德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 張華東 王志坤 孫奇勇 葛興宴 陳亞峰 楊銳

1 研制背景

目前，我國人口老齡化越來越嚴(yán)重，高齡群眾越來越多，老人生活不便利迫切需要各種助老產(chǎn)品解決生活上的難題，其中出行更是重中之重。部分老年人由于身體機(jī)能的退化不能正常行走，需要借助一些器具，拐杖就是最基礎(chǔ)的行走輔助裝置。當(dāng)前市場上已經(jīng)有一些新型拐杖改善了舊式拐杖功能單一的弊端，也出現(xiàn)了很多智能拐杖，功能也越來越多，但仍缺少了人性化關(guān)懷功能，并且產(chǎn)品外觀相對單一，或者功能設(shè)置不得當(dāng)，滿足不了人們對使用功能更進(jìn)一步的要求，比如杖腳的不穩(wěn)固、絆腳；又如缺少結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化老人坐下后不方便起來，總體多用化程度不足?，F(xiàn)在拐杖產(chǎn)品穩(wěn)定性不好，老年人使用不便，而且智能化過于復(fù)雜不利于高齡者使用，因此本款設(shè)計具有較大的市場空間，能給眾多老人帶來方便。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 多功能拐杖總體效果圖

該拐杖由腋柄、支架、手柄、底座、滾輪、支撐架、手杯框等組成（圖1）。老年人記憶力減弱出門容易忘記攜帶鑰匙藥品等，基于這種情況我們在左支架中上部放置小物品支撐架用于儲存（圖2），右支架放置手杯框可放置大容量水杯方便取水（圖3）。

圖2 儲物架

圖3 手杯架

底部在原來單一支撐結(jié)構(gòu)上增添滾輪，極大增加穩(wěn)定性，可允許用戶長時間操作。拐杖支架整體高度可隨用戶身高調(diào)節(jié)，材質(zhì)選用碳纖維材料，碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)量輕便、強(qiáng)度較高且耐磨還容易加工的特點，用于拐杖可為老年人減輕負(fù)擔(dān)更有助于老人行走。腋柄和手柄選用木制更符合老年人審美，腋柄、手柄可進(jìn)行拆卸，容易組裝、替換，手把握部分符合人機(jī)工程原理曲線。本文主要設(shè)計了兩種形態(tài)，其中最重要的是集齊多種功能于一體的鉤形手杖部，曲線感較強(qiáng)，局部附有軟性塑膠材質(zhì)，使老年用戶在使用過程中更加舒適，容易被老人接受。滾輪選用PVC輪胎其耐磨防滑、金屬珠架軸承結(jié)實耐用轉(zhuǎn)動輕便使用壽命長。老人夜間或者傍晚出行由于視力原因危險性大，考慮到這種情況，本設(shè)計在支架表層涂抹反光材料，借助路燈或者車燈來折射光線，提醒駕駛員和行人注意躲避。

圖4 中滾輪的設(shè)計使拐杖在沒有人力操持下可以自然站立，老人使用時不需要彎腰撿起，減少了意外的發(fā)生，同時兩組滾輪在老人行走時的穩(wěn)定性得到了極大提高，橡膠材質(zhì)起到了很好地減震效果，使行走更加順暢。拐杖滾輪是為老人在行走過程中身體平衡起到保障作用的核心部分，通過一個四輪裝置實現(xiàn)穩(wěn)定平衡，彈性滾輪裝置由簡單的PVC 輪胎構(gòu)結(jié)而成，按壓拐杖時滾輪的彈性材質(zhì)會起到很大的緩沖作用，使用者起座時也會有一個向上的助推力，對老人的站立和坐下有優(yōu)良的輔助功能。

圖4 滾輪

3 有限元分析

圖5

通過對拐杖材料、結(jié)構(gòu)、環(huán)境運(yùn)用有限元分析，計算出最大承受重量和最大應(yīng)變力，測試其安全性能，拐杖所承受最大載荷完全滿足日常使用需要。應(yīng)變最大位置在腋柄處圖中紅色位置，另外最大應(yīng)力隨著結(jié)構(gòu)的延伸，逐漸變小。該產(chǎn)品力學(xué)性能檢測符合標(biāo)準(zhǔn)，在減輕重量的同時做到了穩(wěn)定可靠（圖5）。

4 結(jié)語

本產(chǎn)品設(shè)計初衷是為老年人提供一款簡單便捷的輔助行走裝置，使老人能夠正常出門活動，在保證安全舒適的同時適當(dāng)鍛煉身體，保持良好的體魄。人口老齡化越來越重，高齡人越來越多，但這一人群對高新智能產(chǎn)品接受能力較弱，因此應(yīng)充分考慮老人的操作能力，設(shè)計出方便、省力、易操作的產(chǎn)品。本新型拐杖極大地改善了老年人的行走條件，尤其是上肢力量較弱的人群，滾輪的設(shè)計變得更加省力，使老年人活動范圍更廣、出行更方便，極大地增強(qiáng)了老年人的心理健康和生理健康。