江健，殷艷萍，施玉潔

（廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530007）

0 引言

隨著我國人口漸趨老齡化，老年人的健康和生活質(zhì)量，已經(jīng)成為社會(huì)各界廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。拐杖作為老年人廣泛使用的一種工具，其設(shè)計(jì)衍生出許多新的研究課題。拐杖的發(fā)展也隨著適應(yīng)老年人健康的需要具有多樣性的功能。在考察、調(diào)研、實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)制作一款便攜式多功能拐杖。該拐杖集GPS定位、夜間照明、摔倒警報(bào)、音樂、語音提醒、休息板凳等多功能于一身，結(jié)構(gòu)簡單輕巧，攜帶方便，是一款既時(shí)尚又不失簡約實(shí)用的助老裝備。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 思路來源

人口老齡化已是當(dāng)今世界上很多國家出現(xiàn)的現(xiàn)象，老人出行多使用拐杖助步，但如今市面上的拐杖在功能方面都比較單一，但隨著生活條件的提高，老人們的出行不僅僅是需要一個(gè)助步器，同時(shí)還需要娛樂和智能化。新型多功能拐杖就是著眼于老年人的現(xiàn)實(shí)需求進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)構(gòu)想[1]，對(duì)老年人的生理、心理特點(diǎn)和現(xiàn)有的多功能拐杖產(chǎn)品設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀等方面進(jìn)行分析，從而設(shè)計(jì)出適合老年人使用的具有GPS定位、LED照明、收音機(jī)、MP3音樂、語音提醒、摔倒警報(bào)、休息板凳、可調(diào)高度等多功能相結(jié)合的外觀時(shí)尚、簡約實(shí)用的多功能拐杖產(chǎn)品。

1.2 實(shí)體建模

根據(jù)前期調(diào)研分析，初步擬定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)草圖，為了實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)可行性，我們利用UG三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行產(chǎn)品實(shí)體建模。

草圖設(shè)計(jì)后，采用UG NX12.0軟件對(duì)手柄、主桿、支腳、板凳、站立扶手、線路板等零件進(jìn)行實(shí)體建模，建模完成后再進(jìn)行零件裝配，通過建模和裝配，初步確定所設(shè)計(jì)的各零部件的配合尺寸切實(shí)可行，然后進(jìn)行零件拆分，編輯零件工程圖并導(dǎo)出所需的各零件圖[2]。實(shí)體建模，如圖1所示。

圖1 拐杖實(shí)體建模

2 技術(shù)方案

（1）多功能拐杖的結(jié)構(gòu)組成：手柄、LED燈、開關(guān)鍵、主線路板（含充電電池）、播放按鈕、警報(bào)燈、套手繩、喇叭、喇叭座（含蓋）、站立扶手、語音提醒模塊、主拄桿、調(diào)節(jié)桿、支腳、板凳。

（2）多功能拐杖的安裝方案：其手柄為中空結(jié)構(gòu)，里面裝有收音機(jī)和MP3音樂的主要線路板（含充電電池）以及GPS定位系統(tǒng)，外部安裝了LED照明燈、開關(guān)鍵、播放按鈕、警報(bào)燈等組件。手柄下方的主拄桿上套有一條手繩，以及安裝有站起扶手和喇叭座，站起扶手設(shè)計(jì)為內(nèi)空，里面安裝了語音提醒的單片機(jī)模塊，喇叭安裝在喇叭座內(nèi)。調(diào)節(jié)桿與主拄桿采用套管方式安裝，并設(shè)置有螺紋旋緊結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)桿下端安裝有支撐腳，支腳采用可拆卸的螺紋旋接方式安裝。在距離地面300 mm處設(shè)計(jì)有一個(gè)可折疊的休息板凳，板凳用螺釘固定在調(diào)節(jié)桿上。

3 功能介紹

3.1 照明及警報(bào)

本款便攜式多功能拐杖的手柄上方有開關(guān)鍵，設(shè)計(jì)了夜間照明（Ⅰ）、閃燈警示（Ⅱ）、關(guān)閉（Ⅲ）、摔倒警報(bào)（Ⅳ）等四個(gè)檔位，如圖2所示。開關(guān)往前推到第一檔位為夜間照明，方便夜間行走；第二檔位為閃燈警示，讓老人過馬路更安心；第三檔位為關(guān)閉檔；往后撥至第四檔位為摔倒警報(bào)，當(dāng)老人摔倒時(shí)，開關(guān)撥到此檔位置，警報(bào)聲響起，同時(shí)閃光燈閃爍，及時(shí)得到路人的幫助。

圖2 開關(guān)鍵檔位

3.2 收音機(jī)及MP3音樂

在手柄的直立部分安裝有播放按鈕，包括電源鍵、前翻鍵、后翻鍵、音量鍵，如圖3所示，打開電源鍵，通過前翻后翻鍵選擇自己喜歡的頻道，調(diào)整合適音量，即可傾聽各種娛樂頻道。支持TF卡播放，兼容MP3音頻文件，打造屬于老人自己的音樂庫，想聽什么就聽什么。

圖3 音樂按鍵圖

3.3 套手繩

設(shè)計(jì)套手繩，讓老人在行走過程中能杖不離手，安心、放心、舒心。如圖4所示。

圖4 套手繩

3.4 站起扶手

在套手繩的下方安裝了站起扶手桿，當(dāng)老人坐著需要起身站立時(shí)，把扶手桿展開放平，即可借力站起來。不需要時(shí)，便把扶手桿收起，緊貼拄桿，釋放空間。如圖4所示。

3.5 語音提醒

站起扶手桿設(shè)計(jì)為內(nèi)空，里面安裝了語音提醒模塊，如圖5所示。根據(jù)需要設(shè)置定時(shí)鬧鐘、吃藥提醒等，模塊從主線路板中的充電電池連線取電，喇叭裝在固定的喇叭座上。單片機(jī)程序流程圖，如圖6所示。單片機(jī)設(shè)定了時(shí)間，“該吃藥啦”的語音定時(shí)播放，讓老人身邊多了一個(gè)小幫手。

圖5 語音模塊安裝

圖6 單片機(jī)程序流程

3.6 休息板凳

在距離地面300 mm處設(shè)計(jì)有一個(gè)可折疊的休息小板凳，板凳用螺釘固定在調(diào)節(jié)桿上。當(dāng)老人行走累了，身邊又沒有合適的地方就座時(shí)，小板凳將適時(shí)給老人提供就座休息。板凳承重超過85 kg，采用了機(jī)械連桿原理，可折疊收起，既不妨礙拐杖的正常使用，又十分輕巧，使用起來隨心所欲。如圖7所示。

圖7 休息板凳建模

3.7 支撐腳

拐杖的支撐腳采用螺紋旋緊方式安裝，方便支腳的更換。根據(jù)平時(shí)行走路況的不同，設(shè)計(jì)了兩款不同結(jié)構(gòu)的支撐腳。如圖8所示。

圖8 支撐腳建模

3.8 高度可調(diào)

拐杖設(shè)計(jì)了多檔調(diào)節(jié)位置，高度調(diào)節(jié)范圍為：893～968 mm，輕輕按壓檔位銷，即可以根據(jù)老人的身高來調(diào)節(jié)拐杖的高度，怎么舒服怎么調(diào)。當(dāng)拐杖高度調(diào)節(jié)好后，鎖箍再次固定，雙重鎖緊，更加牢固。如圖9所示。

圖9 高度調(diào)節(jié)

3.9 藥盒

在板凳下方空隙處，合理并巧妙地設(shè)計(jì)有一個(gè)藥盒，方便老人外出時(shí)攜帶藥品，或固定放置藥品，解決了老人尋找藥品的煩惱。

3.10 拆卸攜帶

拐杖的主拄桿部分、調(diào)節(jié)桿部分、板座部分均可以拆卸為單獨(dú)組件，方便攜帶。拆卸后最長590 mm，最寬126 mm，厚為60 mm。

4 加工流程

4.1 選材

整體主要結(jié)構(gòu)件均采用質(zhì)輕堅(jiān)固耐壓的碳素鋼或鋁鋰合金材料，主拄桿及調(diào)節(jié)桿為圓管，板凳框架及支腳為方管，板凳面為鋁鋰合金板料（也可以用塑料板代替），手柄、站起扶手、喇叭座為塑料件，支腳與調(diào)節(jié)桿連接部分為鋁鋰合金材料，支撐腳與地面接觸部分為橡膠材料。

4.2 零件加工

（1）桿件加工

主拄桿、調(diào)節(jié)桿采用鋸切和鉆孔加工。主拄桿為外徑Φ22 mm、壁厚1.5 mm的碳素鋼圓管，通過鋸切統(tǒng)一長為476 mm，上面鉆有間距25 mm的8個(gè)Φ8 mm圓孔，用于高度調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)桿為外徑Φ19 mm、壁厚1.5 mm的碳素鋼圓管，通過鋸切統(tǒng)一長為435 mm，上面鉆有1個(gè)Φ7.5 mm圓孔，用于安裝定位彈簧卡銷。

（2）注塑成型

手柄、站起扶手和喇叭座均為注塑成型件。根據(jù)三維實(shí)體建模，進(jìn)行注射模具設(shè)計(jì)開發(fā)，通過模具注塑成型生產(chǎn)出手柄零件、站起扶手和喇叭座。

（3）板凳坐面壓鑄

板凳坐面采用1.5 mm厚的鋁鋰合金壓鑄成型，面積為242 mm×130 mm。

（4）板凳框架加工

（5）調(diào)節(jié)桿支腳

支腳采用鋁鋰合金車削加工。其上端車有螺紋，通過螺紋與調(diào)節(jié)桿旋接。底部的緩沖橡膠墊由橡膠模壓制而成。

5 產(chǎn)品裝配及使用

5.1 產(chǎn)品裝配

各零部件加工、生產(chǎn)出來并通過檢驗(yàn)合格后，進(jìn)行表面噴涂處理，然后流轉(zhuǎn)到下一道裝配工序。

（1）裝配手柄及照明燈

手柄為中空設(shè)計(jì)，從中間分開為左右兩件，通過螺絲進(jìn)行合裝并固定，內(nèi)部主要安裝線路板、LED燈、警報(bào)器與電池等電子元件；外部安裝開關(guān)按鈕等。手柄組合裝配好后與主拄桿上端通過螺紋固定連接。然后，套入手繩。

（2）裝配站起扶手及喇叭座

從主拄桿下端分別套入喇叭座和站起扶手。站起扶手分為基座和把柄兩部分，由圓柱轉(zhuǎn)軸連接，把柄可翻轉(zhuǎn)收起和放下，把柄內(nèi)部為中空設(shè)計(jì)，主要安裝語音提示模塊。

研究區(qū)羅安群由下至上可分為R1、R2、R3、R4四個(gè)組，銅鈷礦體主要賦存于R1和R2中(表1)。硅質(zhì)巖主要分布在RSF和RSC中。RSF主要為層狀硅質(zhì)白云巖、白云質(zhì)硅質(zhì)巖、硅質(zhì)巖。白云質(zhì)硅質(zhì)巖、硅質(zhì)巖具有霏細(xì)-粒狀結(jié)構(gòu)，層狀、塊狀構(gòu)造，主要由硅質(zhì)、金屬礦物和少量白云母等組成，金屬礦物及其氧化物沿裂隙呈脈狀或浸染狀分布。RSC從深部至地表由硅質(zhì)巖逐漸過渡為石英巖，其硅質(zhì)巖與RSF中的硅質(zhì)巖具有相似的結(jié)構(gòu)和組成，但主要呈塊狀、蜂窩狀構(gòu)造，礦化主要呈浸染狀。

（3）裝配調(diào)節(jié)桿

把彈簧卡扣安裝至調(diào)節(jié)桿的Φ7.5 mm圓孔內(nèi)，然后從主拄桿下端套入調(diào)節(jié)桿，并由鎖箍扭緊，以防松動(dòng)。

（4）裝配板凳

板凳框架及坐面通過鉚釘連接，牢固可靠。支撐腳因需要翻轉(zhuǎn)折疊，所以采用了轉(zhuǎn)軸連接，并在兩支撐腳的中間安裝了展開固定桿，防止松動(dòng)。由于板凳也需要翻轉(zhuǎn)折疊，故在其非支撐腳的另一側(cè)安裝套環(huán)轉(zhuǎn)軸，使其實(shí)現(xiàn)上下翻轉(zhuǎn)。板凳整體裝配好后，使套環(huán)從調(diào)節(jié)桿下端套入，并用螺紋固定于規(guī)定的高度。

（5）裝配支腳

支腳分為大、小兩種類型，大支腳適用于平坦的道路，小支腳適用于崎嶇不平的道路或山區(qū)，使用M4X20的螺釘把防滑橡膠墊安裝于支腳底部，然后將支腳從調(diào)節(jié)桿下端旋緊即可。

5.2 產(chǎn)品使用注意事項(xiàng)

該款多功能便攜拐杖，整體凈重為1.1 kg，在使用過程應(yīng)注意以下7點(diǎn)事項(xiàng)：

（1）板凳展開后承重不能超過100 kg。

（2）拐杖彎曲受力最大為800 N。

（3）最大高度調(diào)節(jié)不能超過1000 mm。

（4）不能置于水中浸泡，以免電子元件失靈。

（5）充電時(shí)，應(yīng)使用產(chǎn)品規(guī)定的充電設(shè)備。

（6）在山區(qū)或道路不平整環(huán)境中使用時(shí)，無需安裝板凳。

（7）如產(chǎn)品長期不使用，可以將主拄桿、調(diào)節(jié)桿及板凳拆卸下來放置好。

5.3 產(chǎn)品實(shí)物

通過三維仿真模擬，以及實(shí)物的不斷調(diào)試、修改，研發(fā)試制出該款多功能拐杖樣機(jī)。如圖10所示。

圖10 樣機(jī)實(shí)物

6 創(chuàng)新點(diǎn)及推廣應(yīng)用價(jià)值

6.1 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）音樂欣賞，打造屬于老人自己的音樂庫；

（2）吃藥語音提醒，喚起老人定時(shí)吃藥；

（3）摔倒警報(bào)，讓老人不再感到無助；

（4）休息板凳、站起扶手，讓老人的行走更加安心、貼心、舒心。

6.2 推廣應(yīng)用價(jià)值

該款便攜式多功能拐杖，適用于老年人及殘疾人，可拆分為手柄手持組件和提供休息的板凳組件兩部分，攜帶和使用起來十分方便。手柄手持部分安裝有LED照明燈、收音機(jī)和MP3音樂及摔倒警報(bào)模塊、語音提醒模塊、站起扶手、套手繩、充電電池等；休息板凳部分安裝了休息板凳、支撐腳等。該拐杖結(jié)構(gòu)簡單牢固耐壓，整體選擇碳素鋼或鋁鋰合金等質(zhì)輕且堅(jiān)固的材料，成本低，實(shí)惠又實(shí)用，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值和市場前景[3]。

7 技術(shù)參數(shù)

該款多功能拐杖的技術(shù)參數(shù)（表1）。

表1 技術(shù)參數(shù)

8 結(jié)語

社會(huì)在進(jìn)步，時(shí)代在發(fā)展。關(guān)心關(guān)愛身邊的老年人，是時(shí)代賦予我們的歷史使命。家家有老人，人人有老時(shí)。該款多功能拐杖呵護(hù)老人的健康與安全。

該款多功能拐杖既時(shí)尚又不失簡約，結(jié)構(gòu)上分為手柄和休息板凳兩部分。兩部分結(jié)構(gòu)可以拆卸，便于攜帶。手柄部分安裝有GPS定位系統(tǒng)、LED照明燈、收音機(jī)和MP3音樂及摔倒警示線路板、語音提醒模塊、站起扶手、套手繩、充電電池等結(jié)構(gòu)零件；休息板凳部分安裝了休息板凳、支撐腳等。該款多功能拐杖集GPS定位、夜間照明、摔倒警報(bào)、音樂、語音提醒、休息板凳等多功能于一身，結(jié)構(gòu)簡單輕巧，攜帶方便，是一款既時(shí)尚又不失簡約實(shí)用的助老裝備，可以老人的出行帶來極大的便利。該款多功能拐杖選擇碳素鋼或鋁鋰合金等質(zhì)輕且堅(jiān)固的材料，成本低，實(shí)惠又實(shí)用，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場前景。