徐春波 閆龍 王寶運(yùn)

摘 要：當(dāng)下手杖的可利用性并不高，因此該文設(shè)計(jì)了一款使用簡(jiǎn)便的手杖。通過調(diào)查分析，該文設(shè)計(jì)了基于雙軌式的電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和鎖扣結(jié)構(gòu)。為了讓使用者更加舒適便捷，該設(shè)計(jì)應(yīng)用了人因工程的設(shè)計(jì)思路，根據(jù)GB/T 10000—1988國家標(biāo)準(zhǔn)確定了拐杖伸縮的長度和手柄的形狀。該次設(shè)計(jì)改進(jìn)了傳統(tǒng)的手杖，使其伸縮部分更方便、高效，握持舒適，便于操控。

關(guān)鍵詞：人因工程；電磁傳導(dǎo)；手杖

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)以及生活水平的提高，傳統(tǒng)的木制拐杖正在逐漸被淘汰。通過對(duì)盲人群體的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，近些年來流行的機(jī)械伸縮拐杖，雖然彌補(bǔ)了傳統(tǒng)拐杖不可伸縮的不足，但是仍然存在穩(wěn)定性差、操作復(fù)雜等諸多問題。為了彌補(bǔ)機(jī)械伸縮拐杖的不足，滿足人們的生活需求，我們團(tuán)隊(duì)利用電磁驅(qū)動(dòng)原理，綜合結(jié)合人因工程學(xué)，人體力學(xué)，電磁學(xué)等多個(gè)學(xué)科，從安全舒適的角度出發(fā)，對(duì)盲人手杖進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，設(shè)計(jì)研發(fā)了基于電磁驅(qū)動(dòng)和人因工程的智能伸縮拐杖。

1 研究思路

我們團(tuán)隊(duì)利用人因工程學(xué)和電磁動(dòng)力學(xué)對(duì)拐杖外形以及伸縮裝置進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，根據(jù)GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)》以及成年人的站姿、步頻和盲人的走路習(xí)慣等對(duì)拐杖主體結(jié)構(gòu)尺寸、重量、材質(zhì)等進(jìn)行了最優(yōu)設(shè)計(jì)；另外根據(jù)GB/T 16252—1996《成年人手部號(hào)型標(biāo)準(zhǔn)》以及人的正常習(xí)慣性握姿，對(duì)拐杖手柄部分進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。我們將拐杖設(shè)計(jì)劃分為2個(gè)方面，分別是拐杖主體伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和手柄的人因工程設(shè)計(jì)。

我們團(tuán)隊(duì)運(yùn)用電磁動(dòng)力學(xué)原理對(duì)手杖的伸縮結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，使手杖能夠借助電磁力進(jìn)行伸縮。手杖伸縮結(jié)構(gòu)主要由2個(gè)部分組成，分別為外部的2根導(dǎo)軌和內(nèi)部的伸縮內(nèi)桿，電磁作用原理是對(duì)一側(cè)的導(dǎo)軌進(jìn)行通電，然后通過伸縮內(nèi)桿的導(dǎo)電作用，將電流傳導(dǎo)到另一側(cè)的導(dǎo)軌，形成垂直向內(nèi)的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)力轉(zhuǎn)化為對(duì)伸縮內(nèi)桿的推力，完成伸縮桿的伸縮。

通過查詢《中國標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫》確定了手杖外觀設(shè)計(jì)方面所需的主要參數(shù)，再依據(jù)人因工程學(xué)，對(duì)手杖單元進(jìn)行細(xì)化，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比論證，最終對(duì)手杖外觀以及手柄外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在整個(gè)研究過程中，我們主要分為2個(gè)階段來進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

1.1 前期設(shè)計(jì)階段

我們通過查閱大量的數(shù)據(jù)資料，閱讀大量相關(guān)文獻(xiàn)，以及通過調(diào)查走訪，綜合分析了其生產(chǎn)制造的可行性，材質(zhì)以及成本方面的可能性，市場(chǎng)需求性和市場(chǎng)前景。普通手杖沒有考慮不同身高人群的需求差異性，也沒有考慮不同重量材質(zhì)對(duì)不同人群的影響度，我們根據(jù)調(diào)研結(jié)果對(duì)不同身高人群的最佳舒適長度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)計(jì)算，最終得出拐杖伸縮長度的最佳范圍。

1.2 功能實(shí)現(xiàn)階段

通過走訪調(diào)查，并對(duì)取得的使用數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，運(yùn)用人因工程學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范，總結(jié)出傳統(tǒng)手杖的利弊，對(duì)傳統(tǒng)手杖的不足之處進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。完成初步設(shè)計(jì)后運(yùn)用3ds MAX構(gòu)建空間幾何模型，對(duì)手杖的尺寸，伸縮距等進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸，并制造產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)用性驗(yàn)證，不斷改進(jìn)。

2 手杖整體設(shè)計(jì)分析

該文主要從5個(gè)方面對(duì)手杖的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。分別是手杖尺寸設(shè)計(jì)分析、電磁驅(qū)動(dòng)模塊原理分析、電磁驅(qū)動(dòng)模塊動(dòng)力分析、鎖扣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理分析和基于人因工程的手柄部分設(shè)計(jì)。下面我們圍繞這5個(gè)方面依次展開進(jìn)行分析。

2.1 手杖尺寸設(shè)計(jì)分析

手杖的尺寸一般是指手杖的整體尺寸和伸縮尺寸。手柄整體尺寸應(yīng)比人體站立時(shí)手掌離地距離略長，使盲人在使用手杖時(shí)用最小的力便能達(dá)到最佳的握持效果。該產(chǎn)品的目標(biāo)人群為成年盲人群體，通過查閱國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10000-1988《中國成年人人體尺寸》設(shè)計(jì)手杖尺寸。

參考我國 18～60 歲成年男性第95 百分位數(shù)身高及臂長數(shù)值（見表1）和 18～55 歲成年女性第95 百分位數(shù)身高及臂長數(shù)值（見表2），并增加適當(dāng)?shù)闹b修正量和心理修正量，將手杖長度伸長狀態(tài)下初始數(shù)值定為 840 mm～1 000 mm。

2.2 電磁驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)原理分析

圖1為一個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)模塊，由A1、A2、B1、A4這4個(gè)部分組成。其中A1、A4分別為正極導(dǎo)軌與負(fù)極導(dǎo)軌，A2為電樞（內(nèi)桿），B1為導(dǎo)軌。

圖2為電磁驅(qū)動(dòng)原理的示意圖，電磁驅(qū)動(dòng)的工作原理主要是當(dāng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)工作時(shí)，正負(fù)極導(dǎo)軌向相反方向通電，形成磁場(chǎng)，然后電樞通電，形成電樞磁場(chǎng)，磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)推力，推動(dòng)電樞（內(nèi)桿）前進(jìn)。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)與精確計(jì)算，確定在電樞（內(nèi)桿）運(yùn)行到來前0.35 s內(nèi)讓正負(fù)導(dǎo)軌充電，而在電樞（內(nèi)桿）經(jīng)過后0.2 s之內(nèi)停止送電并將電能輸送到下一個(gè)模塊的效率最高。每次伸縮僅需工作3 s～5 s。

2.3 電磁驅(qū)動(dòng)模塊動(dòng)力分析

2.4 鎖扣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理分析

圖3為一個(gè)鎖扣模塊，目的是為了固定伸縮桿，確保拐杖的最佳長度，由A3、B1、B2這3個(gè)部分組成。其中A3、B2分別為外壁鎖扣內(nèi)孔與導(dǎo)軌鎖扣內(nèi)桿，B1為導(dǎo)軌（內(nèi)桿）。鎖扣結(jié)構(gòu)工作原理為伸縮桿工作時(shí)，B2回縮，退出A3，內(nèi)桿在電磁推動(dòng)作用下進(jìn)行伸縮，當(dāng)長度最佳時(shí)，B2伸出，卡入A3，長度固定。

2.5 基于人因工程的手柄部分設(shè)計(jì)

如圖4所示為我們團(tuán)隊(duì)基于人因工程進(jìn)行的拐杖手柄部分設(shè)計(jì)模型。為了最大限度地降低手柄對(duì)手掌掌心的壓力，手柄曲面應(yīng)盡量貼合掌心曲面。在逆向工程軟件中可以進(jìn)行點(diǎn)云偏差分析。最大偏差值為2.025 mm，該極值點(diǎn)存在于手掌肌肉、掌紋的溝壑處。結(jié)合彩色矢量圖，可知曲面大部分曲面與手掌偏差值約為±0.6 mm。點(diǎn)云偏差分析中，偏差平均值為0.71 mm。因此手柄曲面基本符合手掌曲面變化。A5契合人手握持時(shí)的手掌弧度貼合掌心曲面，A6、A7、A8為控制按鈕，依據(jù)不同功能設(shè)計(jì)成不同形狀大小按鈕，有助于辨識(shí)。

3 結(jié)語

該文運(yùn)用人因工程知識(shí)與電磁驅(qū)動(dòng)原理，設(shè)計(jì)制作的新型電磁伸縮手杖，彌補(bǔ)了以往手杖的缺點(diǎn)，該次設(shè)計(jì)重在伸縮部分以及手柄部分的設(shè)計(jì)，使伸縮部分更智能，更高效，外形更加美觀。使手柄握持體驗(yàn)感更強(qiáng)、更舒適、更便于握持操控。

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