多功能安全便捷型拐杖设计

宋运昊 许博文 张丹慧 张登博

摘要：针对老人使用拐杖出行，安全无法被保证，使用时导致手部酥麻，传统拐杖收纳时占用空间较大，收回拐杖的不方便等问题，设计出一种多功能安全便捷型拐杖。采用缓震器和仿生腿设计结合达到缓震效果的最佳化，倾角与同时锁定装置将拐杖与地面接触的面积大大增大，减少了因拐杖的四爪受力不均而导致倾滑的问题。机械锁定与旋转解除装置解决了拐杖不使用时占用空间大的问题，使用拐杖时，甩出伸缩杆，以机械锁定装置锁死达到支撑效果，收回拐杖，按下按钮，以弹簧的反作用力使机械锁定装置脱离卡死点，完成收回动作，使用起来相对方便。多功能安全便捷型拐杖得到了老人们肯定的评价。

关键词：多功能拐杖、安全便捷、缓震结构

前言

《世界人口展望：2019 年修订版》的数据显示， 到 2050 年，预计 80 岁或以上人口将增长两倍，从 2019 年的 1.43 亿增至 2050 年的 4.26 亿，同期我国 无论是老年人增长速度还是所占比重[1]，都超过世界 老龄化的速度和比重。而在老人群体中。65岁以上的老年人中至少有30%的人摔过一大跤，更有平衡能力差的老人由于害怕摔跤而限制了自己的身体活动和社会交往[2]。所以拥有一只多功能、安全问题严谨、使用便利、使用起来负担小的拐杖以成为了老人们的强烈愿望。而通过这样的方式既能鼓励老年人外出行走，积极生活，又能为其提供安全保障，使他们的家人在老年人享受外出散步和聚会的乐趣时免于担心。老年人也能因此找到生活的目标，保持一颗年轻的心[2]。

但经市场 调研发现，市面上拐杖质量参差不齐且功能单一，有的只能单单起到支撑作用，有的在支撑的基础上增加了照明功能，这些功能单一的拐杖并不能满足老年人日常生活需求。在现代日趋复杂多变的生活环境，辅助器材的不完善导致老年人的出行有了很多的障碍[3]。

一、普通拐杖存在的缺陷

（一）普通拐杖随使用时间增加易产生酥麻现象

拐杖作为一款辅助行走型用品，其主要目的是为了改善老人的行走质量。对减轻关节负重的程度和支撑身体有很好的效果，可减少因为下肢无力而产生的坡行现象。有关研究表明与平时正常行走相比，行走时使用拐杖，膝关节承受的压力可缓解22%，走起来更加舒适。而使用拐杖的过程是用手掌发力支撑腿部来改善腿部无力支撑的状况。在这一过程中对手掌造成的酥麻现象较为严重。

（二）普通拐杖易打滑滑倒

使用拐杖行走时，使用过程为将拐杖放与身体的前侧，行动方便的一条腿迈向与拐杖同一水平线，带动不方便的腿向前移动。在这个过程中，拐杖与地面并不是平行面，这时会造成受力不均，发生滑倒。

（三）普通拐杖不易收纳、携带

现有的普通拐杖大多为木制，由于其材质和工艺的限制，不易收纳和携带。还有一些可收缩式的拐杖（在这里举例一种可收缩式）。收缩式拐杖支架全部采用空心管结构，空心管壁厚 1mm。4个支撑管采用弹珠与8个孔洞相配合，实现拐杖 高度可调节[4]，这种可收缩式占用空间较少，但收回拐杖的方式绝大多数都需要用很大的力气来按压固定收缩杆的按钮来收回收缩杆，很不方便。如携带拐杖乘坐公共汽车时，普通拐杖不易收纳和携带的缺陷，就显得更为突出了。

二、产品设计方案

基于上述这些问题，本产品侧重解决了行走时受力时的稳定性问题和行走缓震问题，突破了现有拐杖的形式，减少了使用过程中产生的安全问题，增加了使用的便捷性和舒适性。

外部主要设计：对比现有市场上的拐杖，本项目所涉及的拐杖设计为手动伸缩杆式，只需轻轻一甩便可伸出杆身，收回时按动按钮带动杆身旋转脱离卡死点，收回;手柄部采用握把和肘拐相结合的形式，让老人可以以自己感到舒适的状态完成行走工作;拐杖的支撑部分与机械腿部分，在增加了弹簧缓震的作用下能更有效地缓解手部压力。

内部主要设计：在拐杖杆部和支撑部分采用倾角设计，防止受力不均引起侧滑，更具安全性;撑爪内部采用弹簧设计，老年人在使用时可大大减少对手部的压力，具有很好的缓震功能。

三、主要技术特点

（a）缓震结构

缓震器采用金属复合材料弹簧为基本机构，具有稳定、承载力大 、固有频率低、阻尼指数小、水平弯曲应变小的特点。在机械腿（如图2），握把下部（如图3），地面支撑（如图4）三处各自设置不同形式的弹簧减震器来缓解反作用冲击。四只机械腿同时固定连接处考虑受力较大，所以设计为单弹簧、大弹簧缓震器。握把受力对挤压杆进行挤压，挤压杆压缩弹簧实现缓震，所以设计为单弹簧、大弹簧缓震器。地面支撑处考虑与地面直接接触，缓震器的接触面积大，弹簧高度不易过高，所以设计为四弹簧、小弹簧设计。

结合三处的弹簧减震器的设计，拐杖的缓震性得到了大大提高。拐杖的缓震装置，使用者向下用力时，弹簧进行对力的作用的消减，从而达到减震的效果。

对比目前市场中的产品，使用者在使用拐杖支撑地面時，手部往往会因为支撑拐杖而容易产生疲惫麻木的感觉，增加弹簧设置使缓震效果大大增强，解决了这一问题。

（b）倾角与同时锁定装置的设计

倾角设计为球型包裹式（如图5），当使用者在向各个方向的移动时都可以保证底面的接触面最大，倾角最大不可超过15度。同时，设计同时锁定装置（如图6），保证四机械腿的活动可以同步进行，避免机械腿一只处于收缩状态导致的侧翻。使用者使用普通拐杖前进时，支撑部分并不能完全的平铺在地面上，而是会有一个支撑面不能接触地面，从而导致倾滑（地面潮湿情况更加明显）而在连接部分设计倾角和底部四机械腿以同时锁定装置固定，能够使四个支撑面有效的接触地面，更具安全性。

（c）仿生机械腿的设计

由于使用普通拐杖无法让使用者进行下蹲，弯曲膝盖等动作，本项目将撑爪设计为仿生机械腿（如图7），以人的腿部为模型，大腿小腿以杆件代替，以髋、膝盖、踝关节为原型连接各杆件，并在各杆件连接处增加弹簧装置。针对用于人体膝关节的情况，要求在大小腿满足人腿摆动角度关系情况下，保证仿生关节中心点（ 膝关节中心点） 和下连杆末端（ 踝关节中心点） 的轨迹与人腿相应轨迹相同[5]。

仿生机械腿对比以往类型的拐杖，受力点相对靠前，更加符合人体工学。以在各连接杆件处增加的弹簧装置带动其机构进行小角度的拉伸-收缩运动，可以做到捡起掉落在地面上的物品等动作。

（d）机械锁定与旋转解除装置

将连接杆由传统伸缩杆改进为机械锁定装置（如图8），旋拧固定在第一节、第二节、第三节收缩杆末端的两个锁定模块，通过甩出打开伸缩杆时，锁定模块随同棍管运动，模块上的锁耳（卡榫）会卡在管内壁的锁定槽（螺旋状，靠近棍口圈的部分深，靠尾盖那段槽浅），牢牢地将一、二、三节管固定，完成开棍锁定。将轴按照轴线为四部分，将其中相对应的两部分设定为锁耳，锁定槽与锁耳设定相同。简单地讲，就是通过卡榫与卡槽的锁扣作用来阻止棍管缩回。收回时，按下按钮，对主杆施加的力通过弹簧反作用返还给按钮装置，按钮装置内部设计为导轨式锁定（如图9），与锁耳相连的主杆因按钮内部装置的脱离卡死点运动导致主轴旋转，从而完成卡榫旋转出锁定槽，完成收棍的设定。

通过对市场上大多数的拐杖的考察，杆部的设计大多数为推拉伸缩杆来调节长度，本项目创新点考虑到推拉伸缩杆需要用力按压杆上的金属豆来调节粗杆和细杆，老人手部力量往往不足，再加上这样调节的复杂性，耗费的时间往往较长。本产品通过机械锁定装置使杆与杆之间配合，按钮收回装置减轻了使用时所消耗的力量。同时也节约了时间。对比市场的推拉伸縮杆，在经过巨大的外力下，其固定的金属豆由于表面光滑往往会滑入下一个孔内，安全性往往不能保证。而机械锁定装置保证卡榫和槽卡死，以按压按钮设计进行收回。保证了安全性，也提供了便利性。

结论

多功能安全便捷型拐杖，针对普通拐杖的缺陷进行相应的改进优化，从缓震效果，防滑特性，方便携带方面入手，设计出一款符合大众要求的拐杖。在对设计进行更新的过程中，发现缓震器的缓震形式可选择液压，气压，弹簧式等形式，但考虑拐杖作为辅助行走工具，使用成本不易过大，在保证使用效果良好的情况下选择金属复合弹簧可以大大降低成本和生产难度。

通过与市面上大部分拐杖产品的对比，发现绝大多数拐杖在起到辅助行走功能的功能外增加了许多科技类的小功能，如播报时间、收听广播等功能具有一定娱乐价值，但在结构上，行走安全上进行研究的较少，如果将此项目的研究应用于市场中，市场前景较好，实际的推广价值较高。

参考文献：

[1]联合国经济和社会事务部.世界人口展望：2017 年修订版

[2]陈言.一种多功能智能拐杖的设计[J].艺术与设计（理论），2010，2（02）

[3]张鑫，白涛，李春雪.一种多功能拐杖的结构及功能设计[J].南方农机，2019，50（20）：144.

[4]曹旭，武荣耀，郑伟，戴振欢，李峰，魏丹.多功能拐杖方案设计[J].湖北农机化，2020（03）：183.

[5]扬基厚.机构运动学与动力学 北京：机械工业出版社，1987

基金项目： 临沂大学2021年大学生创新创业训练计划项目“多功能安全便捷型拐杖设计”（X202110452041）。