基于釩鈦特性下的新型多功能手杖設(shè)計(jì)

謝禹琳 谷騰飛 史珂銘

摘 要：人口發(fā)展老齡化是不可避免的趨勢(shì)，設(shè)計(jì)一款適合老年人實(shí)際需求的產(chǎn)品是設(shè)計(jì)的趨勢(shì)，也是市場的需求。做為老年人常用的輔助行走工具，新型多功能手杖的設(shè)計(jì)具有重大意義。本文結(jié)合釩鈦材料的結(jié)構(gòu)特性，運(yùn)用輕量化和以人為本的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)出一款結(jié)構(gòu)新穎、質(zhì)量輕、功能豐富、使用壽命長和使用便捷的手杖。

關(guān)鍵詞：釩鈦；手杖；老年人；輕量化；多功能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.217

1 引言

根據(jù)中國人民大學(xué)的調(diào)查研究，如今老年人口年均增加800萬，預(yù)計(jì)至2050年將達(dá)4.3億人。人口老齡化是世界性的人口發(fā)展趨勢(shì)，不少老年人的手杖是不理想的，一根合適的手杖對(duì)老年人的安全十分重要[1]。手杖作為老年人生活中最常用的產(chǎn)品之一，可運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)原理對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)性設(shè)計(jì)，使用戶通過拆卸、重組或更換部分零部件，完成產(chǎn)品樣式的更新，以滿足不同老年人的助行需求[2]。本文基于新型材料——釩鈦，結(jié)合輕量化設(shè)計(jì)原則為老年人設(shè)計(jì)出一款輕便、易拆卸且具有多種功能的新型手杖。

2 老年人的生理變化及新型手杖以人為本設(shè)計(jì)原則

老年人的生理變化如下：（1）各種生理機(jī)能的逐漸下降，容易重心不穩(wěn)、跌倒；（2）老年人的骨質(zhì)因?yàn)槿扁}變的脆弱，韌性降低，易發(fā)生骨折和駝背[3]；（3）老年人記憶力降低，易疲勞、對(duì)外界變化反應(yīng)遲鈍和平衡能力降低等。這些都極大的限制了老年人自身的身體活動(dòng)和社會(huì)交往。設(shè)計(jì)是伴隨著人類文明的不斷發(fā)展而產(chǎn)生、發(fā)展和變化的，它是在指定環(huán)境下，人們?yōu)闈M足某種需求而做的有目的性和有意識(shí)的行為。人的各種行為需要是設(shè)計(jì)的根本和動(dòng)力。以人為本的設(shè)計(jì)原則就是滿足人性的需求判斷一切外部事物基本條件，任何設(shè)計(jì)都應(yīng)堅(jiān)持注重人性和人格的健全和發(fā)展。特別是面對(duì)老年人這一龐大而特殊的人群，更應(yīng)該結(jié)合其自身生理特點(diǎn)堅(jiān)持以人為本的設(shè)計(jì)原則。

3 新型手杖輕量化設(shè)計(jì)原則

新型多功能手杖輕量化的目的是以手杖各項(xiàng)性能不變?yōu)榍疤幔档褪终雀鞑糠仲|(zhì)量以降低手杖的整體質(zhì)量，使老年人的日常使用更為方便。本文通過使用新型釩鈦材料作為手杖的主要材料，滿足手杖所需強(qiáng)度和剛度的條件下，減輕手杖整體質(zhì)量。釩鈦被分別稱為“現(xiàn)代工業(yè)的味精”和“戰(zhàn)略金屬”，釩鈦及其合金具有抗腐蝕、高強(qiáng)度、無磁性、人體適應(yīng)性好、形狀記憶、耐高溫和超導(dǎo)等優(yōu)異性能，由于其輕型高強(qiáng)度的特點(diǎn)，在鋼鐵、化工、航空航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。例如，釩85%在鋼鐵工業(yè)中得到應(yīng)用，在鋼中加入釩，可以改善鋼的耐磨性、強(qiáng)度、硬度、延展性等性能，加入0.1%的釩，可增強(qiáng)鋼強(qiáng)度10%-20%，降低結(jié)構(gòu)重量15%-25%，有效的降低結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。本文所設(shè)計(jì)的手杖運(yùn)用釩鈦材料可有效的實(shí)現(xiàn)手杖輕量化設(shè)計(jì)原則。

4 手杖的功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

新型多功能手杖相對(duì)于簡單手杖，其擁有更多結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)。如照明裝置、計(jì)步裝置、減震助力結(jié)構(gòu)和防倒結(jié)構(gòu)。

（1）照明裝置。手杖手柄處采用LED照明裝置。LED具有耗電量小、壽命長、體積小、無污染、易集成化等特點(diǎn)，在現(xiàn)代光電系統(tǒng)和照明中有著廣泛的應(yīng)用和良好的發(fā)展前景[4]。在手柄前端安置了一顆LED燈，可調(diào)節(jié)開關(guān)當(dāng)為實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)LED燈的亮度，方便老人更多需求。在手柄尾部安裝有LED燈的供電裝置，本文手杖采用一個(gè)蓄電池，通過USB接口進(jìn)行充放電，并在手柄尾部側(cè)身有充電指示燈。當(dāng)充電時(shí)為紅燈，充滿電時(shí)，指示燈為綠燈。手杖上安裝照明裝置可大大方便老人在夜間上下樓梯和當(dāng)老人到達(dá)自家門口時(shí)，可容易找到鑰匙及鑰匙孔便捷打開房門。

（2）計(jì)步裝置。計(jì)步器是一種計(jì)量工具，它是通過統(tǒng)計(jì)步數(shù)、距離、速度、時(shí)間等數(shù)據(jù)，測(cè)算卡路里或熱量消耗，用以掌控運(yùn)動(dòng)量。新型多功能手杖在杖身與手柄處安裝了計(jì)步裝置和液晶顯示屏，液晶顯示屏顯示每天的運(yùn)動(dòng)步數(shù)，每次計(jì)數(shù)范圍0-99999且無需連接手機(jī)，操作方便。計(jì)步器內(nèi)置3D加速度傳感器、低能耗芯片和大容量電池。3D加速度傳感器計(jì)步器比2D計(jì)步器更加先進(jìn)，誤差在5%以內(nèi)，一顆電池可續(xù)航兩年左右，環(huán)保節(jié)能。當(dāng)老年人在健身運(yùn)動(dòng)時(shí)，多功能新型手杖可顯示每日運(yùn)動(dòng)步數(shù)，提醒老年人每日運(yùn)動(dòng)量，防止老年人運(yùn)動(dòng)量不足，或運(yùn)動(dòng)過量。

（3）減震助力結(jié)構(gòu)。通過利用老年人使用手杖特性，本文在多功能新型手杖上設(shè)有減震助力結(jié)構(gòu)。減震助力結(jié)構(gòu)主要采用波形彈簧。它是金屬薄圓環(huán)上具有若干峰谷的彈性元件，所受載荷和變形量均不大。廣泛運(yùn)用于要求彈簧剛度較小需施加軸向預(yù)壓力，需要減重和較小安裝空間的場合。波型彈簧的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用范圍符合文中手杖的輕量化設(shè)計(jì)原則和手杖自身結(jié)構(gòu)特性。相較于普通手杖，當(dāng)老年人使用有減震助力結(jié)構(gòu)的手杖向下與地面接觸時(shí)，波型彈簧吸收地面?zhèn)飨蚴终鹊姆醋饔昧Γ瑴p少地面對(duì)老年人手掌的沖擊力；當(dāng)手杖離開地面時(shí)，波形彈簧可提供向上的作用力，使老年人使用手杖更加省力，增加手杖的使用性。

（4）防倒裝置。隨著年齡的增長，老年人的身體尺寸和形狀都在發(fā)生變化，這些都造成其身體重心產(chǎn)生變化，平衡性也隨之變差，進(jìn)而出現(xiàn)步履蹣跚的情形，大多數(shù)的運(yùn)動(dòng)機(jī)能也有不同程度的減弱[5]。老年人臀部和背部的關(guān)節(jié)力量開始削弱，如果彎腰迅猛或者做得次數(shù)太多，可能會(huì)造成骨折等現(xiàn)象。老年人使用手杖時(shí)常常會(huì)有手杖跌倒在地上的情況，為防止老年人彎腰撿手杖時(shí)發(fā)生嚴(yán)重后果，本文對(duì)手杖設(shè)計(jì)了防倒裝置。防倒裝置由手杖底座和圓形橡膠塊組成。當(dāng)手杖滑落時(shí)，老年人可通過用腳輕踩橡膠塊一側(cè)便可使手杖自動(dòng)彈起，避免了老年人彎腰撿手杖的不利行為。

5 結(jié)論

（1）本文結(jié)合新型釩鈦材料的特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用輕量化和以人為本的設(shè)計(jì)原則為老年人設(shè)計(jì)出的手杖更具有質(zhì)量輕、耐磨性好和高強(qiáng)度的特點(diǎn)。（2）新型多功能手杖結(jié)構(gòu)簡單、功能豐富、設(shè)計(jì)新穎、使用便捷和以人為本。讓老年人體會(huì)到人們對(duì)其的關(guān)懷。（3）新型多功能手杖制造成本低、使用壽命長和工藝性好。目前老年人市場龐大，緊缺適合老年人使用的產(chǎn)品，此多功能手杖可進(jìn)行規(guī)模性的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]許世虎，翁世煜.老年人手杖模塊化設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2014，

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[3]董旭，李文峰，牛永榮，萬守益，孫亞華.論老年人新型多功能拐杖設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代裝飾（理論），2015（02）：10.

[4]羅曉霞.LED照明系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].中國科學(xué)院研究生院（長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所），2011.

[5]劉艷霞，李志華，趙鵬.老年人防跌倒輔助手杖的設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，24（04）：201-203.

作者簡介：謝禹琳（1996-），男，四川巴中人，本科，研究方向：車輛工程。