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        基于人因工程和電磁學(xué)的手杖設(shè)計(jì)

        2019-05-21 04:54:36徐春波閆龍王寶運(yùn)
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2019年9期
        關(guān)鍵詞:手杖

        徐春波 閆龍 王寶運(yùn)

        摘 要:當(dāng)下手杖的可利用性并不高,因此該文設(shè)計(jì)了一款使用簡便的手杖。通過調(diào)查分析,該文設(shè)計(jì)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(jì)應(yīng)用了人因工程的設(shè)計(jì)思路,根據(jù)GB/T 10000—1988國家標(biāo)準(zhǔn)確定了拐杖伸縮的長度和手柄的形狀。該次設(shè)計(jì)改進(jìn)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(xiàn)標(biāo)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(jī)械伸縮拐杖,雖然彌補(bǔ)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(bǔ)機(jī)械伸縮拐杖的不足,滿足人們的生活需求,我們團(tuán)隊(duì)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(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)測試,設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)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(jìn)行了重新設(shè)計(jì),根據(jù)GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)》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(jìn)行了最優(yōu)設(shè)計(jì);另外根據(jù)GB/T 16252—1996《成年人手部號型標(biāo)準(zhǔn)》以及人的正常習(xí)慣性握姿,對拐杖手柄部分進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。我們將拐杖設(shè)計(jì)劃分為2個方面,分別是拐杖主體伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和手柄的人因工程設(shè)計(jì)。

        我們團(tuán)隊(duì)運(yùn)用電磁動力學(xué)原理對手杖的伸縮結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),使手杖能夠借助電磁力進(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫》確定了手杖外觀設(shè)計(jì)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(jìn)行細(xì)化,經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)對比論證,最終對手杖外觀以及手柄外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在整個研究過程中,我們主要分為2個階段來進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

        1.1 前期設(shè)計(jì)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(xiàn),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(jìn)行實(shí)驗(yàn)計(jì)算,最終得出拐杖伸縮長度的最佳范圍。

        1.2 功能實(shí)現(xiàn)階段

        通過走訪調(diào)查,并對取得的使用數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析,運(yùn)用人因工程學(xué)設(shè)計(jì)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(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。完成初步設(shè)計(jì)后運(yùn)用3ds MAX構(gòu)建空間幾何模型,對手杖的尺寸,伸縮距等進(jìn)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(jìn)行實(shí)用性驗(yàn)證,不斷改進(jìn)。

        2 手杖整體設(shè)計(jì)分析

        該文主要從5個方面對手杖的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。分別是手杖尺寸設(shè)計(jì)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(jì)原理分析和基于人因工程的手柄部分設(shè)計(jì)。下面我們圍繞這5個方面依次展開進(jìn)行分析。

        2.1 手杖尺寸設(shè)計(jì)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(dá)到最佳的握持效果。該產(chǎn)品的目標(biāo)人群為成年盲人群體,通過查閱國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10000-1988《中國成年人人體尺寸》設(shè)計(jì)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(dāng)?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(jì)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(fù)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(dāng)驅(qū)動結(jié)構(gòu)工作時,正負(fù)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(jìn)。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)與精確計(jì)算,確定在電樞(內(nèi)桿)運(yùn)行到來前0.35 s內(nèi)讓正負(fù)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(jì)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(jìn)行伸縮,當(dāng)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(jì)

        如圖4所示為我們團(tuán)隊(duì)基于人因工程進(jìn)行的拐杖手柄部分設(shè)計(jì)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(jìn)行點(diǎn)云偏差分析。最大偏差值為2.025 mm,該極值點(diǎn)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(diǎn)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(jì)成不同形狀大小按鈕,有助于辨識。

        3 結(jié)語

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

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