基于人因工程和电磁学的手杖设计

徐春波 闫龙 王宝运

摘 要：当下手杖的可利用性并不高，因此该文设计了一款使用简便的手杖。通过调查分析，该文设计了基于双轨式的电磁驱动结构和锁扣结构。为了让使用者更加舒适便捷，该设计应用了人因工程的设计思路，根据GB/T 10000—1988国家标准确定了拐杖伸缩的长度和手柄的形状。该次设计改进了传统的手杖，使其伸缩部分更方便、高效，握持舒适，便于操控。

关键词：人因工程；电磁传导；手杖

中图分类号：TP274 文献标志码：A

0 引言

随着科学技术以及生活水平的提高，传统的木制拐杖正在逐渐被淘汰。通过对盲人群体的调查发现，近些年来流行的机械伸缩拐杖，虽然弥补了传统拐杖不可伸缩的不足，但是仍然存在稳定性差、操作复杂等诸多问题。为了弥补机械伸縮拐杖的不足，满足人们的生活需求，我们团队利用电磁驱动原理，综合结合人因工程学，人体力学，电磁学等多个学科，从安全舒适的角度出发，对盲人手杖进行了优化设计，经过反复的实验测试，设计研发了基于电磁驱动和人因工程的智能伸缩拐杖。

1 研究思路

我们团队利用人因工程学和电磁动力学对拐杖外形以及伸缩装置进行了重新设计，根据GB 10000—1988《中国成年人人体尺寸标准》以及成年人的站姿、步频和盲人的走路习惯等对拐杖主体结构尺寸、重量、材质等进行了最优设计；另外根据GB/T 16252—1996《成年人手部号型标准》以及人的正常习惯性握姿，对拐杖手柄部分进行了重新设计。我们将拐杖设计划分为2个方面，分别是拐杖主体伸缩机构设计和手柄的人因工程设计。

我们团队运用电磁动力学原理对手杖的伸缩结构进行了重新设计，使手杖能够借助电磁力进行伸缩。手杖伸缩结构主要由2个部分组成，分别为外部的2根导轨和内部的伸缩内杆，电磁作用原理是对一侧的导轨进行通电，然后通过伸缩内杆的导电作用，将电流传导到另一侧的导轨，形成垂直向内的磁场，磁场力转化为对伸缩内杆的推力，完成伸缩杆的伸缩。

通过查询《中国标准数据库》确定了手杖外观设计方面所需的主要参数，再依据人因工程学，对手杖单元进行细化，经过反复实验对比论证，最终对手杖外观以及手柄外形进行优化设计。在整个研究过程中，我们主要分为2个阶段来进行设计研究。

1.1 前期设计阶段

我们通过查阅大量的数据资料，阅读大量相关文献，以及通过调查走访，综合分析了其生产制造的可行性，材质以及成本方面的可能性，市场需求性和市场前景。普通手杖没有考虑不同身高人群的需求差异性，也没有考虑不同重量材质对不同人群的影响度，我们根据调研结果对不同身高人群的最佳舒适长度进行实验计算，最终得出拐杖伸缩长度的最佳范围。

1.2 功能实现阶段

通过走访调查，并对取得的使用数据进行综合分析，运用人因工程学设计规范，总结出传统手杖的利弊，对传统手杖的不足之处进行重点设计。完成初步设计后运用3ds MAX构建空间几何模型，对手杖的尺寸，伸缩距等进行反复调整，确定最优的结构尺寸，并制造产品进行实用性验证，不断改进。

2 手杖整体设计分析

该文主要从5个方面对手杖的整体设计进行分析。分别是手杖尺寸设计分析、电磁驱动模块原理分析、电磁驱动模块动力分析、锁扣结构设计原理分析和基于人因工程的手柄部分设计。下面我们围绕这5个方面依次展开进行分析。

2.1 手杖尺寸设计分析

手杖的尺寸一般是指手杖的整体尺寸和伸缩尺寸。手柄整体尺寸应比人体站立时手掌离地距离略长，使盲人在使用手杖时用最小的力便能达到最佳的握持效果。该产品的目标人群为成年盲人群体，通过查阅国家标准GB/T 10000-1988《中国成年人人体尺寸》设计手杖尺寸。

参考我国 18～60 岁成年男性第95 百分位数身高及臂长数值（见表1）和 18～55 岁成年女性第95 百分位数身高及臂长数值（见表2），并增加适当的着装修正量和心理修正量，将手杖长度伸长状态下初始数值定为 840 mm～1 000 mm。

2.2 电磁驱动模块设计原理分析

图1为一个电磁驱动模块，由A1、A2、B1、A4这4个部分组成。其中A1、A4分别为正极导轨与负极导轨，A2为电枢（内杆），B1为导轨。

图2为电磁驱动原理的示意图，电磁驱动的工作原理主要是当驱动结构工作时，正负极导轨向相反方向通电，形成磁场，然后电枢通电，形成电枢磁场，磁场相互作用，产生驱动推力，推动电枢（内杆）前进。经过反复实验与精确计算，确定在电枢（内杆）运行到来前0.35 s内让正负导轨充电，而在电枢（内杆）经过后0.2 s之内停止送电并将电能输送到下一个模块的效率最高。每次伸缩仅需工作3 s～5 s。

2.3 电磁驱动模块动力分析

2.4 锁扣结构设计原理分析

图3为一个锁扣模块，目的是为了固定伸缩杆，确保拐杖的最佳长度，由A3、B1、B2这3个部分组成。其中A3、B2分别为外壁锁扣内孔与导轨锁扣内杆，B1为导轨（内杆）。锁扣结构工作原理为伸缩杆工作时，B2回缩，退出A3，内杆在电磁推动作用下进行伸缩，当长度最佳时，B2伸出，卡入A3，长度固定。

2.5 基于人因工程的手柄部分设计

如图4所示为我们团队基于人因工程进行的拐杖手柄部分设计模型。为了最大限度地降低手柄对手掌掌心的压力，手柄曲面应尽量贴合掌心曲面。在逆向工程软件中可以进行点云偏差分析。最大偏差值为2.025 mm，该极值点存在于手掌肌肉、掌纹的沟壑处。结合彩色矢量图，可知曲面大部分曲面与手掌偏差值约为±0.6 mm。点云偏差分析中，偏差平均值为0.71 mm。因此手柄曲面基本符合手掌曲面变化。A5契合人手握持时的手掌弧度贴合掌心曲面，A6、A7、A8为控制按钮，依据不同功能设计成不同形状大小按钮，有助于辨识。

3 结语

该文运用人因工程知识与电磁驱动原理，设计制作的新型电磁伸缩手杖，弥补了以往手杖的缺点，该次设计重在伸缩部分以及手柄部分的设计，使伸缩部分更智能，更高效，外形更加美观。使手柄握持体验感更强、更舒适、更便于握持操控。

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