顏 蘇 張志輝 王 展 賈龍濤

（河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽471003）

1 概述

大多數(shù)高齡者或行動不便的人都需要外出活動，一般借助拐杖幫助保持身體的平衡得以行走，由于各項身體機(jī)能的下降，不宜長時間行走，由此衍生出拐杖椅。現(xiàn)國內(nèi)外已有將拐杖跟椅子結(jié)合成的多功能拐杖椅,有部分其結(jié)構(gòu)功能單一、笨重不便、舒適性與穩(wěn)定性不高；又有部分其附加功能、按鍵設(shè)置過多使得操作難度較高。這些產(chǎn)品絕大部分未深入了解國內(nèi)高齡者生活習(xí)慣和確實需求，本文將介紹一種新型拐杖椅，通過簡單變形就可以達(dá)到兩用效果，內(nèi)嵌彈簧裝置，在轉(zhuǎn)變拐杖椅形態(tài)時增加緩沖與助推功能，結(jié)構(gòu)安全靈巧、攜帶使用方便、人機(jī)設(shè)計合理，其設(shè)計與實現(xiàn)方法如下。

2 設(shè)計方案

2.1 總體構(gòu)架

新型拐杖椅在設(shè)計過程中是由折疊座椅、底座、外套筒、下桿、支桿、收縮支腿、彈性按鈕及若干銷柱等其余零部件）組成，在機(jī)構(gòu)上具有裝拆方便的特點。其中，折疊座椅通過銷柱與底座連接，外套筒與下桿間設(shè)有彈性固結(jié)裝置和四組連桿結(jié)構(gòu)用來實現(xiàn)拐杖與拐杖椅工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，新型拐杖椅裝配圖如圖1 所示。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 折疊座椅

折疊座椅由兩塊座椅面板組成，將折疊座椅與拐杖手柄融為一體，通過多個磁性顆粒方便使用者進(jìn)行折疊座椅的打開和吸合，改變使用功能，結(jié)構(gòu)合理，轉(zhuǎn)變靈活快捷。當(dāng)折疊座椅作為拐杖手柄支撐時，兩塊折疊座椅板由多個磁性顆粒自動吸合，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理，拐杖的手柄應(yīng)當(dāng)為使用者提供較好的使用體驗，上面部分采用圓弧曲線，受力更均勻，下面部分采用波浪型曲線方便使用者手指握持，方便手部發(fā)力，提升使用體驗。在不使用拐杖時也可將拐杖提起或掛到某個地方，收納不占位。折疊座椅展開作為椅面時，在著力面積采用流線型設(shè)計，使更加貼合臀部，受力均勻。

2.2.2 拐杖體

圖1 新型拐杖椅裝配圖

圖2 拐杖體部分示意圖

拐杖體是為高齡者在行走過程中身體平衡起到保障作用的核心部分，通過一個彈性固結(jié)裝置實現(xiàn)固定外套筒與下桿，彈性固結(jié)裝置由簡單的彈性按鈕和彈性片構(gòu)結(jié)而成，按壓彈性按鈕時解除固定可控制拐杖體的上升和下降。在下降過程中外套筒內(nèi)有一部分孔要比彈簧的直徑要小，通過那個比彈簧直徑要小的孔，相當(dāng)于有一個限位臺階，使彈簧發(fā)生形變。從而達(dá)到在下降過程中有緩沖作用，在使用者起座時也會有一個向上助推的功能，對高齡者的坐下和站立都有良好的輔助作用。此外，在外套筒內(nèi)壁有對稱的凹槽，拐杖體下桿上設(shè)計兩個卡位方形塊，防止外套筒和下桿之間發(fā)生圓周運動。外套筒底部設(shè)計為四個中心對稱的u 型槽，這些槽預(yù)留空間給四組連桿運動，即四組收縮支腿的伸縮與收合；四組支桿被固定在一個定位座上，定位座套在下桿上，位置被固定在拐杖腳上方。收縮支腿用于將上下滑動的外套筒的運動傳遞給支桿，支桿用于維持收縮支腿和拐杖體下桿的相對位置關(guān)系。各主要組成構(gòu)件之間的運動副關(guān)系為：收縮支腿和外套筒下部的u 型槽形成轉(zhuǎn)動副，拐杖體下桿和外套筒形成移動副，各個部分的轉(zhuǎn)動副都是通過圓柱銷連接形成的。在設(shè)計過程中，我們將四桿機(jī)構(gòu)中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)應(yīng)用到了其中，可以實現(xiàn)椅腳的收縮和展開，且保證結(jié)構(gòu)的合理性和結(jié)構(gòu)的緊湊性。若要轉(zhuǎn)變成拐杖椅，只需老人在解除拐杖體的固定后向下按壓，座椅與外套筒向下移動，即可帶動四組收縮支腿向拐杖體下桿的四周展開，直至四組收縮支腿的底部與拐杖腳在同一平面上。該拐杖椅承重能力較強(qiáng)，具有四角穩(wěn)定性，避免了坐下時重心不穩(wěn)導(dǎo)致的跌倒事件和跌倒引發(fā)的其他意外傷害事件的發(fā)生(圖2)。

2.2.3 拐杖腳設(shè)計

拐杖腳底面呈弧形，利于人體行走過程中的支點轉(zhuǎn)動。拐杖底部采用橡膠腳套。橡膠在較小的外力作用下能發(fā)生較大的形變，去除外力作用后又能恢復(fù)原來的形狀。非常適宜用于拐杖腳部承受較大壓力的情況。

2.3 材質(zhì)分析

當(dāng)今時代，材料的選擇和應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計中扮演了越來越重要的角色，材料的選擇關(guān)系到整個拐杖椅的安全性、便攜性及經(jīng)濟(jì)性。在眾多的可選擇材料中，經(jīng)過力學(xué)分析與成本分析后，決定在拐杖整體優(yōu)良鎂合金材料，椅面采用超纖皮材質(zhì)加上中間亞麻透氣材質(zhì)。超纖皮全稱超細(xì)纖維具有優(yōu)良的耐磨性、耐老化性。鎂合金產(chǎn)品相比鋁合金、不銹鋼的長處有以下幾個方面：（1）堅固耐用，強(qiáng)度高，承重能力強(qiáng)。（2）分量輕，便于老人平時攜帶，不會造成額外的負(fù)擔(dān)。（3）在彈性范疇內(nèi)，鎂合金具有優(yōu)良的抗震減震功能，老人用拐杖接觸較硬地面時，能緩沖地面對手臂的震動。（4）鎂合金作為鑄件，具有良好的鑄造性和尺寸穩(wěn)定性，降低了生產(chǎn)成本。

3 結(jié)論

在這款拐杖椅的設(shè)計過程中，我們主要著眼于四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行拐杖的重新設(shè)計，得到了一款人機(jī)結(jié)合具備拐杖和休息功能的拐杖椅，適合于高齡者使用的拐杖。它充分利用四桿機(jī)構(gòu)的運動特性，合理設(shè)計了各個零件的尺寸與加工制造方式，進(jìn)而使拐杖整體結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，受力合理，使高齡者出行更加安全。這款新型拐杖椅目前結(jié)構(gòu)已經(jīng)設(shè)計完畢，但是在重要的受力變形與結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面仍然有很大的改進(jìn)空間，接下來我們團(tuán)隊還將繼續(xù)通過資料查找、實驗分析、委托專業(yè)醫(yī)療器械機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢驗等措施對拐杖進(jìn)行更加深入的研究，完善功能。