一種新型拐杖椅設計結構

顏 蘇 張志輝 王 展 賈龍濤

（河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽471003）

1 概述

大多數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，由于各項身體機能的下降，不宜長時間行走，由此衍生出拐杖椅。現國內外已有將拐杖跟椅子結合成的多功能拐杖椅,有部分其結構功能單一、笨重不便、舒適性與穩定性不高；又有部分其附加功能、按鍵設置過多使得操作難度較高。這些產品絕大部分未深入了解國內高齡者生活習慣和確實需求，本文將介紹一種新型拐杖椅，通過簡單變形就可以達到兩用效果，內嵌彈簧裝置，在轉變拐杖椅形態時增加緩沖與助推功能，結構安全靈巧、攜帶使用方便、人機設計合理，其設計與實現方法如下。

2 設計方案

2.1 總體構架

新型拐杖椅在設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，在機構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，外套筒與下桿間設有彈性固結裝置和四組連桿結構用來實現拐杖與拐杖椅工作狀態的轉變，新型拐杖椅裝配圖如圖1 所示。

2.2 結構設計

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行折疊座椅的打開和吸合，改變使用功能，結構合理，轉變靈活快捷。當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，根據人機工程學原理，拐杖的手柄應當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，通過一個彈性固結裝置實現固定外套筒與下桿，彈性固結裝置由簡單的彈性按鈕和彈性片構結而成，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，相當于有一個限位臺階，使彈簧發生形變。從而達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，在外套筒內壁有對稱的凹槽，拐杖體下桿上設計兩個卡位方形塊，防止外套筒和下桿之間發生圓周運動。外套筒底部設計為四個中心對稱的u 型槽，這些槽預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系。各主要組成構件之間的運動副關系為：收縮支腿和外套筒下部的u 型槽形成轉動副，拐杖體下桿和外套筒形成移動副，各個部分的轉動副都是通過圓柱銷連接形成的。在設計過程中，我們將四桿機構中的曲柄滑塊機構應用到了其中，可以實現椅腳的收縮和展開，且保證結構的合理性和結構的緊湊性。若要轉變成拐杖椅，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，具有四角穩定性，避免了坐下時重心不穩導致的跌倒事件和跌倒引發的其他意外傷害事件的發生(圖2)。

2.2.3 拐杖腳設計

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

2.3 材質分析

當今時代，材料的選擇和應用在產品設計中扮演了越來越重要的角色，材料的選擇關系到整個拐杖椅的安全性、便攜性及經濟性。在眾多的可選擇材料中，經過力學分析與成本分析后，決定在拐杖整體優良鎂合金材料，椅面采用超纖皮材質加上中間亞麻透氣材質。超纖皮全稱超細纖維具有優良的耐磨性、耐老化性。鎂合金產品相比鋁合金、不銹鋼的長處有以下幾個方面：（1）堅固耐用，強度高，承重能力強。（2）分量輕，便于老人平時攜帶，不會造成額外的負擔。（3）在彈性范疇內，鎂合金具有優良的抗震減震功能，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定性，降低了生產成本。

3 結論

在這款拐杖椅的設計過程中，我們主要著眼于四桿機構進行拐杖的重新設計，得到了一款人機結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。它充分利用四桿機構的運動特性，合理設計了各個零件的尺寸與加工制造方式，進而使拐杖整體結構簡單，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構已經設計完畢，但是在重要的受力變形與結構優化方面仍然有很大的改進空間，接下來我們團隊還將繼續通過資料查找、實驗分析、委托專業醫療器械機構進行檢驗等措施對拐杖進行更加深入的研究，完善功能。