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(shè)計了一款使用簡便的手杖。通過調(diào)查分析，該文設(shè)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(shè)計應(yīng)用了人因工程的設(shè)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(shè)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(guān)鍵詞：人因工程；電磁傳導(dǎo)；手杖

中圖分類號：TP274 文獻標志碼：A

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)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(fù)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(xué)，人體力學(xué)，電磁學(xué)等多個學(xué)科，從安全舒適的角度出發(fā)，對盲人手杖進行了優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)過反復(fù)的實驗測試，設(shè)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(xué)和電磁動力學(xué)對拐杖外形以及伸縮裝置進行了重新設(shè)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(xí)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(shè)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(xí)慣性握姿，對拐杖手柄部分進行了重新設(shè)計。我們將拐杖設(shè)計劃分為2個方面，分別是拐杖主體伸縮機構(gòu)設(shè)計和手柄的人因工程設(shè)計。

我們團隊運用電磁動力學(xué)原理對手杖的伸縮結(jié)構(gòu)進行了重新設(shè)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(dǎo)軌和內(nèi)部的伸縮內(nèi)桿，電磁作用原理是對一側(cè)的導(dǎo)軌進行通電，然后通過伸縮內(nèi)桿的導(dǎo)電作用，將電流傳導(dǎo)到另一側(cè)的導(dǎo)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(shè)計方面所需的主要參數(shù)，再依據(jù)人因工程學(xué)，對手杖單元進行細化，經(jīng)過反復(fù)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(shè)計。在整個研究過程中，我們主要分為2個階段來進行設(shè)計研究。

1.1 前期設(shè)計階段

我們通過查閱大量的數(shù)據(jù)資料，閱讀大量相關(guān)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(xué)設(shè)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(shè)計。完成初步設(shè)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(fù)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(shè)計分析

該文主要從5個方面對手杖的整體設(shè)計進行分析。分別是手杖尺寸設(shè)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(shè)計原理分析和基于人因工程的手柄部分設(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)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(dǎo)軌與負極導(dǎo)軌，A2為電樞（內(nèi)桿），B1為導(dǎo)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(dǎo)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(fù)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(dǎo)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(shè)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(dǎo)軌鎖扣內(nèi)桿，B1為導(dǎo)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(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)計重在伸縮部分以及手柄部分的設(shè)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。

參考文獻

[1]Pinto V C ， MAMarques ， MAPVaz . Recent progress in studying the human foot [M] . Germary：Springer Nether lands ， 2012 .

[2]ZHANG Lin，MA Ruiqing，SHI Guodong，et al. Research on a New Control Policy for Motion Controller of the EPWs[J].Small & Special Electrical Machines，2012，40（7） ： 53-57.

[3] MA Chenxi，WANG Shouzhe，WANG Hao.CNC Machining tool Motion Control Optimization Based on S-curve（Acceleration /Deceleration） Method[J].Mathematics in Practice and Theory，2016，46（15） ： 47-55.

[4]溫有東.電動汽車用永磁同步電機的研究[D].哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[5]張偉，馬靚.基于運動跟蹤和交互仿真的工作設(shè)計[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2010（4）：1047-1050.

[6]王延斌，張偉.工效學(xué)研究中的人體運動跟蹤技術(shù)[J].人類工效學(xué)，2007（10）：29-31.

[7]曾正明.機械工程材料手冊（6 版）[M].北京：機械工業(yè)出版社， 2009.

[8]唐余勇.機械工程中常用的幾何模型[M].北京：國防工業(yè)出版社，1989.

[9]劉希軍，朱新宇，劉小涵.電磁彈射用變極距直線感應(yīng)電機設(shè)計研究[J].微特電機，2018，46（11）：30-33，39.