一款便攜式多功能拐杖的設計與制作

江健，殷艷萍，施玉潔

（廣西機電職業技術學院 機械工程學院，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量，已經成為社會各界廣泛關注的焦點。拐杖作為老年人廣泛使用的一種工具，其設計衍生出許多新的研究課題。拐杖的發展也隨著適應老年人健康的需要具有多樣性的功能。在考察、調研、實驗的基礎上，設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、音樂、語音提醒、休息板凳等多功能于一身，結構簡單輕巧，攜帶方便，是一款既時尚又不失簡約實用的助老裝備。

1 設計思路

1.1 思路來源

人口老齡化已是當今世界上很多國家出現的現象，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助步器，同時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實需求進行創意設計構想[1]，對老年人的生理、心理特點和現有的多功能拐杖產品設計的現狀等方面進行分析，從而設計出適合老年人使用的具有GPS定位、LED照明、收音機、MP3音樂、語音提醒、摔倒警報、休息板凳、可調高度等多功能相結合的外觀時尚、簡約實用的多功能拐杖產品。

1.2 實體建模

根據前期調研分析，初步擬定產品的結構草圖，為了實現本設計的機械結構可行性，我們利用UG三維設計軟件進行產品實體建模。

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

圖1 拐杖實體建模

2 技術方案

（1）多功能拐杖的結構組成：手柄、LED燈、開關鍵、主線路板（含充電電池）、播放按鈕、警報燈、套手繩、喇叭、喇叭座（含蓋）、站立扶手、語音提醒模塊、主拄桿、調節桿、支腳、板凳。

（2）多功能拐杖的安裝方案：其手柄為中空結構，里面裝有收音機和MP3音樂的主要線路板（含充電電池）以及GPS定位系統，外部安裝了LED照明燈、開關鍵、播放按鈕、警報燈等組件。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，站起扶手設計為內空，里面安裝了語音提醒的單片機模塊，喇叭安裝在喇叭座內。調節桿與主拄桿采用套管方式安裝，并設置有螺紋旋緊結構，調節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處設計有一個可折疊的休息板凳，板凳用螺釘固定在調節桿上。

3 功能介紹

3.1 照明及警報

本款便攜式多功能拐杖的手柄上方有開關鍵，設計了夜間照明（Ⅰ）、閃燈警示（Ⅱ）、關閉（Ⅲ）、摔倒警報（Ⅳ）等四個檔位，如圖2所示。開關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；第三檔位為關閉檔；往后撥至第四檔位為摔倒警報，當老人摔倒時，開關撥到此檔位置，警報聲響起，同時閃光燈閃爍，及時得到路人的幫助。

圖2 開關鍵檔位

3.2 收音機及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

設計套手繩，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，當老人坐著需要起身站立時，把扶手桿展開放平，即可借力站起來。不需要時，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

站起扶手桿設計為內空，里面安裝了語音提醒模塊，如圖5所示。根據需要設置定時鬧鐘、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。單片機程序流程圖，如圖6所示。單片機設定了時間，“該吃藥啦”的語音定時播放，讓老人身邊多了一個小幫手。

圖5 語音模塊安裝

圖6 單片機程序流程

3.6 休息板凳

在距離地面300 mm處設計有一個可折疊的休息小板凳，板凳用螺釘固定在調節桿上。當老人行走累了，身邊又沒有合適的地方就座時，小板凳將適時給老人提供就座休息。板凳承重超過85 kg，采用了機械連桿原理，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。根據平時行走路況的不同，設計了兩款不同結構的支撐腳。如圖8所示。

圖8 支撐腳建模

3.8 高度可調

拐杖設計了多檔調節位置，高度調節范圍為：893～968 mm，輕輕按壓檔位銷，即可以根據老人的身高來調節拐杖的高度，怎么舒服怎么調。當拐杖高度調節好后，鎖箍再次固定，雙重鎖緊，更加牢固。如圖9所示。

圖9 高度調節

3.9 藥盒

在板凳下方空隙處，合理并巧妙地設計有一個藥盒，方便老人外出時攜帶藥品，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、調節桿部分、板座部分均可以拆卸為單獨組件，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

整體主要結構件均采用質輕堅固耐壓的碳素鋼或鋁鋰合金材料，主拄桿及調節桿為圓管，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，支腳與調節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、調節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，通過鋸切統一長為476 mm，上面鉆有間距25 mm的8個Φ8 mm圓孔，用于高度調節；調節桿為外徑Φ19 mm、壁厚1.5 mm的碳素鋼圓管，通過鋸切統一長為435 mm，上面鉆有1個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。根據三維實體建模，進行注射模具設計開發，通過模具注塑成型生產出手柄零件、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）調節桿支腳

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

5 產品裝配及使用

5.1 產品裝配

各零部件加工、生產出來并通過檢驗合格后，進行表面噴涂處理，然后流轉到下一道裝配工序。

（1）裝配手柄及照明燈

手柄為中空設計，從中間分開為左右兩件，通過螺絲進行合裝并固定，內部主要安裝線路板、LED燈、警報器與電池等電子元件；外部安裝開關按鈕等。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，由圓柱轉軸連接，把柄可翻轉收起和放下，把柄內部為中空設計，主要安裝語音提示模塊。

研究區羅安群由下至上可分為R1、R2、R3、R4四個組，銅鈷礦體主要賦存于R1和R2中(表1)。硅質巖主要分布在RSF和RSC中。RSF主要為層狀硅質白云巖、白云質硅質巖、硅質巖。白云質硅質巖、硅質巖具有霏細-粒狀結構，層狀、塊狀構造，主要由硅質、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巖逐漸過渡為石英巖，其硅質巖與RSF中的硅質巖具有相似的結構和組成，但主要呈塊狀、蜂窩狀構造，礦化主要呈浸染狀。

（3）裝配調節桿

把彈簧卡扣安裝至調節桿的Φ7.5 mm圓孔內，然后從主拄桿下端套入調節桿，并由鎖箍扭緊，以防松動。

（4）裝配板凳

板凳框架及坐面通過鉚釘連接，牢固可靠。支撐腳因需要翻轉折疊，所以采用了轉軸連接，并在兩支撐腳的中間安裝了展開固定桿，防止松動。由于板凳也需要翻轉折疊，故在其非支撐腳的另一側安裝套環轉軸，使其實現上下翻轉。板凳整體裝配好后，使套環從調節桿下端套入，并用螺紋固定于規定的高度。

（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，使用M4X20的螺釘把防滑橡膠墊安裝于支腳底部，然后將支腳從調節桿下端旋緊即可。

5.2 產品使用注意事項

該款多功能便攜拐杖，整體凈重為1.1 kg，在使用過程應注意以下7點事項：

（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）最大高度調節不能超過1000 mm。

（4）不能置于水中浸泡，以免電子元件失靈。

（5）充電時，應使用產品規定的充電設備。

（6）在山區或道路不平整環境中使用時，無需安裝板凳。

（7）如產品長期不使用，可以將主拄桿、調節桿及板凳拆卸下來放置好。

5.3 產品實物

通過三維仿真模擬，以及實物的不斷調試、修改，研發試制出該款多功能拐杖樣機。如圖10所示。

圖10 樣機實物

6 創新點及推廣應用價值

6.1 創新點

（1）音樂欣賞，打造屬于老人自己的音樂庫；

（2）吃藥語音提醒，喚起老人定時吃藥；

（3）摔倒警報，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 推廣應用價值

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、收音機和MP3音樂及摔倒警報模塊、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。該拐杖結構簡單牢固耐壓，整體選擇碳素鋼或鋁鋰合金等質輕且堅固的材料，成本低，實惠又實用，具有較好的推廣應用價值和市場前景[3]。

7 技術參數

該款多功能拐杖的技術參數（表1）。

表1 技術參數

8 結語

社會在進步，時代在發展。關心關愛身邊的老年人，是時代賦予我們的歷史使命。家家有老人，人人有老時。該款多功能拐杖呵護老人的健康與安全。

該款多功能拐杖既時尚又不失簡約，結構上分為手柄和休息板凳兩部分。兩部分結構可以拆卸，便于攜帶。手柄部分安裝有GPS定位系統、LED照明燈、收音機和MP3音樂及摔倒警示線路板、語音提醒模塊、站起扶手、套手繩、充電電池等結構零件；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、音樂、語音提醒、休息板凳等多功能于一身，結構簡單輕巧，攜帶方便，是一款既時尚又不失簡約實用的助老裝備，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輕且堅固的材料，成本低，實惠又實用，具有較好的推廣應用價值和廣闊的市場前景。