藍(lán)業(yè)鴻，陳愛華，林培玲，李家鑫

（福州大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，福州 350108）

0 引言

近年來，隨著人口老齡化比重的增加，越來越多的老人出現(xiàn)在城市中，由于老人腿部骨骼功能的衰退以及其他身體機(jī)能的衰弱，老人的行動不方便已成為了一個難題。拐杖作為一種老人常用的輔助器，有著極大的需求市場。目前市場上出現(xiàn)了各式各樣的拐杖，這些拐杖的樣式雖多，但是大部分都只能對給老人的行走起一個起穩(wěn)定、負(fù)重、支撐地輔助作用，其較為單一的功能并不能滿足老人的其余需求。因此，針對于老人的需求來說，多功能拐杖的研究設(shè)計已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界熱點(diǎn)之一[1-2]。

目前許多的公共衛(wèi)生間雖然有專門針對殘疾人的設(shè)計，但缺少針對老人的設(shè)計，所以老人蹲下后的起身成為一個難題；目前市場上越來越多的行業(yè)開展面向老人的業(yè)務(wù)，但大部分沒有考慮老人本身行動不便、體力不足，不能夠長時間站著排隊等候的問題。針對以上問題，本文將吸附把手、臨時座椅這兩種功能整合到拐杖中，設(shè)計一種多功能助老拐杖[3-5]。本文所設(shè)計的拐杖構(gòu)造簡單，使用方便，不僅可以當(dāng)作普通的拐杖使用，還可以變換成為三角座椅，起到為老人提供臨時休息的作用；同時可以將拐杖手柄拆下，成為一帶有吸附吸盤和機(jī)械鉤的把手，有利于輔助老人坐下后更容易起身。

1 結(jié)構(gòu)組成和工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

本文所設(shè)計的拐杖由以下結(jié)構(gòu)組成[6-7]：包括拐柱，拐柱頂部可拆并設(shè)置有吸附把手機(jī)構(gòu)，把手上設(shè)有機(jī)械鉤11和吸附吸盤12；拐柱中部套設(shè)有沿拐柱長度方向上下移動的滑動套3 以及限制滑動套移動的限位槽14，滑動套側(cè)部鉸接設(shè)置有座椅板4，滑動套與座椅板之間可以進(jìn)行聯(lián)動；拐柱下側(cè)部設(shè)置有拐柱固定板5，拐柱固定板與座椅板下部之間設(shè)置有支撐桿6；拐柱下方設(shè)有延伸支腳9，拐柱下部設(shè)置有支撐腳架8，支撐腳架通過銷釘15連接于拐柱上。支撐腳架與延伸腳架之間設(shè)置有兩個拉桿16，支撐腳架下部設(shè)置有兩個腳架支腳10，兩個張開一定角度的腳架支腳與延伸支腳形成穩(wěn)定的三角支撐結(jié)構(gòu)。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 拐杖整體結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

本文所設(shè)計的拐杖具有吸附把手、臨時座椅這兩種功能。吸附把手采用的是真空吸附原理，利用吸盤在相對光滑的墻面上可以將把手固定；機(jī)械鉤的作用在于若壁面上存在凸起時，將位于吸附把手機(jī)構(gòu)上部的機(jī)械鉤勾在墻壁的凸起邊緣，同時將位于吸附把手機(jī)構(gòu)下部的吸盤吸附在相對光滑的墻上，固定牢固后，握住吸附把手機(jī)構(gòu)可以方便幫助老人起身。臨時座椅采用簡單的連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其功能[8-9]。兩個腳架支腳之間，支撐腳架與延伸支腳之間均通過四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)動，并通過支撐腳架上的卡套進(jìn)行固定，從而形成腳架穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)；座椅板部分通過連桿使滑動套與座椅板聯(lián)動，并采用限位槽和滑動套使座椅板固定。

2 功能實(shí)現(xiàn)

2.1 吸附把手功能

本文設(shè)計的拐杖吸附把手功能是通過將手柄設(shè)計成可拆卸把手。為了方便可拆卸連接，吸附把手機(jī)構(gòu)底部設(shè)有階梯軸4，拐柱頂部設(shè)有與階梯軸插接配合的軸孔5，用以實(shí)現(xiàn)插接（或者采用螺紋連接）[8-9]。吸附把手機(jī)構(gòu)手柄上方一側(cè)設(shè)置有吸盤3（吸盤可以選擇直徑30 mm的機(jī)械手硅膠真空吸盤），所述手柄上方另一側(cè)設(shè)置有呈彎曲狀的機(jī)械鉤2，兩端螺紋連接有手柄套栓6。使用時，將吸附把手機(jī)構(gòu)拆卸單獨(dú)拆卸下來，將機(jī)械鉤勾卡在墻壁處，吸盤吸附在較為光滑的墻面上，可充當(dāng)臨時的把手供老人使用。老人下蹲上廁所起身困難時，可以將手柄拆下并固定在壁面上從而輔助起身，使用完畢后，將吸附把手機(jī)構(gòu)重新裝回拐柱上，重新變?yōu)楣照鹊陌咽?。把手結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 把手結(jié)構(gòu)

2.2 臨時座椅功能

本文設(shè)計的拐杖臨時座椅功能主要包括座椅板的支撐固定以及腳架的支撐固定。

首先是座椅板的支撐固定。座椅板部分結(jié)構(gòu)如圖3所示。拐柱中部套設(shè)有沿拐柱長度方向上下移動的滑動套，滑動套上連接座椅板，座椅板與拐柱之間通過一支撐桿連接，各構(gòu)件之間通過轉(zhuǎn)動副連接。當(dāng)需要使用時，向下移動滑動套至限位槽底部固定，支撐桿擺動，座椅板聯(lián)動至水平狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)座椅板的展開與固定。為了加強(qiáng)穩(wěn)固性，滑動套外部還可以設(shè)置有定位件，用以貫穿滑動套與拐柱，當(dāng)滑動套滑動至限位槽底部時，采用定位件加強(qiáng)固定。

圖3 座椅板部分結(jié)構(gòu)

其次是腳架支撐部分。支撐腳架通過銷釘22連接于拐柱上。支撐腳架下部由前至后設(shè)置有兩個凹槽81，每個腳架支腳10 上部位于相應(yīng)的凹槽內(nèi)，支撐腳架外部設(shè)置有穿過支撐腳架及兩個腳架支腳的固定銷釘19，用以實(shí)現(xiàn)腳架支腳繞固定銷釘轉(zhuǎn)動。支撐腳架與延伸支腳之間設(shè)置有兩個連桿9，一個連桿鉸接于支撐腳架，另一連桿鉸接于延伸支腳，同時兩連桿的另一端相互鉸接在一起。當(dāng)連桿展開時，支撐腳架和延伸支腳可以形成一定角度。支撐腳架下部設(shè)置有支撐腳架卡套17，并位于兩個支撐支腳上方，通過卡套銷18 連接于支撐腳架上?？ㄌ椎淖饔脼榭ㄗ蓚€展開的支撐支腳形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

兩個腳架支腳之間設(shè)置有兩個連桿[10-11]，兩個連桿相互鉸接，其中一連桿的端部與其中一腳架支腳通過連接銷鉸接在一起，另一連桿的端部與另一個腳架支腳也通過連接銷鉸接在一起。支撐腳架上端用銷釘鉸接在拐柱上，兩個拉桿之間、其中一拉桿左端部與支撐腳架之間及另一拉桿右端部與延伸支腳支腳均通過銷軸鉸接在一起。腳架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 腳架部分結(jié)構(gòu)

3 使用方法

本文所設(shè)計的拐杖，平時使用時將拐杖的各部分收攏，可以當(dāng)做普通的拐杖進(jìn)行使用。

當(dāng)老人上廁所或是其他蹲下難以起身的情況下，可以將拐杖的手柄部分單獨(dú)拆卸下來，當(dāng)作吸附把手使用。方法如下：手柄拆下后，將位于吸附把手機(jī)構(gòu)上部的機(jī)械鉤勾在墻壁24的凸起邊緣，同時將位于吸附把手機(jī)構(gòu)下部的吸盤吸附在相對光滑的墻上，固定牢固后，老人可以握住把手從而更好地起身。使用結(jié)束后，將把手裝回重新作為拐杖手柄。把手固定方式如圖5所示。

圖5 把手固定方式

當(dāng)老人需要臨時休息時，先調(diào)整腳架支撐的部分：將支撐腳架繞銷釘轉(zhuǎn)動一定角度，使連接支撐腳架與延伸支腳的兩個拉桿聯(lián)動直至兩個拉桿處于水平狀態(tài)。然后將兩個腳架支腳繞固定銷釘分別向兩邊展開，同時連接腳架支腳的兩個連桿聯(lián)動直至水平狀態(tài)，兩個腳架支腳打開一定角度后，腳架支腳上部被支撐腳架卡套卡住，從而形成穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)。然后調(diào)整座椅部分：將拐柱上的滑動套移動至限位槽底部，隨著支撐桿擺動，座椅板可以恰好聯(lián)動至水平狀態(tài)，此時將滑動套固定，便形成一張臨時三角座椅，可以為老人提供休息場所。

4 三維建模

本文所設(shè)計的拐杖采用Solidworks 進(jìn)行三維建模[12]。拐杖的整體尺寸為：拐杖整體的高度是900 mm，直徑32 mm，座椅板離地高度為650 mm。把手部分使用光敏樹脂復(fù)合材料，同時為了拐杖有良好的受力情況并方便使用，拐杖的主體支撐部分采用鋁合金材料。

確定各零件的結(jié)構(gòu)尺寸后，在建模軟件中建立相應(yīng)零部件。首先打開Solidworks 軟件，選擇新建零件模型，在創(chuàng)建模型的界面中選擇“草圖”按鈕，然后選擇自己需要的草圖基準(zhǔn)面進(jìn)行草圖繪制并添加相應(yīng)尺寸。退出草圖后，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)選擇相應(yīng)的特征工具進(jìn)行創(chuàng)建，并設(shè)置零部件的材料。在各零件建立完畢后，在軟件中新建裝配體模型，插入拐杖各部分的零件然后依次對各零部件添加相關(guān)配合，最后成功建立裝配體。三維模型如圖6所示。

圖6 三維模型

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的拐杖利用機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計等知識對把手、支腳等部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使拐杖除了基本的支撐功能外，還實(shí)現(xiàn)了吸附把手和臨時座椅兩種功能。這不僅解決了單一的老人行動不便的問題，還加入了可休息恢復(fù)體力的功效，很好地解決了老人體力不足的問題。除此之外考慮到老人經(jīng)常坐下之后難以起身，還增加了一個吸附把手機(jī)構(gòu)，老人可以借助拐杖的吸附把手機(jī)構(gòu)來幫助起身。該拐杖設(shè)計合理，構(gòu)造簡單，功能多樣，使用方便，較大地滿足了老人的使用需求。