爬樓及輔助訓(xùn)練用登高手杖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張坤之 張乃峰

（聊城鑫泰機(jī)床有限公司，聊城 252023）

1 選題背景及意義

通過(guò)對(duì)比近年人口普查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，我國(guó)老齡化進(jìn)程明顯加快[1]，其中出行困難成為老年人的一大難題。所以，研究一款新型多功能爬樓輔助手杖，成為滿(mǎn)足行動(dòng)不便的人的生活需求的重要課題。

現(xiàn)在的手杖設(shè)計(jì)功能簡(jiǎn)單，不能很好地保證老年人的出行安全?；诂F(xiàn)有產(chǎn)品模型及功能，設(shè)計(jì)了一款智能爬樓及登高輔助訓(xùn)練用的手杖，能夠更好地幫助老年人及腿部受傷患者出行。該設(shè)計(jì)利用機(jī)械結(jié)構(gòu)將手杖固定在樓梯扶手上，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自鎖來(lái)輔助使用者上樓。此外，手杖搭載單片機(jī)為主控芯片，利用全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS），能夠?qū)崟r(shí)定位使用者的位置，實(shí)現(xiàn)功能的多樣化。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在我國(guó)，趙昊琳通過(guò)SolidWorks建模并仿真爬樓車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)在爬樓車(chē)底座設(shè)計(jì)多個(gè)支點(diǎn)，解決了上下樓時(shí)存在的不平衡問(wèn)題[2]。周艷萍闡述了如何選擇登山杖，實(shí)驗(yàn)表明平地時(shí)手杖的高度為使用者身高的0.66倍效果最佳[3]。在國(guó)外，英國(guó)設(shè)計(jì)師AMOS發(fā)明了Stairsteady（穩(wěn)穩(wěn)的樓梯），由固定的欄桿和可移動(dòng)的手柄組成。AMOS的設(shè)計(jì)主要考慮了英國(guó)老式住宅的樓道比較狹窄，不能做成座椅爬樓機(jī)的樣式，對(duì)空間要求高，而且設(shè)備成本高。

設(shè)計(jì)的手杖可以方便使用者的家人隨時(shí)掌握使用者的位置，避免發(fā)生緊急事故[4-5]。

3 總體設(shè)計(jì)和主要機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 原理概述

運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)手杖手柄部分，結(jié)合機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)曲柄滑塊結(jié)構(gòu)等原理，設(shè)計(jì)手杖底部和桿部的機(jī)械結(jié)構(gòu)，加裝微控制單元（Micro-Controller Unit，MCU）單片機(jī)最小系統(tǒng)、GPS模塊及電動(dòng)推桿等電子元器件。

3.2 整體設(shè)計(jì)

智能手杖的基本組成包括手杖手柄部分、手杖桿部和手杖底部3大部分。其中：手杖手柄部分含有前照燈；手杖桿部含有電子元件、電動(dòng)開(kāi)關(guān)、伸縮卡扣及電動(dòng)推桿等；手杖底部含有曲柄滑塊結(jié)構(gòu)、升降桿及支撐腿等，如圖1所示。

圖1 手杖整體裝配圖

手杖設(shè)計(jì)的最大亮點(diǎn)在于手杖底部采用雨傘設(shè)計(jì)原理，通過(guò)安裝在手杖中的電動(dòng)推桿來(lái)控制升降桿的上升下降，進(jìn)而帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行夾緊與擴(kuò)張。

當(dāng)使用者在進(jìn)行上樓運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)推桿電動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)控制電動(dòng)推桿的伸縮運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)推桿伸長(zhǎng)時(shí)可夾緊樓梯扶手，使用者雙手握住手杖桿部完成上樓運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，使用者可以按動(dòng)手杖桿部的伸縮卡扣，縮短手杖整體長(zhǎng)度，方便其在狹窄的樓道內(nèi)使用。上樓過(guò)程演示圖，如圖2所示。

圖2 手杖使用演示圖

當(dāng)使用者在平地上使用時(shí)，該手杖采用的四腿支撐結(jié)構(gòu)保證了使用時(shí)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，可防止使用者摔倒。當(dāng)使用者在照明不良的狹窄樓道時(shí)，可以開(kāi)啟手杖手柄部分的前照燈進(jìn)行照明。同時(shí)，手杖內(nèi)部加裝GPS定位元件，以便使用者出行突然發(fā)生記憶模糊、迷路等問(wèn)題時(shí)，家人可迅速定位其位置。

3.3 手杖底部的設(shè)計(jì)

手杖底部的設(shè)計(jì)采用了四角支撐結(jié)構(gòu)，在使用過(guò)程中4個(gè)支點(diǎn)同時(shí)受力，受力面積大，各角點(diǎn)的平均受力適中，所以結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。使用者在不平整的路面上使用時(shí)，也可以保證手杖的平衡性防止摔倒，如圖3所示。

圖3 手杖底部整體裝配圖

手杖底部設(shè)計(jì)了4個(gè)曲柄滑塊結(jié)構(gòu)與四角上的支撐腿、手杖桿部的電動(dòng)推桿和升降桿的相互配合運(yùn)動(dòng)?；瑝K與滑桿通過(guò)銷(xiāo)軸連接。滑塊與滑軌通過(guò)卡槽連接進(jìn)行滑動(dòng)。使用者在按動(dòng)正轉(zhuǎn)推桿開(kāi)關(guān)時(shí)，電動(dòng)推桿中電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生正轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)升降桿伸長(zhǎng)，如圖4所示。4個(gè)腿上的滑塊沿著滑軌向內(nèi)收縮，可以?shī)A緊樓梯扶手。當(dāng)正轉(zhuǎn)按鈕斷電時(shí)，電動(dòng)推桿停止運(yùn)行，處于上電狀態(tài)產(chǎn)生自鎖，此時(shí)使用者雙手抓住手杖桿部，借力上樓。相反，當(dāng)使用者手動(dòng)按動(dòng)反轉(zhuǎn)推桿開(kāi)關(guān)按鈕時(shí)，手杖桿部的升降桿縮短，4個(gè)腿的滑塊向外擴(kuò)張，升降桿縮短，如圖5所示。松開(kāi)樓梯扶手，使用者此時(shí)可以沿著樓梯扶手向上推動(dòng)手杖至新的位置。重復(fù)以上動(dòng)作，完成借力上樓。該設(shè)計(jì)不僅可以給老年人帶來(lái)便利，也可以用于腿部受傷行動(dòng)不便的患者的康復(fù)訓(xùn)練[6]。

圖4 升降桿伸長(zhǎng)示意圖

圖5 升降桿縮短示意圖

4 關(guān)鍵部件的有限元分析及整體評(píng)價(jià)

4.1 關(guān)鍵部件的有限元分析

設(shè)計(jì)通過(guò)SolidWorks Simulation進(jìn)行手杖底部裝配體的受力分析，具體步驟如下。

（1）在SolidWorks插件目錄中找到Simulation并運(yùn)行Simulation插件，啟動(dòng)后點(diǎn)擊運(yùn)行新算例。

（2）在工具欄中選擇應(yīng)用材料選項(xiàng)。本設(shè)計(jì)采用普通碳鋼作為手杖底部材料，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 普通碳鋼材料的具體數(shù)據(jù)

（3）選擇固定夾具。只需要將手杖底部的底座與4個(gè)滑軌固定即可。

（4）定義外部載荷。

（5）劃分網(wǎng)格。

為了更好地分析手杖底部的處理過(guò)程，上樓過(guò)程的簡(jiǎn)化受力圖如圖6所示。其中，G為重力，F(xiàn)為所用的拉力，f為摩擦力，F(xiàn)N為支持力。

圖6 上樓受力分析圖

其中，規(guī)定人體質(zhì)量為m、加速度為g，F(xiàn)的大小等于G沿斜面向下的分力加上f，有

式中：質(zhì)量m為60 kg；樓梯角度為30°；摩擦系數(shù)為0.2；重力加速度g為9.8 m·s-2。將上述數(shù)值代入式（1），可計(jì)算獲得F約為400 N。

本次設(shè)計(jì)的屈服極限σs為220.6 MPa，最大應(yīng)力為170.3 MPa，最小應(yīng)力為3.037×10-9MPa，安全系數(shù)為1.3，說(shuō)明此設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。此外，最大位移為0.2 mm， 最大應(yīng)變?chǔ)偶s為4.3×10-4，而普通碳鋼的彈性模量E為2.1×105N·mm-2。根據(jù)E=σ/ε可知，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足剛度要求。

4.2 系統(tǒng)整體評(píng)價(jià)

設(shè)計(jì)的手杖的主要尺寸如圖7所示，全長(zhǎng)為91 cm， 符合老年使用者的身體高度。手杖桿部采用伸縮卡扣設(shè)計(jì)，可以縮短手杖桿部以適應(yīng)使用者的身體高度。手杖將MOTEC的AM60電動(dòng)推桿安裝到手杖桿部的下端，以滿(mǎn)足電動(dòng)推桿的尺寸要求。

圖7 手杖主要尺寸（單位：mm）

本次設(shè)計(jì)采用6061鋁型材、普通碳鋼以及輕型ABS塑料為原料，成本大約在150元，造價(jià)適中，易被大眾接受。手杖整體質(zhì)量約為1.94 kg，輕便穩(wěn)固，使用者可輕松提起。手杖底部采用四角抓地結(jié)構(gòu)，平穩(wěn)支撐設(shè)計(jì)增加底座的穩(wěn)固性，不易打滑，可保障使用者的出行安全。手杖手柄部分采用的輕型ABS塑料材質(zhì)，選用上乘的三元共聚物原料，符合ISO9001標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)以上選材和靜應(yīng)力分析可知，設(shè)計(jì)的手杖壽命長(zhǎng)，耐磨性好，適合反復(fù)使用。

5 結(jié)語(yǔ)

文章提出一種新型智能手杖的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得使用者可以自行出行，輕松上下樓。監(jiān)護(hù)人及家屬可以隨時(shí)對(duì)使用者進(jìn)行定位，滿(mǎn)足了適用人群的出行需求，可更好地保證使用者的人身安全。