基于人因工程和電磁學的手杖設計

徐春波 閆龍 王寶運

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

關鍵詞：人因工程；電磁傳導；手杖

中圖分類號：TP274 文獻標志碼：A

0 引言

隨著科學技術以及生活水平的提高，傳統(tǒng)的木制拐杖正在逐漸被淘汰。通過對盲人群體的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，近些年來流行的機械伸縮拐杖，雖然彌補了傳統(tǒng)拐杖不可伸縮的不足，但是仍然存在穩(wěn)定性差、操作復雜等諸多問題。為了彌補機械伸縮拐杖的不足，滿足人們的生活需求，我們團隊利用電磁驅(qū)動原理，綜合結(jié)合人因工程學，人體力學，電磁學等多個學科，從安全舒適的角度出發(fā)，對盲人手杖進行了優(yōu)化設計，經(jīng)過反復的實驗測試，設計研發(fā)了基于電磁驅(qū)動和人因工程的智能伸縮拐杖。

1 研究思路

我們團隊利用人因工程學和電磁動力學對拐杖外形以及伸縮裝置進行了重新設計，根據(jù)GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸標準》以及成年人的站姿、步頻和盲人的走路習慣等對拐杖主體結(jié)構(gòu)尺寸、重量、材質(zhì)等進行了最優(yōu)設計；另外根據(jù)GB/T 16252—1996《成年人手部號型標準》以及人的正常習慣性握姿，對拐杖手柄部分進行了重新設計。我們將拐杖設計劃分為2個方面，分別是拐杖主體伸縮機構(gòu)設計和手柄的人因工程設計。

我們團隊運用電磁動力學原理對手杖的伸縮結(jié)構(gòu)進行了重新設計，使手杖能夠借助電磁力進行伸縮。手杖伸縮結(jié)構(gòu)主要由2個部分組成，分別為外部的2根導軌和內(nèi)部的伸縮內(nèi)桿，電磁作用原理是對一側(cè)的導軌進行通電，然后通過伸縮內(nèi)桿的導電作用，將電流傳導到另一側(cè)的導軌，形成垂直向內(nèi)的磁場，磁場力轉(zhuǎn)化為對伸縮內(nèi)桿的推力，完成伸縮桿的伸縮。

通過查詢《中國標準數(shù)據(jù)庫》確定了手杖外觀設計方面所需的主要參數(shù)，再依據(jù)人因工程學，對手杖單元進行細化，經(jīng)過反復實驗對比論證，最終對手杖外觀以及手柄外形進行優(yōu)化設計。在整個研究過程中，我們主要分為2個階段來進行設計研究。

1.1 前期設計階段

我們通過查閱大量的數(shù)據(jù)資料，閱讀大量相關文獻，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，市場需求性和市場前景。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)對不同人群的影響度，我們根據(jù)調(diào)研結(jié)果對不同身高人群的最佳舒適長度進行實驗計算，最終得出拐杖伸縮長度的最佳范圍。

1.2 功能實現(xiàn)階段

通過走訪調(diào)查，并對取得的使用數(shù)據(jù)進行綜合分析，運用人因工程學設計規(guī)范，總結(jié)出傳統(tǒng)手杖的利弊，對傳統(tǒng)手杖的不足之處進行重點設計。完成初步設計后運用3ds MAX構(gòu)建空間幾何模型，對手杖的尺寸，伸縮距等進行反復調(diào)整，確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸，并制造產(chǎn)品進行實用性驗證，不斷改進。

2 手杖整體設計分析

該文主要從5個方面對手杖的整體設計進行分析。分別是手杖尺寸設計分析、電磁驅(qū)動模塊原理分析、電磁驅(qū)動模塊動力分析、鎖扣結(jié)構(gòu)設計原理分析和基于人因工程的手柄部分設計。下面我們圍繞這5個方面依次展開進行分析。

2.1 手杖尺寸設計分析

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

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?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)動模塊設計原理分析

圖1為一個電磁驅(qū)動模塊，由A1、A2、B1、A4這4個部分組成。其中A1、A4分別為正極導軌與負極導軌，A2為電樞（內(nèi)桿），B1為導軌。

圖2為電磁驅(qū)動原理的示意圖，電磁驅(qū)動的工作原理主要是當驅(qū)動結(jié)構(gòu)工作時，正負極導軌向相反方向通電，形成磁場，然后電樞通電，形成電樞磁場，磁場相互作用，產(chǎn)生驅(qū)動推力，推動電樞（內(nèi)桿）前進。經(jīng)過反復實驗與精確計算，確定在電樞（內(nèi)桿）運行到來前0.35 s內(nèi)讓正負導軌充電，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)動模塊動力分析

2.4 鎖扣結(jié)構(gòu)設計原理分析

圖3為一個鎖扣模塊，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個部分組成。其中A3、B2分別為外壁鎖扣內(nèi)孔與導軌鎖扣內(nèi)桿，B1為導軌（內(nèi)桿）。鎖扣結(jié)構(gòu)工作原理為伸縮桿工作時，B2回縮，退出A3，內(nèi)桿在電磁推動作用下進行伸縮，當長度最佳時，B2伸出，卡入A3，長度固定。

2.5 基于人因工程的手柄部分設計

如圖4所示為我們團隊基于人因工程進行的拐杖手柄部分設計模型。為了最大限度地降低手柄對手掌掌心的壓力，手柄曲面應盡量貼合掌心曲面。在逆向工程軟件中可以進行點云偏差分析。最大偏差值為2.025 mm，該極值點存在于手掌肌肉、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)不同功能設計成不同形狀大小按鈕，有助于辨識。

3 結(jié)語

該文運用人因工程知識與電磁驅(qū)動原理，設計制作的新型電磁伸縮手杖，彌補了以往手杖的缺點，該次設計重在伸縮部分以及手柄部分的設計，使伸縮部分更智能，更高效，外形更加美觀。使手柄握持體驗感更強、更舒適、更便于握持操控。

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