針對(duì)殘疾人士的多功能拐杖設(shè)計(jì)

湛江科技學(xué)院 王 冠

江門東洋油墨有限公司 黃振中

這是針對(duì)殘疾人出行生活不便而設(shè)計(jì)的多功能拐杖，運(yùn)用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)、同時(shí)內(nèi)置GPS定位、GSM通信。可以實(shí)現(xiàn)舒適防滑、高度調(diào)節(jié)、超聲波測距報(bào)警、摔倒報(bào)警、語音等功能。大多殘疾人的出行都得依賴各類輔助出行的工具，而拐杖更是其中使用率最高的工具之一。盲人或下肢無力等類型的殘疾人出行都得依靠拐杖，但傳統(tǒng)拐杖缺點(diǎn)明顯，甚至無法很好保障殘疾人的出行安全。而多功能拐杖則擺脫了傳統(tǒng)拐杖結(jié)構(gòu)簡單，功能單一，怕濕怕潮等問題。如今合金材料和各類高分子材料的快速發(fā)展，更為多功能拐杖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，關(guān)鍵性能的提升提供了很大的幫助。本文的拐杖，把手部分使用的是ABS樹脂材料，杖身部分使用鋁合金，底座腳墊使用防滑橡膠。從而實(shí)現(xiàn)防滑、舒適、耐用等目標(biāo)。

殘疾人安全出行問題一直是我國社會(huì)發(fā)展的主要問題之一。雖然如今在社會(huì)各界的幫助下，殘疾人的出行得到了很大的幫助，但同時(shí)，城市交通也變得越來越擁擠，盲道被侵占，被破壞的程度很嚴(yán)重，殘疾人的出行安全無法得到保障。用于輔助殘疾人出行的工具拐杖，在傳統(tǒng)意義上功能單一，結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)殘疾人出行所提供的幫助很有限，無法滿足更多的需求。所以有必要通過新技術(shù)融合，設(shè)計(jì)一款針對(duì)殘疾人士的包含定位，導(dǎo)航，求救，障礙檢測等功能的多功能拐杖，為殘疾人士出行提供便利。

1 拐杖的總體設(shè)計(jì)

拐杖的結(jié)構(gòu)總體如圖1所示，一般分為杖頭（把手），杖身和底座?？紤]到殘疾人士上肢力量不足的可能，拐杖的質(zhì)量最好不超過1kg。但拐杖也不能太輕，不然不一定可靠。綜合人體的身高，手臂的長度等因素，拐杖的一般長度在70cm到100cm之間。對(duì)應(yīng)身高從140cm到190cm。因此，多功能拐杖的總體高度初步設(shè)計(jì)從70cm～75cm到90cm～95cm，其中分為十檔伸縮調(diào)節(jié)，每一檔間只相差2cm，多檔調(diào)節(jié)更能方便使用者找到合適自己的檔位，得到更好的使用體驗(yàn)。在拐杖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程時(shí)，不僅要設(shè)計(jì)合適的結(jié)構(gòu)，材料的選擇也很重要。適合的材料能使拐杖本身承重夠強(qiáng)，安全性能好，不易損壞，體驗(yàn)好。

圖1 拐杖的總體設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

多功能拐杖的系統(tǒng)由單片機(jī)負(fù)責(zé)控制、GPS模塊負(fù)責(zé)定位、GSM通信實(shí)現(xiàn)聯(lián)系、障礙物超聲波感應(yīng)報(bào)警、摔倒自動(dòng)檢測和報(bào)警、語音功能等模塊組成。單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)這一系列的功能。當(dāng)行走過程中遇到障礙物時(shí)，拐杖能通過超聲波檢測自動(dòng)識(shí)別，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警示。當(dāng)使用者摔倒時(shí)，拐杖能自動(dòng)報(bào)警，通知周圍的路人，依靠GPS定位和GSM通信模塊，系統(tǒng)能對(duì)拐杖使用者的聯(lián)系人進(jìn)行及時(shí)的通知并報(bào)告準(zhǔn)確的位置。

控制系統(tǒng)工作原理如圖2所示：當(dāng)拐杖感應(yīng)到傾斜度發(fā)生變化時(shí)；立刻發(fā)出報(bào)警求援信號(hào)，報(bào)警時(shí)間持續(xù)15s；當(dāng)前方有障礙物時(shí)；感應(yīng)器會(huì)有相應(yīng)的震動(dòng)反饋，從而產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)；當(dāng)使用者迷失方位時(shí)；只需按下自我定位按鈕即可得到語音播報(bào)；如需救援按下救援按鈕即可。

圖2 系統(tǒng)程序框圖

3 拐杖的重要零件設(shè)計(jì)

3.1 杖頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)拐杖把手一般呈T字形，多功能拐杖的杖頭形狀結(jié)構(gòu)應(yīng)與一般拐杖保持類似如圖3所示，在與手接觸的部分采用貼合人手的設(shè)計(jì)。為了保證舒適握感同時(shí)避免打滑，還應(yīng)該在把手表面進(jìn)行磨砂。而且多功能拐杖的性能與一般拐杖不同。為了防止誤觸，按鈕應(yīng)該設(shè)計(jì)在杖頭與杖身連接處靠里的側(cè)面。把手部分采用了貼合人手的造型，在側(cè)面設(shè)計(jì)了緊急報(bào)警，總開關(guān)，以及其他的各類功能按鈕，在旁邊還配有充電插口。這里特意用了兩種不同的顏色作為緊急報(bào)警和開關(guān)的按鈕，其中紅色是緊急報(bào)警按鈕，綠色是多功能拐杖的開關(guān)。同時(shí)，緊急報(bào)警的開關(guān)的位置設(shè)計(jì)得離人手的距離最遠(yuǎn)，不容易誤觸。

圖3 杖頭部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3.2 杖身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多功能拐杖杖身上方設(shè)有超聲波傳感器和播音喇叭等。杖身中空，以便各種電子元器件的安裝。且有十檔調(diào)節(jié)的長短伸縮管。下方設(shè)有旋轉(zhuǎn)鎖扣，在拐杖高度調(diào)節(jié)好以后再固定旋轉(zhuǎn)鎖扣，形成雙重保險(xiǎn)，保障拐杖的安全可靠。

杖身裝配好后的主體形狀初定為直徑約2cm的圓柱形，杖身壁厚參考市面上的工藝取0.12cm。杖身具體分為上下兩部分的空心圓柱形，上下部分之間采用過渡配合，上桿直徑比下桿略大。上桿長度初定為45cm，外壁直徑2.20cm，壁厚0.12cm。其中上桿的頂部與手柄連接固定，安裝有測距傳感器和播報(bào)喇叭，底部有十個(gè)調(diào)節(jié)高度檔位用的小孔和一個(gè)旋轉(zhuǎn)鎖扣（如圖4所示）；杖身下桿長度初定35cm，外壁直徑1.9cm。下桿與底座相連接，上面設(shè)有用于實(shí)現(xiàn)管伸縮的一個(gè)彈珠，下面設(shè)有與底座連接用的兩個(gè)彈珠（如圖5所示）。初定兩桿組合后最短長度為50cm，最長長度為70cm。

圖4 杖身上部分

圖5 杖身下部分

3.3 底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

底座結(jié)構(gòu)采用四腳底座，這種底座的特點(diǎn)是承重能力高，適合行走不穩(wěn)的人。四腳底座穩(wěn)定最好，在進(jìn)行充電的時(shí)候能夠穩(wěn)穩(wěn)立住，而單足的底座就無法完成這一點(diǎn)。這次多功能拐杖設(shè)計(jì)的底座高約為12.30cm。上方是半徑約為4cm的圓柱形，與杖身的下部分配合連接。四角底座的每個(gè)腳半徑為1cm。每個(gè)腳都安有底座腳墊，腳墊半徑從最短1.50cm～2.76cm。底座結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)如圖6、圖7所示。

圖6 底座正面

圖7 底座底面

4 拐杖強(qiáng)度校核

一般來說，人的體重都在300kg以下，考慮到使用者可能還會(huì)背上一些東西出門，取拐杖的載荷W為5000N。把手直徑為3.5cm，且為實(shí)心，材料為ABS樹脂。所以：

把手截面積：

A1=πr12=3846.5mm2

ABS樹脂材料拉伸強(qiáng)度：

[σ]≧34Mpa

根據(jù)正應(yīng)力公式：

σ1 =1.30Mpa≦[σ]

所以，半徑為3.5cm的ABS樹脂材料符合設(shè)計(jì)要求。

空心杖身半徑為4cm，組合后最短長度lmin為50cm，材料是鋁合金6061。

杖身截面積：

A2=lminr2=800000mm2

鋁合金6061拉伸強(qiáng)度：

[σ]≧205Mpa

根據(jù)正應(yīng)力公式：

σ2 =0.00625Mpa≦[σ]

所以鋁合金材料符合設(shè)計(jì)要求。

下面是我用Pro/e的Mechanical模塊對(duì)其進(jìn)行有限元分析，取拐杖的載荷W為5000N，材料為ABS樹脂，其有限元分析云圖分布如圖8所示。

圖8 拐杖應(yīng)力有限元分析圖

從有限元分析的云圖中可以看到，整個(gè)拐杖應(yīng)力最大的地方主要分布在底座的鋁合金板的中間，而且數(shù)值相對(duì)比較小，不會(huì)造成過大的形變，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

本文設(shè)計(jì)的多功能拐杖為T字型，總長70cm到90cm，杖身半徑分別為2.2cm和1.9cm。把手部分采用ABS樹脂材料，杖身和底座采用鋁合金材料，底座腳墊為防滑橡膠材料。把手舒適防滑，桿身長度分為十檔調(diào)節(jié)，底座部分穩(wěn)定可靠。在功能方面基于單片機(jī)的控制，有GPS定位、障礙檢測報(bào)警、摔倒檢測自動(dòng)報(bào)警、GSM通信緊急聯(lián)系、語音播報(bào)等。為各類型殘疾人和老年人做了充分的考量，在想法設(shè)法降低拐杖重量的同時(shí)，還增加各種各樣的實(shí)用功能。從提高使用者的體驗(yàn)，提高拐杖安全性，耐用性，制造成本等多方面綜合考慮設(shè)計(jì)。