多功能智能拐杖的設(shè)計(jì)

陳超峰 呂海霆

(大連科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116052)

1 整體結(jié)構(gòu)組成

本設(shè)計(jì)可分為4個(gè)部分——可收縮底座部分、按壓式伸縮杖體部分、臂托部分、智能化系統(tǒng)部分。整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示

圖1 多功能智能拐杖整體圖

可收縮底座起著拐杖的整體支撐作用，可進(jìn)行縮放操作改變大小來(lái)適用于不同的場(chǎng)景，并加有緩震結(jié)構(gòu)以提高拐杖使用的舒適性。伸縮杖體采用按壓式伸縮方式，無(wú)需老人彎腰操作。臂托裝置可分擔(dān)作用在把手上的重量，使老人能夠長(zhǎng)時(shí)間使用而不易疲勞。智能化系統(tǒng)置于拐杖內(nèi)部，其可對(duì)老人身體狀況與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并將老人的數(shù)據(jù)傳送至家人。

2 主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)

2.1 可縮放底座的設(shè)計(jì)

為使拐杖可以兼顧多種地形，底座部分被設(shè)計(jì)成可縮放模式。若在不平整的路上可讓底座收縮以便尋找著力點(diǎn)。若在較為濕滑的路面上，可張開(kāi)底座增大與地面的接觸面積來(lái)防滑。

如圖2所示，底座結(jié)構(gòu)采用的是連桿結(jié)構(gòu)四爪設(shè)計(jì)。通過(guò)上方的電機(jī)可帶動(dòng)底爪進(jìn)行縮放操作。其具體的工作原理是利用螺旋傳動(dòng)將回旋運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將帶動(dòng)與之相連的螺紋桿轉(zhuǎn)動(dòng)，可使內(nèi)置有螺母的中心架體實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，從而拉動(dòng)連桿讓底爪收縮或張開(kāi)。底爪的下方加有橡膠墊起防滑作用。

圖2 收縮底座結(jié)構(gòu)

底座與杖體是通過(guò)球形凹槽連接，杖體可以有小幅度的搖動(dòng)，類似于搖桿結(jié)構(gòu)。此項(xiàng)結(jié)構(gòu)使得杖體有小幅度的傾斜時(shí)，底座部分仍可以與地面完全接觸，避免拐杖發(fā)生打滑現(xiàn)象。在連接處增加了橡膠材質(zhì)的緩震結(jié)構(gòu)以減小拐杖落地時(shí)帶來(lái)的沖擊力，充分提高拐杖使用的舒適性。

2.2 按壓式伸縮杖體的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中杖體的調(diào)節(jié)并沒(méi)有采用傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式，而是利用彈簧與卡槽來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖3所示，杖體部分分為內(nèi)桿和外套桿。外套桿上每個(gè)30mm的距離都開(kāi)有半弧形的卡槽，因此在高度的調(diào)節(jié)上選擇更多。外套桿內(nèi)部的底端部分置有彈簧，彈簧與內(nèi)桿的底部是相連的。當(dāng)使用者需要調(diào)節(jié)拐杖高度的時(shí)候，向下按壓內(nèi)桿，此時(shí)彈簧收縮，可使內(nèi)桿凸點(diǎn)從外套桿的卡槽中脫離。然后再轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)桿使凸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)到豎直滑槽內(nèi)，之后再進(jìn)行高度調(diào)節(jié)。在確定高度后，再次轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)桿使凸點(diǎn)部分卡回弧形卡槽內(nèi)完成固定。此項(xiàng)結(jié)構(gòu)可以在老人站立的情況下完成，免去彎腰的麻煩。

圖3 按壓式收縮杖體結(jié)構(gòu)

2.3 臂托裝置的設(shè)計(jì)

臂托裝置設(shè)計(jì)的目的是為了使老人能夠輕松省力地使用拐杖，防止因手部乏力導(dǎo)致拐杖脫落，造成老人摔倒受傷。臂托裝置可以減輕拐杖把手對(duì)老人手腕處力的反作用力。其可輔助把手扶緊拐杖，減輕人體負(fù)重。

臂托部分的調(diào)節(jié)采用的是齒輪調(diào)節(jié)，局部圖如圖4所示。在臂托的前端部分連接固定有一個(gè)小的調(diào)節(jié)齒輪，齒輪可嚙合在把手內(nèi)的齒形滑塊上。在使用時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)滑塊位置來(lái)釋放調(diào)節(jié)齒輪，再對(duì)臂托的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)滑塊縮于把手內(nèi)時(shí)，臂托可隨意調(diào)節(jié)角度。調(diào)節(jié)完角度后，再移動(dòng)齒形滑塊與調(diào)節(jié)齒輪嚙合使臂托角度固定。臂托上也加有血壓與心率測(cè)量裝置，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老人的身體健康狀況，并將其數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芑到y(tǒng)中。

圖4 臂托裝置結(jié)構(gòu)

3 智能化系統(tǒng)

3.1 紅外測(cè)距傳感

在拐杖的把手上設(shè)有一個(gè)紅外測(cè)距傳感器。當(dāng)探測(cè)到前方有障礙物時(shí)，把手內(nèi)的傳感器將數(shù)據(jù)傳輸至云端服務(wù)器，再由服務(wù)器判定是否達(dá)到危險(xiǎn)距離。如果判定為有危險(xiǎn)，則反饋給把手內(nèi)的微型震動(dòng)馬達(dá)，馬達(dá)工作可產(chǎn)生震動(dòng)來(lái)提醒老人，這樣可以避免老年人夜間出行因視線不好帶來(lái)的危險(xiǎn)。

3.2 老人狀態(tài)監(jiān)測(cè)

通過(guò)在拐杖內(nèi)部置有陀螺儀和加速度計(jì)，可以檢測(cè)拐杖的位置情況。當(dāng)老人發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，拐杖的角度和加速度都會(huì)產(chǎn)生變化。因此陀螺儀可感知到角度的偏轉(zhuǎn)，加速度計(jì)可感知各方向上的加速度。再經(jīng)過(guò)分析與GPS定位，即可知曉老人運(yùn)動(dòng)軌跡與移動(dòng)速度。老人的家屬也可通過(guò)信息接收端掌握老人的去向。臂托裝置中的心率與血壓測(cè)量裝置也可以反饋老人的身體狀況數(shù)據(jù)，若有異常情況將緊急通知老人家屬。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)對(duì)拐杖進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，加入了可縮放的底座與臂托裝置，并輔以智能化交互系統(tǒng)。可縮放的底座能夠適應(yīng)多場(chǎng)景使用，免去手動(dòng)更換底座的麻煩，使得拐杖更加方便。臂托裝置的舒適性更好，能夠?yàn)槔先藴p輕手部負(fù)擔(dān)。智能化系統(tǒng)可為老年人群體提供多方面保障，通過(guò)智能化系統(tǒng)老人家屬可實(shí)時(shí)知曉老人信息，為家人帶來(lái)安心。