虑到老年人自身的弱势，要求拐杖的重量不得过大。出于以上因素，铝合金是一种合适的材料。

七、示意图

总体装配图

把手及细节

杖体

杖体处转接环

八、应用前景

随着我国社会经济的发展和人民生活水平的提高，养老保障体系的建立和完善，对老年用品的需求有了更高的要求。研制和开发适合老年人特点、且功能合理、品质优良的产品已经成为企业市场竞争中寻求发展的良机。

随着老年文化教育水平的提高，特别是以城市为主的老年市场消费潜力正逐年上升，老年人在消费观念上的转变也越来越快，现在越来越多的老年人愿意为自己的健康和娱乐支出更多的花费。这在一定程度上提高了老年人口消费市场的购买水平。与人口老化的速度相比，老年产品的发展还远远滞后在现有的老年人用品市场中，老年用品单调，品种稀少，多以保健和医疗产品为主，针对老年人设计的娱乐、旅游、文化教育、通信、交通、园艺、公共设施等产品是少之又少。

老年人需要的独特商品短缺，老年人购买商品时得不到应有的尊重和热情的服务。老年人由于体力衰退，生理功能的老化降低了他们行动与独立生活的能力，因而设计的重点一般都放在对老人的保健和医疗设施方面。

人口老龄化是世界性的人口发展趋势，我国是人口老龄化发展速度比较快的国家之一，老年人口众多。老年人的生活质量是衡量社会发展协调性的一个重要指标，如何满足老年人的各项需求成为社会的热点问题。近五年来，随着我国居民收入水平增加，老年人的消费观念也有了很大改变，由过去的舍不得消费到现在的花钱买健康、花钱买快乐。消费观念的改变给老年产业发展提供了机遇，准确的市场调研和开发符合老年人需求的优质产品成为关键，智能手杖的推出迎合了社会的需要。

智能手杖具有支撑，照明，收音机，药瓶，报警等多种功能，能同时满足老年人锻炼，安全，娱乐多方面的需求。此外，它还具有个性化定制的服务。拥有如此众多的优势，这种新型的智能的多功能拐杖必将成为老年人的福音。其潜在的市场价值与开发价值不可忽视。

九、心得体会

本文通过对拐杖的探究，研究了产品人性化设计的重要意义，通过分析进一步论证了人性化思想在当今产品上的应用十分广泛。由此可知设计师在进行产品设计时要以人为本，充分考虑人性化设计形式的各种因素的应用，采用合适的表达方式，对产品进行人性化设计，将人性化的设计理念贯彻整个产品设计中。

从当前我国老龄化现状入手，对老年人进行了需求分析，提出智能手杖的创意构思。然后从多方面对产品开发的可行性进行论证，最后提出了可行产品设计方案。相信在不久的未来，老年智能手杖将成为老年用品市场中的一道亮丽风景，成为老年人不可或缺的贴心伴侣。

在设计这款多功能拐杖的过程中，让我深刻认识到TRIZ创造理论的重要性与实用性，同时也让我意识到，实践是提高对专业知识的掌握以及运用最有效的方法。在今后的工作中，或许还会遇到这样的设计问题，此次关于智能拐杖的设计，将是今后设计的一次提前演练。

第二篇：机械创新设计专利申请书—学院派多功能调解桌

实用新型名称：多功能调解桌

摘要

本实用新型涉及一种民用家具产品，特别是一种组合式的桌子。底座上固装两下伸缩管，上伸缩管插在其内，并用螺母锁住，上伸缩管的上端铰接在支承架上，其上装配有框架，框架的两侧通过合页连接有上开的大桌面、小桌面。使之既能作学习桌，又能作制图桌、办公、吃饭用桌，达到多功能的使用目的。

权利要求书

1、多功能调解桌，由大。小桌面（1）（2），桌箱（7），弧形槽铁（8）上下伸缩管（9）（11）及底座（13）所组成，其特征在于底座（13）所组成，其特征在于底座上固装两下伸缩管（11）上伸缩管插在其内，并用螺母（10）锁住，上伸缩管的上端铰接在支承架（15）上，其上装配有框架（4）框架（1）的两侧通过合页（3）连接有上开的大桌

2、面（1），小桌面（2）。

如专利要求1所述的多功能调解桌，其特征于所述支撑架（15）上固装着弧形槽铁（8）该槽铁的下端沟槽内串有固定在上伸缩管上的锁紧轴（14），桌箱（7）连接在框架（4）的下部，大小桌面的旁侧还设有锁具（5）（6）。

说明书

多功能调解桌

本实用新型涉及一种民用家具产品，特别是一种组合式的桌子。

当前民用桌椅的生产，已从常规的普通形式向高档，专用及多功能方向发展，特别是多功能高质量的桌椅，普遍受到市场的欢迎。目前已有可伸缩调整高低的桌子，用来解决不同年龄儿童或不同身高学生的使用，实践证明，对青少年的生长发育，防止驼背，近视，具有一定积极意义的。但这种桌子仅能用在家庭或学校使用，有其一定的使用局限性。

本实用新型的目的在于提供一种由两伸缩管作柱脚支承的高度可调桌子，同时在桌面两侧设有弧形槽铁，用来调整桌面的倾斜角度，桌子下还设有桌箱，使之既能作学习桌，又能作制图桌、办公、吃饭用桌，达到多功能的使用目的。本实用创新的目的是通过以下措施来实现的。

多功能调解桌，由大，小桌面，桌箱，弧形槽铁，上下伸缩管及底座所组成，底座上固装两下伸缩管，上伸缩管插在其内，并用螺母锁住，上伸缩管的上端铰接在支承架上，其上装配有框架框架的两侧通过合页连接有上开的大桌面，小桌面。支撑架上固装着弧形槽铁，该槽铁的下端沟槽内串有固定在上伸缩管的锁紧轴，桌箱连接在框架的下部，大小桌面的旁侧还设有锁具。本实用新型的优点与效果是：

1、高低可调的伸缩管结构，比较简单易调整，特别能满足不同身高的使用者的要求。

2、桌面两侧设置的弧形槽铁，可使桌面旋转一定的角度，这样更有利于写字，特别是作为制图用桌更合适。

3、桌箱采用塑料成型整体装配结构，桌面开有大小梁桌面对开式，这样使整体结构更为简单，使用也更为方便，用时使成本降低，利于普及。附图说明

图1 为本实用新型整体结构主视图 图2 为本实用新型整体结构左视图

下面将结合附图，对实用新型具体实施例作一详细的描述。

本实用新型的桌面采取大小桌面1.、2上开式，这样可根据取出物件的大小而灵活开启，在桌面的旁侧底部与框架4相连有合页3，框架4可采用木质材料，直接固定在金属支撑架1 5上，金属支撑架15呈槽钢型，槽内经螺钉固装着上伸缩管9的上端，弧形槽铁8一端紧固在支承架15上，另一端长形孔内串有锁紧轴15，通过调整锁紧轴14在长孔内位置使桌面绕旋转轴16转动，来调整桌面的倾斜角度，使用时只需紧固锁紧轴14上的螺母即可。在桌面的底测还装配两锁具5、6，可在锁具上挂弹簧锁，将桌面与框架4锁死，使桌箱7内的东西不会丢失，上伸缩管9插在下管11内，并通过管端的开口锥，由螺母10将上伸缩管9挤住。为保证桌面的整体刚性，在两桌腿，既下管11的下部还连接有一横筋12，下管11通过螺栓紧固在底座13上，该底座13可由金属加工成，也可由水泥灌注成型，可制成一个底座将两下管一并紧固在一个底座上，也可制成两个底座，将两下管各连接在一个底座上。

第三篇：机械创新设计.

机械创新设计实训设计说明书

小广告清除专用工具

实训班级： 组长姓名： 组员姓名： 组员姓名： 组员姓名： 组员姓名： 组员姓名： 组员姓名： 组员姓名：

学号： 学号： 学号： 学号： 学号： 学号： 学号： 学号：

目录

摘要..................................................................................................................................................3 1 课题背景及意义...........................................................................................................................3

1.1 课题背景............................................................................................................................3 1.2 创新设计意义....................................................................................................................3 2 设计条件与要求...........................................................................................................................3

2.1..............................................................................................................................................3 2.2..............................................................................................................................................3 2.3..............................................................................................................................................3 3 方案选择.......................................................................................................................................4

3.1..............................................................................................................................................4 3.2..............................................................................................................................................4 3.3..............................................................................................................................................4 4 结构设计.......................................................................................................................................4

4.1..............................................................................................................................................4 4.2..............................................................................................................................................4 5 分析计算.......................................................................................................................................4

5.1..............................................................................................................................................4 5.2..............................................................................................................................................5 6 创新点及应用...............................................................................................................................5

6.1..............................................................................................................................................5 6.2..............................................................................................................................................5 6.3..............................................................................................................................................5 7 总结..............................................................................................................................................5

7.1..............................................................................................................................................5 7.2..............................................................................................................................................5 8 参考文献.......................................................................................................................................5

摘要 课题背景及意义

1.1 课题背景

1.2 创新设计意义 设计条件与要求

2.1

2.2

2.3 方案选择

3.1

3.2

3.3 结构设计

4.1

4.2 分析计算

5.1 理论分析与计算

5.2 工作原理 创新点及应用

6.1

6.2

6.3 总结

7.1

7.2 参考文献

附图： 附图一 附图二 …… 附图N

第四篇：机械创新设计

机械创新设计中的机构创新设计

摘要

机械创新设计是指规划构思出新颖有价值的机械产品的活动过程，而机构创新是机械创新设计的一个重要方面。本文首先简述了机械创新设计的内涵，随后针对机构创新方面进行了举例说明，最后以折叠式担架车为实例对机构创新在机械设计创新中的应用进行了简要介绍。关键词

机械 创新 设计 机构 再生 原理

一、机械创新设计概述

1、引言

机械设计是指根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。一般来说，机械设计分为以下几步：第一步就是敢发现问题，感悟需求；第二步是弄清问题的本质；第三步是寻求问题的科学原理解，解决问题都是要遵循科学原理或利用科学规律、现象；第四步是选定科学原理解，规划工艺动作，规划功能；第五步是机械系统的构思，尺度综合；第六步是机械系统的评价选优；第七步是对被选定机械系统作结构设计；第八步是造型包装设计。

创新是以新思维、新发明和新描述为特征的一种概念化过程。起源于拉丁语，它原意有三层含义，第一，更新；第二，创造新的东西；第三，改变。创新是人类特有的认识能力和实践能力，是人类主观能动性的高级表现形式，是推动民族进步和社会发展的不竭动力。

机械创新设计是充分发挥设计者的创造力和智慧，利用人类已有的相关科学理论、方法和原理，进行新的构思，设计出新颖、有刨造性及实用性的机构和机械产品[1]。

2、机械创新设计的内涵

狭义的机械创新设计是指规划构思出新颖有价值的机械产品的活动过程，它的标志是设计产品具有新颖性。广义的机械创新设计应该包括设计思想方法、手段的创新。一般情况下，机械创新设计被理解为狭义的。

从机械的定义、机械设计过程看机械创新设计的内涵主要在以下几方面[2]： 1)产品功能的创新设计。包括满足人类需求的全新功能的产品和增加新功能的产品的创造。

2)完成产品功能的新的科学原理的运用。

3)实现工艺动作的新规划，用工艺动作完成产品功能是机械产品的重要特征。4)机械系统的创新组合。

5)机构创新，包括基本机构的演变创新和机构的组合创新。

6)结构创新。机器由具体的功能结构结合而成，结构元素的变化构成机械创新设计最为具体的部分。

7)检测控制系统创新。8)产品造形创新。

机械创新设计的实质内容是“新”字，构成一个机械产品的某一部分相对于旧有产品而言，具有新颖价值，其设计过程中就进行了创新设计。机械创新设计只是机械设计过程中，对产品规划构思的某些部分作了新颖有价值的设计。机械创新设计只是机械设计中的一个环节，前者不能取代后者。

本文将针对机构创新这一点，阐述机构学相关理论在机械创新设计方面的应用。

二、机械创新设计中的机构创新

1、新机构的创新设计

任何一个设计，其首要工作应明确设计目的和设计任务以及设计出机构应实现的功能。机械系统的功能分析是机构创新设计中非常重要的环节，是后续设计的基础。最基本的功能分析是确定输入、输出运动形式和相关约束条件，从而总结出为实现所需功能所需的机构自由度、各类型构件数目、机构中各类运动副的分配情况等[3]。在进行机械装置的功能分析之后，可根据现有的单铰运动链图谱找出满足机构自由度要求和基本功能要求的单铰运动链，且这些仅含连杆与转动副的所有单铰运动链原型可作为下一步创新综合的基础。

例如，要求设计一个能较精确地实现预期运动规律(将转动变换为移动)的传动系统——凸轮控制机构。则可确定凸轮为原动件，滑块为输出构件，该凸轮要求恒速转动，以驱动滑块沿固定导轨移动。而滑块要按规定的行程作往复运动。按以上要求分析，机构的自由度为l，应选择F=l的运动链，而满足需求的最简单运动链为平面四杆链。由于机构中存在凸轮高副，且输出为移动副，则应对四杆机构进行运动副的替代，不难发现替代后运动链为1R1P1Z[4]形式(R为转动副、P为移动副、Z为凸轮高副)。同时可明确输入运动为转动，构件1为驱动件(即为凸轮)，输出运动为移动，构件3为输出件(滑块)，构件2为相对固定的机架，从而得到其机构简图如图2-1所示。滚子4并非运动链中的构件，在此只是起到减少凸轮副磨擦损耗的作用。

图2-1平面四杆运动链替代后的机构

若要满足力或运动的扩大功能，则可分别选择瓦特链与斯蒂芬森链为原型的六杆运动链并使机构中同时存在凸轮高副和齿轮高副。先来讨论瓦特链的形式，如图2-2所示。根据运动副替代方法，可将瓦特链中的构件2与转动副B和C替代为凸轮副HS，构件l则为凸轮；构件4与转动副E和G替代为齿轮副HS，构件3为齿轮，构件5为齿条也即是滑块。接下来确定出三元素杆6为机架，即可设计出机构运动简图，如图2-3所示。图中l为主动凸轮，通过主动凸轮带动齿轮3摆动，再通过齿轮齿条的啮合，实现滑块5的往复移动输出，达到预期功能。

图2-2 替代后的瓦特链

图2-3 根据瓦特链创作的机构

再来看斯蒂芬森链，如图2-4所示。可将构件2和转动副B和C替代为凸轮副HS，构件1则为凸轮；构件5与转动副E和F替代为齿轮副HS，构件3为齿轮，构件6为齿条。此时三元素杆3既是与凸轮连接的从动杆，又是齿轮。三元素杆6则

既可能成为带固定齿条的机架(如图2-5a所示)，也可能成为与机架通过移动副连接的齿条滑块(如图2-5b所示)。从而可能得出两种不同结构的机构。

图2-4替代后的斯蒂芬森链

图2-5 根据斯蒂芬森链创新出的机构

图2-5a方案是以构件6为带固定齿条的机架，当输入转矩驱动凸轮1转动时，利用凸轮传动使齿轮3实现往复摆动，由于齿轮3与机架6所含齿条的啮合，齿轮3的中心相对于机架6成往复直线运动，再通过齿轮3与滑块4的铰接，最终形成滑块4相对于机架6的往复直线运动输出。图2-5b方案是以构件4为机架，通过凸轮驱动输入转动，再通过凸轮1将转动传递给齿轮3，齿轮3与滑块齿条6啮合，使滑块齿条6相对机架4作往复移动输出。在上述方案中为减少凸轮上的磨擦损耗均采用了滚子结构。

2、基于原机构的再生创新与综合

另一种基于现有装置的再生创新综合，其设计全过程可分如下5步：(1)明确所设计机器的功能要求，并作相关调研；(2)根据已有的机构将其转换成仅含构件和转动副的单铰运动链；(3)是根据原型单铰运动链的基本特性进行构型综合，即在机构自由度保持不变的情况下，根据需要可适当调整原机构杆件数，并对其各类运动链型综合而获得所有独立异构的运动链；(4)是根据设计的功能需求与约束条件，选取满足条件的运动链，并进行机构的演化与创新；(5)最后进行机构的结构化设计，得到机械装置的运动简图[5]。现以一个凸轮控制机构的创

新设计为例作简单讨论。

已知一凸轮控制机构使一个大质量M，按给定的行程D作往复运动，要求根据创新综合方法，提出其它设计方案，并要求比原机构能获得更大的机械效益。

首先应明确机构设计的基本功能是用机械效益大的凸轮控制机构去驱动连接点P，同时机构的自由度应为1。为简化问题，仅研究驱动点P之前的传动机构，它是F=1的凸轮摇杆机构，其对应运动链如图2-6所示。

图2-6 传动部分运动链图

接下来进行运动链的综合。因创新机构需要获得更大的机械效益，故应考虑增加机构杆件数。为保证自由度不变，最少应增加2个杆件，则得到新装置应为六杆运动链，它仅有2种独立异构型式，即瓦特链与斯蒂芬森链。以斯蒂芬森链为例，根据功能需求进行结构的演化。因该装置为凸轮控制机构，必然进行运动副的替代，即用一个凸轮副去替代运动链中的一个二元素杆与2个转动副，故得到演化后运动链，如图2-7所示，其中虚线表示的Hs即是凸轮副的替代部分[6]。

图2-7 斯蒂芬森链的代替

3、机构创新设计应用实例

折叠式担架车车能在急救中快速实现担架与担架车的转换，大大降低了急救时间。

图3-1 折叠式担架车的机构运动简图

如图3-1所示，台板承担病人，支杆和连杆通过若干个转动副与台板相连。该设备中应用了4个万向轮，同高度的4个为一组，展开时一组工作，折叠时另一组工作。连杆之间由转动副连接，该担架车由2套这种杆机构组合而成，其中左右对称的支杆－触板连杆－短连杆分别组成2套复合铰链。根据需要该车有2个工作状态：高位工作状态和低位工作状态。高位工作状态是该车作为担架车急救时推行所用；而低位工作状态则是该车作为担架或进入救护车时所用[7]。

当需要将担架车折叠或将其推上救护车时，只需要挨着锁死挂钩的急救人员将挂钩7旋转就可以打开，如图2所示。其后面的急救人员用力向前推，前面的支杆3’撞到车沿，向里面扣进来。由长连杆6’，短连杆5’和触板连杆4’组成的杆机构也就是E点向右上方移动，之后带动长连杆6’，在连杆6’的作用下，向右拉动支杆3，支杆3也随动向里面扣进去。随后由触板连杆4，短连杆5和长连杆6组成的杆机构，也就是B点向左上方移动，带动长连杆6，同时又给支杆3’ 一个向里面扣的力。这样就实现了自动平稳折叠的功能。在支杆全部收进去后，旋转挂钩，挂在车体的台板L点的柱销上，就实现了折叠时的锁死，其示意图如图3-2所示。

图3-2 折叠式担架车示意图

如果想要将担架车展开，只要将L点挂钩旋转，向外扳动一个触板连杆。例如扳动触板连杆4’，如图3-3所示，由连杆组成的转动副短连杆5’和触板连杆4’运动到一条直线上。连在E点的长连杆6’驱动支杆3展开。长连杆6也就是H点向右下方运动，同时驱动触板连杆4，短连杆5组成的转动副成一条直线，驱动支杆3展开，最后经长连杆之间它们相互作用成展开状态。展开后将挂钩挂在支杆的柱销上进行锁死。

图3-3 折叠式担架车的折叠状态

结论

进行机械创新设计要有两个必要条件：一是充分获取适用的知识；二是要使用符合创新设计思维并能激发创新思维的设计系统。运用机构学原理进行机械设计创新，首先要学习掌握相关的机构理论与已有的结构，才能在创新思维的指导下进行创新设计。参考文献

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第五篇：机械创新设计

《创新设计》单元测验1

一、单项选择题

1、齿轮轮齿的啮合所构成的运动副属于（）。(C)A、移动副 B、低副 C、高副 D、转动副

2、新产品设计开发的第一个阶段是（）。(B)A、研究设计阶段 B、调查决策确定阶段 C、样机试制阶段 D、方案设计阶段

3、机械零件由于某些原因不能（）时称为失效。(C)A、工作 B、连续工作 C、正常工作 D、负载工作

4、下面不属于机械零件的失效形式的是（）。(D)A、整体断裂 B、过大的残余变形 C、表面破坏 D、摩擦

5、下面不属于机械零件的设计准则的是（）。(A)A、美观准则 B、刚度准则 C、强度准则 D、可靠性准则

6、通常把机构解释为（）。(A)A、具有确定相对运动构件的组合B、具有确定相对运动元件的组合

C、具有确定相对运动机件的组合 D、具有确定相对运动零件的组合

7、在平面机构中，机构的原动件的自由度应为（）。(B)A、0 B、1 C、2 D、3

8、在平面机构中原动件数目（）机构的自由度时，该机构的运动将不完全确定。(C)A、大于 B、等于 C、小于 D、以上都不正确

9、平面机构具有确定运动的条件是（）。(B)A、机构的自由度大于零

B、机构的自由度等于原动件数

C、机构的自由度大于1 D、机构的自由度小于零

10、在一个零件的磨损过程中，代表使用寿命长短的是（）。(B)

11、国家知识创新体系包括（）。(D)

A、知识创新体系 B、技术创新体系 C、知识传播系统和知识应用系统 D、以上均是

12、目前世界上的发明专利（）掌握在发达国家手里。(A)A、90% B、80% C、70% D、60%

13、我国关键技术对外依存率达到（），与发达国家的差距还非常大。(B)A、40% B、50% C、60% D、70%

14、美国经济学家舒彼特在1912年出版的“经济发展理论”中提出创新的具体内容包括（）。(D)A、采用新技术 B、生产新产品 C、研制新材料和开辟新市场 D、以上均是

15、在国际竞争中，国防、工业、农业等领域内的竞争越来越表现魏科学技术能力和人才的竞争，特别是（）的竞争。(B)A、高技能型人才 B、创新型人才 C、高学历型人才 D、科技复合型人才

16、从创新的内容来看，一般把创新分为（）。(C)A、知识创新和技术创新两部分 B、知识创新和应用创新两部分 C、知识创新、技术创新和应用创新三部分 D、应用创新和技术创新两部分

17、知识创新又称为（）。(C)A、技术创新 B、应用创新 C、理论创新 D、文化创新

18、社会实践中，创新方式指（）。(D)

A、由无到有的创新 B、从由到新的创新 C、凭空创新 D、包括A和B项

19、自行车和缝纫机应属于（）。(A)A、机器 B、机构 C、通用零件 D、专用零件 20、一般的机械钟表应属于（）。(B)A、机器 B、机构 C、通用零件 D、专用零件

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21、（）可以用来代替人的劳动，完成有用的机械功或实现能量转换。(B)A、机构 B、机器 C、构件 D、零件

22、构件是机器中每一个独立（）的刚性单元体。(B)A、制造 B、运动 C、分析 D、设计

26两构件在未构成运动副之前，在空间中它们共有（）个相对自由度。(D)A、3 B、4 C、5 D、6

29、在平面机构中，如果引入一个平面低副（转动副和移动副），则提供（）个约束。(B)A、1 B、2 C、3 D、4 30、在平面机构中，如果引入一个平面高副，则提供（）个约束。(A)A、1 B、2 C、3 D、4

二、多项选择题

1、(ABCD)要进行机械创新首先应了解机械原理（）方面。

A、机构结构和运动分析基本知识 B、机器动力学

C、常用机构的分析与设计 D、机械系统的方案设计

2、机械原理研究的对象是（）。(AD)A、机构 B、构件 C、运动副 D、机器

3、机构结构分析的主要内容和目的是（）。(ABCD)A、研究机构的组成及机构运动简图的绘制

B、掌握机构具有确定运动的条件 C、研究机构的组成原理 D、研究机构的结构分类

4、关于运动副的解释下面的叙述正确的是（）。(ABC)A、运动副是一种连接

B、运动副由两个构件组成

C、组成运动副的两个构件之间有相对运动 D、运动副可以由一个构件组成

5、在绘制机构的运动简图的过程中，下面的叙述（）必须明确表示出来。(ABCD)A、构件的数目和长度

B、运动副的类型、数目和运动副之间的相对位置 C、机构的原动件 D、机构的机架

6、下面关于运动的分类，按照运动副接触部分的几何形状分类的有（）。(ABC)A、圆柱副 B、球面副 C、螺旋副 D、移动副

7、下面的机器是利用机械的振动来工作的有（）。(ABD)A、按摩机 B、振动台 C、发电机 D、振动运输机

8、对于静不平衡的转子，只需要（）就可以获得平衡。(AB)A、在同一个平面内增加一个平衡质量

B、在同一个平面内除去一个平衡质量

C、分别在两个平面内各增加一个平衡质量 D、分别在两个平面内各除去一个平衡质量

三、判断题

1、从运动学的角度看，机构与机器是相同的。（）(A)

3、各种机构都是用来传递与变换运动和力的可动装置（）。(A)

5、机构是把一个或多个构件的运动，变换成其他构件所需运动的确定运动构件系统（）。(A)

6、机器中独立运动的刚性单元体，称为零件（）。(B)

7、一个构件可以是不能拆开的单一整体，也可能是由若干不同零件组装起来的刚性体（）。(A)

8、虚约束对运动不起作用，也不能增加构件的刚性（）。(B)

9、若两个构件之间组成两个导路平行的移动副，在计算自由度时应算作两个移动副（）。(B)

11、当机构的自由度F>0，且等于原动件数，则该机构具有确定的相对运动（）。(A)

12、虚约束对机构的运动不起作用（）。(B)

14、机构的运动不确定，就是指机构不能具有相对运动（）。(B)

15、机构的运动简图是用来表示机构结构的简单图形（）。(B)

16、在绘制机构运动简图时，必须按比例绘制，否则，不能表明构件之间的相对运动关系（）。(A)

18、平面机构中如果有4个构件在同一处用铰链连接在一起，则它们构成了4个转动副（）。B

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19、平面机构中的虚约束，如果制造、安装精度不够时，会成为真约束（）。(B)

21、从机构组成看，机构可看作为构件与运动副的组合，也可以看作为原动件与机架和从动件的组合（）。(A)

22、只要两个以上的构件汇交在一起，并有回转副存在，就一定存在复合铰链（）。(B)

24、机构中有一个固定不动的构件称为机架，故机架相对于地面肯定是固定不动的()。(B)

25、构件是组成机构的基本要素之一，而运动副是机械原理中最重要的概念之一（）。(A)

26、从运动学的角度分析，任何机器都是由若干（两个以上）构件组合而成（）。(A)

27、构件通过运动副的连接而构成的可相对运动的系统称为运动链（）。(A)

29、同一机构因所取的原动件不同，有可能成为不同级别的机构，但当机构的原动件确定后，杆组的拆法和机构的级别就一定了（）。(A)30、当机械自锁时，机械已经不能运动，所以此时机械所能克服的生产阻抗力为小于等于零的值（第 ３ 页

共 3 页。(A)）