宋運(yùn)昊 許博文 張丹慧 張登博

摘要：針對老人使用拐杖出行，安全無法被保證，使用時(shí)導(dǎo)致手部酥麻，傳統(tǒng)拐杖收納時(shí)占用空間較大，收回拐杖的不方便等問題，設(shè)計(jì)出一種多功能安全便捷型拐杖。采用緩震器和仿生腿設(shè)計(jì)結(jié)合達(dá)到緩震效果的最佳化，傾角與同時(shí)鎖定裝置將拐杖與地面接觸的面積大大增大，減少了因拐杖的四爪受力不均而導(dǎo)致傾滑的問題。機(jī)械鎖定與旋轉(zhuǎn)解除裝置解決了拐杖不使用時(shí)占用空間大的問題，使用拐杖時(shí)，甩出伸縮桿，以機(jī)械鎖定裝置鎖死達(dá)到支撐效果，收回拐杖，按下按鈕，以彈簧的反作用力使機(jī)械鎖定裝置脫離卡死點(diǎn)，完成收回動(dòng)作，使用起來相對方便。多功能安全便捷型拐杖得到了老人們肯定的評價(jià)。

關(guān)鍵詞：多功能拐杖、安全便捷、緩震結(jié)構(gòu)

前言

《世界人口展望：2019 年修訂版》的數(shù)據(jù)顯示， 到 2050 年，預(yù)計(jì) 80 歲或以上人口將增長兩倍，從 2019 年的 1.43 億增至 2050 年的 4.26 億，同期我國 無論是老年人增長速度還是所占比重[1]，都超過世界 老齡化的速度和比重。而在老人群體中。65歲以上的老年人中至少有30%的人摔過一大跤，更有平衡能力差的老人由于害怕摔跤而限制了自己的身體活動(dòng)和社會交往[2]。所以擁有一只多功能、安全問題嚴(yán)謹(jǐn)、使用便利、使用起來負(fù)擔(dān)小的拐杖以成為了老人們的強(qiáng)烈愿望。而通過這樣的方式既能鼓勵(lì)老年人外出行走，積極生活，又能為其提供安全保障，使他們的家人在老年人享受外出散步和聚會的樂趣時(shí)免于擔(dān)心。老年人也能因此找到生活的目標(biāo)，保持一顆年輕的心[2]。

但經(jīng)市場 調(diào)研發(fā)現(xiàn)，市面上拐杖質(zhì)量參差不齊且功能單一，有的只能單單起到支撐作用，有的在支撐的基礎(chǔ)上增加了照明功能，這些功能單一的拐杖并不能滿足老年人日常生活需求。在現(xiàn)代日趨復(fù)雜多變的生活環(huán)境，輔助器材的不完善導(dǎo)致老年人的出行有了很多的障礙[3]。

一、普通拐杖存在的缺陷

（一）普通拐杖隨使用時(shí)間增加易產(chǎn)生酥麻現(xiàn)象

拐杖作為一款輔助行走型用品，其主要目的是為了改善老人的行走質(zhì)量。對減輕關(guān)節(jié)負(fù)重的程度和支撐身體有很好的效果，可減少因?yàn)橄轮珶o力而產(chǎn)生的坡行現(xiàn)象。有關(guān)研究表明與平時(shí)正常行走相比，行走時(shí)使用拐杖，膝關(guān)節(jié)承受的壓力可緩解22%，走起來更加舒適。而使用拐杖的過程是用手掌發(fā)力支撐腿部來改善腿部無力支撐的狀況。在這一過程中對手掌造成的酥麻現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

（二）普通拐杖易打滑滑倒

使用拐杖行走時(shí)，使用過程為將拐杖放與身體的前側(cè)，行動(dòng)方便的一條腿邁向與拐杖同一水平線，帶動(dòng)不方便的腿向前移動(dòng)。在這個(gè)過程中，拐杖與地面并不是平行面，這時(shí)會造成受力不均，發(fā)生滑倒。

（三）普通拐杖不易收納、攜帶

現(xiàn)有的普通拐杖大多為木制，由于其材質(zhì)和工藝的限制，不易收納和攜帶。還有一些可收縮式的拐杖（在這里舉例一種可收縮式）。收縮式拐杖支架全部采用空心管結(jié)構(gòu)，空心管壁厚 1mm。4個(gè)支撐管采用彈珠與8個(gè)孔洞相配合，實(shí)現(xiàn)拐杖 高度可調(diào)節(jié)[4]，這種可收縮式占用空間較少，但收回拐杖的方式絕大多數(shù)都需要用很大的力氣來按壓固定收縮桿的按鈕來收回收縮桿，很不方便。如攜帶拐杖乘坐公共汽車時(shí)，普通拐杖不易收納和攜帶的缺陷，就顯得更為突出了。

二、產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案

基于上述這些問題，本產(chǎn)品側(cè)重解決了行走時(shí)受力時(shí)的穩(wěn)定性問題和行走緩震問題，突破了現(xiàn)有拐杖的形式，減少了使用過程中產(chǎn)生的安全問題，增加了使用的便捷性和舒適性。

外部主要設(shè)計(jì)：對比現(xiàn)有市場上的拐杖，本項(xiàng)目所涉及的拐杖設(shè)計(jì)為手動(dòng)伸縮桿式，只需輕輕一甩便可伸出桿身，收回時(shí)按動(dòng)按鈕帶動(dòng)桿身旋轉(zhuǎn)脫離卡死點(diǎn)，收回;手柄部采用握把和肘拐相結(jié)合的形式，讓老人可以以自己感到舒適的狀態(tài)完成行走工作;拐杖的支撐部分與機(jī)械腿部分，在增加了彈簧緩震的作用下能更有效地緩解手部壓力。

內(nèi)部主要設(shè)計(jì)：在拐杖桿部和支撐部分采用傾角設(shè)計(jì)，防止受力不均引起側(cè)滑，更具安全性;撐爪內(nèi)部采用彈簧設(shè)計(jì)，老年人在使用時(shí)可大大減少對手部的壓力，具有很好的緩震功能。

三、主要技術(shù)特點(diǎn)

（a）緩震結(jié)構(gòu)

緩震器采用金屬復(fù)合材料彈簧為基本機(jī)構(gòu)，具有穩(wěn)定、承載力大 、固有頻率低、阻尼指數(shù)小、水平彎曲應(yīng)變小的特點(diǎn)。在機(jī)械腿（如圖2），握把下部（如圖3），地面支撐（如圖4）三處各自設(shè)置不同形式的彈簧減震器來緩解反作用沖擊。四只機(jī)械腿同時(shí)固定連接處考慮受力較大，所以設(shè)計(jì)為單彈簧、大彈簧緩震器。握把受力對擠壓桿進(jìn)行擠壓，擠壓桿壓縮彈簧實(shí)現(xiàn)緩震，所以設(shè)計(jì)為單彈簧、大彈簧緩震器。地面支撐處考慮與地面直接接觸，緩震器的接觸面積大，彈簧高度不易過高，所以設(shè)計(jì)為四彈簧、小彈簧設(shè)計(jì)。

結(jié)合三處的彈簧減震器的設(shè)計(jì)，拐杖的緩震性得到了大大提高。拐杖的緩震裝置，使用者向下用力時(shí)，彈簧進(jìn)行對力的作用的消減，從而達(dá)到減震的效果。

對比目前市場中的產(chǎn)品，使用者在使用拐杖支撐地面時(shí)，手部往往會因?yàn)橹喂照榷菀桩a(chǎn)生疲憊麻木的感覺，增加彈簧設(shè)置使緩震效果大大增強(qiáng)，解決了這一問題。

（b）傾角與同時(shí)鎖定裝置的設(shè)計(jì)

傾角設(shè)計(jì)為球型包裹式（如圖5），當(dāng)使用者在向各個(gè)方向的移動(dòng)時(shí)都可以保證底面的接觸面最大，傾角最大不可超過15度。同時(shí)，設(shè)計(jì)同時(shí)鎖定裝置（如圖6），保證四機(jī)械腿的活動(dòng)可以同步進(jìn)行，避免機(jī)械腿一只處于收縮狀態(tài)導(dǎo)致的側(cè)翻。使用者使用普通拐杖前進(jìn)時(shí)，支撐部分并不能完全的平鋪在地面上，而是會有一個(gè)支撐面不能接觸地面，從而導(dǎo)致傾滑（地面潮濕情況更加明顯）而在連接部分設(shè)計(jì)傾角和底部四機(jī)械腿以同時(shí)鎖定裝置固定，能夠使四個(gè)支撐面有效的接觸地面，更具安全性。

（c）仿生機(jī)械腿的設(shè)計(jì)

由于使用普通拐杖無法讓使用者進(jìn)行下蹲，彎曲膝蓋等動(dòng)作，本項(xiàng)目將撐爪設(shè)計(jì)為仿生機(jī)械腿（如圖7），以人的腿部為模型，大腿小腿以桿件代替，以髖、膝蓋、踝關(guān)節(jié)為原型連接各桿件，并在各桿件連接處增加彈簧裝置。針對用于人體膝關(guān)節(jié)的情況，要求在大小腿滿足人腿擺動(dòng)角度關(guān)系情況下，保證仿生關(guān)節(jié)中心點(diǎn)（ 膝關(guān)節(jié)中心點(diǎn)） 和下連桿末端（ 踝關(guān)節(jié)中心點(diǎn)） 的軌跡與人腿相應(yīng)軌跡相同[5]。

仿生機(jī)械腿對比以往類型的拐杖，受力點(diǎn)相對靠前，更加符合人體工學(xué)。以在各連接桿件處增加的彈簧裝置帶動(dòng)其機(jī)構(gòu)進(jìn)行小角度的拉伸-收縮運(yùn)動(dòng)，可以做到撿起掉落在地面上的物品等動(dòng)作。

（d）機(jī)械鎖定與旋轉(zhuǎn)解除裝置

將連接桿由傳統(tǒng)伸縮桿改進(jìn)為機(jī)械鎖定裝置（如圖8），旋擰固定在第一節(jié)、第二節(jié)、第三節(jié)收縮桿末端的兩個(gè)鎖定模塊，通過甩出打開伸縮桿時(shí)，鎖定模塊隨同棍管運(yùn)動(dòng)，模塊上的鎖耳（卡榫）會卡在管內(nèi)壁的鎖定槽（螺旋狀，靠近棍口圈的部分深，靠尾蓋那段槽淺），牢牢地將一、二、三節(jié)管固定，完成開棍鎖定。將軸按照軸線為四部分，將其中相對應(yīng)的兩部分設(shè)定為鎖耳，鎖定槽與鎖耳設(shè)定相同。簡單地講，就是通過卡榫與卡槽的鎖扣作用來阻止棍管縮回。收回時(shí)，按下按鈕，對主桿施加的力通過彈簧反作用返還給按鈕裝置，按鈕裝置內(nèi)部設(shè)計(jì)為導(dǎo)軌式鎖定（如圖9），與鎖耳相連的主桿因按鈕內(nèi)部裝置的脫離卡死點(diǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致主軸旋轉(zhuǎn)，從而完成卡榫旋轉(zhuǎn)出鎖定槽，完成收棍的設(shè)定。

通過對市場上大多數(shù)的拐杖的考察，桿部的設(shè)計(jì)大多數(shù)為推拉伸縮桿來調(diào)節(jié)長度，本項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)考慮到推拉伸縮桿需要用力按壓桿上的金屬豆來調(diào)節(jié)粗桿和細(xì)桿，老人手部力量往往不足，再加上這樣調(diào)節(jié)的復(fù)雜性，耗費(fèi)的時(shí)間往往較長。本產(chǎn)品通過機(jī)械鎖定裝置使桿與桿之間配合，按鈕收回裝置減輕了使用時(shí)所消耗的力量。同時(shí)也節(jié)約了時(shí)間。對比市場的推拉伸縮桿，在經(jīng)過巨大的外力下，其固定的金屬豆由于表面光滑往往會滑入下一個(gè)孔內(nèi)，安全性往往不能保證。而機(jī)械鎖定裝置保證卡榫和槽卡死，以按壓按鈕設(shè)計(jì)進(jìn)行收回。保證了安全性，也提供了便利性。

結(jié)論

多功能安全便捷型拐杖，針對普通拐杖的缺陷進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)優(yōu)化，從緩震效果，防滑特性，方便攜帶方面入手，設(shè)計(jì)出一款符合大眾要求的拐杖。在對設(shè)計(jì)進(jìn)行更新的過程中，發(fā)現(xiàn)緩震器的緩震形式可選擇液壓，氣壓，彈簧式等形式，但考慮拐杖作為輔助行走工具，使用成本不易過大，在保證使用效果良好的情況下選擇金屬復(fù)合彈簧可以大大降低成本和生產(chǎn)難度。

通過與市面上大部分拐杖產(chǎn)品的對比，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)拐杖在起到輔助行走功能的功能外增加了許多科技類的小功能，如播報(bào)時(shí)間、收聽廣播等功能具有一定娛樂價(jià)值，但在結(jié)構(gòu)上，行走安全上進(jìn)行研究的較少，如果將此項(xiàng)目的研究應(yīng)用于市場中，市場前景較好，實(shí)際的推廣價(jià)值較高。

參考文獻(xiàn)：

[1]聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)和社會事務(wù)部.世界人口展望：2017 年修訂版

[2]陳言.一種多功能智能拐杖的設(shè)計(jì)[J].藝術(shù)與設(shè)計(jì)（理論），2010，2（02）

[3]張鑫，白濤，李春雪.一種多功能拐杖的結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計(jì)[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（20）：144.

[4]曹旭，武榮耀，鄭偉，戴振歡，李峰，魏丹.多功能拐杖方案設(shè)計(jì)[J].湖北農(nóng)機(jī)化，2020（03）：183.

[5]揚(yáng)基厚.機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué) 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987

基金項(xiàng)目： 臨沂大學(xué)2021年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“多功能安全便捷型拐杖設(shè)計(jì)”（X202110452041）。