多功能安全便捷型拐杖設計

宋運昊 許博文 張丹慧 張登博

摘要：針對老人使用拐杖出行，安全無法被保證，使用時導致手部酥麻，傳統拐杖收納時占用空間較大，收回拐杖的不方便等問題，設計出一種多功能安全便捷型拐杖。采用緩震器和仿生腿設計結合達到緩震效果的最佳化，傾角與同時鎖定裝置將拐杖與地面接觸的面積大大增大，減少了因拐杖的四爪受力不均而導致傾滑的問題。機械鎖定與旋轉解除裝置解決了拐杖不使用時占用空間大的問題，使用拐杖時，甩出伸縮桿，以機械鎖定裝置鎖死達到支撐效果，收回拐杖，按下按鈕，以彈簧的反作用力使機械鎖定裝置脫離卡死點，完成收回動作，使用起來相對方便。多功能安全便捷型拐杖得到了老人們肯定的評價。

關鍵詞：多功能拐杖、安全便捷、緩震結構

前言

《世界人口展望：2019 年修訂版》的數據顯示， 到 2050 年，預計 80 歲或以上人口將增長兩倍，從 2019 年的 1.43 億增至 2050 年的 4.26 億，同期我國 無論是老年人增長速度還是所占比重[1]，都超過世界 老齡化的速度和比重。而在老人群體中。65歲以上的老年人中至少有30%的人摔過一大跤，更有平衡能力差的老人由于害怕摔跤而限制了自己的身體活動和社會交往[2]。所以擁有一只多功能、安全問題嚴謹、使用便利、使用起來負擔小的拐杖以成為了老人們的強烈愿望。而通過這樣的方式既能鼓勵老年人外出行走，積極生活，又能為其提供安全保障，使他們的家人在老年人享受外出散步和聚會的樂趣時免于擔心。老年人也能因此找到生活的目標，保持一顆年輕的心[2]。

但經市場 調研發現，市面上拐杖質量參差不齊且功能單一，有的只能單單起到支撐作用，有的在支撐的基礎上增加了照明功能，這些功能單一的拐杖并不能滿足老年人日常生活需求。在現代日趨復雜多變的生活環境，輔助器材的不完善導致老年人的出行有了很多的障礙[3]。

一、普通拐杖存在的缺陷

（一）普通拐杖隨使用時間增加易產生酥麻現象

拐杖作為一款輔助行走型用品，其主要目的是為了改善老人的行走質量。對減輕關節負重的程度和支撐身體有很好的效果，可減少因為下肢無力而產生的坡行現象。有關研究表明與平時正常行走相比，行走時使用拐杖，膝關節承受的壓力可緩解22%，走起來更加舒適。而使用拐杖的過程是用手掌發力支撐腿部來改善腿部無力支撐的狀況。在這一過程中對手掌造成的酥麻現象較為嚴重。

（二）普通拐杖易打滑滑倒

使用拐杖行走時，使用過程為將拐杖放與身體的前側，行動方便的一條腿邁向與拐杖同一水平線，帶動不方便的腿向前移動。在這個過程中，拐杖與地面并不是平行面，這時會造成受力不均，發生滑倒。

（三）普通拐杖不易收納、攜帶

現有的普通拐杖大多為木制，由于其材質和工藝的限制，不易收納和攜帶。還有一些可收縮式的拐杖（在這里舉例一種可收縮式）。收縮式拐杖支架全部采用空心管結構，空心管壁厚 1mm。4個支撐管采用彈珠與8個孔洞相配合，實現拐杖 高度可調節[4]，這種可收縮式占用空間較少，但收回拐杖的方式絕大多數都需要用很大的力氣來按壓固定收縮桿的按鈕來收回收縮桿，很不方便。如攜帶拐杖乘坐公共汽車時，普通拐杖不易收納和攜帶的缺陷，就顯得更為突出了。

二、產品設計方案

基于上述這些問題，本產品側重解決了行走時受力時的穩定性問題和行走緩震問題，突破了現有拐杖的形式，減少了使用過程中產生的安全問題，增加了使用的便捷性和舒適性。

外部主要設計：對比現有市場上的拐杖，本項目所涉及的拐杖設計為手動伸縮桿式，只需輕輕一甩便可伸出桿身，收回時按動按鈕帶動桿身旋轉脫離卡死點，收回;手柄部采用握把和肘拐相結合的形式，讓老人可以以自己感到舒適的狀態完成行走工作;拐杖的支撐部分與機械腿部分，在增加了彈簧緩震的作用下能更有效地緩解手部壓力。

內部主要設計：在拐杖桿部和支撐部分采用傾角設計，防止受力不均引起側滑，更具安全性;撐爪內部采用彈簧設計，老年人在使用時可大大減少對手部的壓力，具有很好的緩震功能。

三、主要技術特點

（a）緩震結構

緩震器采用金屬復合材料彈簧為基本機構，具有穩定、承載力大 、固有頻率低、阻尼指數小、水平彎曲應變小的特點。在機械腿（如圖2），握把下部（如圖3），地面支撐（如圖4）三處各自設置不同形式的彈簧減震器來緩解反作用沖擊。四只機械腿同時固定連接處考慮受力較大，所以設計為單彈簧、大彈簧緩震器。握把受力對擠壓桿進行擠壓，擠壓桿壓縮彈簧實現緩震，所以設計為單彈簧、大彈簧緩震器。地面支撐處考慮與地面直接接觸，緩震器的接觸面積大，彈簧高度不易過高，所以設計為四彈簧、小彈簧設計。

結合三處的彈簧減震器的設計，拐杖的緩震性得到了大大提高。拐杖的緩震裝置，使用者向下用力時，彈簧進行對力的作用的消減，從而達到減震的效果。

對比目前市場中的產品，使用者在使用拐杖支撐地面時，手部往往會因為支撐拐杖而容易產生疲憊麻木的感覺，增加彈簧設置使緩震效果大大增強，解決了這一問題。

（b）傾角與同時鎖定裝置的設計

傾角設計為球型包裹式（如圖5），當使用者在向各個方向的移動時都可以保證底面的接觸面最大，傾角最大不可超過15度。同時，設計同時鎖定裝置（如圖6），保證四機械腿的活動可以同步進行，避免機械腿一只處于收縮狀態導致的側翻。使用者使用普通拐杖前進時，支撐部分并不能完全的平鋪在地面上，而是會有一個支撐面不能接觸地面，從而導致傾滑（地面潮濕情況更加明顯）而在連接部分設計傾角和底部四機械腿以同時鎖定裝置固定，能夠使四個支撐面有效的接觸地面，更具安全性。

（c）仿生機械腿的設計

由于使用普通拐杖無法讓使用者進行下蹲，彎曲膝蓋等動作，本項目將撐爪設計為仿生機械腿（如圖7），以人的腿部為模型，大腿小腿以桿件代替，以髖、膝蓋、踝關節為原型連接各桿件，并在各桿件連接處增加彈簧裝置。針對用于人體膝關節的情況，要求在大小腿滿足人腿擺動角度關系情況下，保證仿生關節中心點（ 膝關節中心點） 和下連桿末端（ 踝關節中心點） 的軌跡與人腿相應軌跡相同[5]。

仿生機械腿對比以往類型的拐杖，受力點相對靠前，更加符合人體工學。以在各連接桿件處增加的彈簧裝置帶動其機構進行小角度的拉伸-收縮運動，可以做到撿起掉落在地面上的物品等動作。

（d）機械鎖定與旋轉解除裝置

將連接桿由傳統伸縮桿改進為機械鎖定裝置（如圖8），旋擰固定在第一節、第二節、第三節收縮桿末端的兩個鎖定模塊，通過甩出打開伸縮桿時，鎖定模塊隨同棍管運動，模塊上的鎖耳（卡榫）會卡在管內壁的鎖定槽（螺旋狀，靠近棍口圈的部分深，靠尾蓋那段槽淺），牢牢地將一、二、三節管固定，完成開棍鎖定。將軸按照軸線為四部分，將其中相對應的兩部分設定為鎖耳，鎖定槽與鎖耳設定相同。簡單地講，就是通過卡榫與卡槽的鎖扣作用來阻止棍管縮回。收回時，按下按鈕，對主桿施加的力通過彈簧反作用返還給按鈕裝置，按鈕裝置內部設計為導軌式鎖定（如圖9），與鎖耳相連的主桿因按鈕內部裝置的脫離卡死點運動導致主軸旋轉，從而完成卡榫旋轉出鎖定槽，完成收棍的設定。

通過對市場上大多數的拐杖的考察，桿部的設計大多數為推拉伸縮桿來調節長度，本項目創新點考慮到推拉伸縮桿需要用力按壓桿上的金屬豆來調節粗桿和細桿，老人手部力量往往不足，再加上這樣調節的復雜性，耗費的時間往往較長。本產品通過機械鎖定裝置使桿與桿之間配合，按鈕收回裝置減輕了使用時所消耗的力量。同時也節約了時間。對比市場的推拉伸縮桿，在經過巨大的外力下，其固定的金屬豆由于表面光滑往往會滑入下一個孔內，安全性往往不能保證。而機械鎖定裝置保證卡榫和槽卡死，以按壓按鈕設計進行收回。保證了安全性，也提供了便利性。

結論

多功能安全便捷型拐杖，針對普通拐杖的缺陷進行相應的改進優化，從緩震效果，防滑特性，方便攜帶方面入手，設計出一款符合大眾要求的拐杖。在對設計進行更新的過程中，發現緩震器的緩震形式可選擇液壓，氣壓，彈簧式等形式，但考慮拐杖作為輔助行走工具，使用成本不易過大，在保證使用效果良好的情況下選擇金屬復合彈簧可以大大降低成本和生產難度。

通過與市面上大部分拐杖產品的對比，發現絕大多數拐杖在起到輔助行走功能的功能外增加了許多科技類的小功能，如播報時間、收聽廣播等功能具有一定娛樂價值，但在結構上，行走安全上進行研究的較少，如果將此項目的研究應用于市場中，市場前景較好，實際的推廣價值較高。

參考文獻：

[1]聯合國經濟和社會事務部.世界人口展望：2017 年修訂版

[2]陳言.一種多功能智能拐杖的設計[J].藝術與設計（理論），2010，2（02）

[3]張鑫，白濤，李春雪.一種多功能拐杖的結構及功能設計[J].南方農機，2019，50（20）：144.

[4]曹旭，武榮耀，鄭偉，戴振歡，李峰，魏丹.多功能拐杖方案設計[J].湖北農機化，2020（03）：183.

[5]揚基厚.機構運動學與動力學 北京：機械工業出版社，1987

基金項目： 臨沂大學2021年大學生創新創業訓練計劃項目“多功能安全便捷型拐杖設計”（X202110452041）。