基于釩鈦特性下的新型多功能手杖設計

謝禹琳 谷騰飛 史珂銘

摘 要：人口發展老齡化是不可避免的趨勢，設計一款適合老年人實際需求的產品是設計的趨勢，也是市場的需求。做為老年人常用的輔助行走工具，新型多功能手杖的設計具有重大意義。本文結合釩鈦材料的結構特性，運用輕量化和以人為本的設計原則，設計出一款結構新穎、質量輕、功能豐富、使用壽命長和使用便捷的手杖。

關鍵詞：釩鈦；手杖；老年人；輕量化；多功能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.217

1 引言

根據中國人民大學的調查研究，如今老年人口年均增加800萬，預計至2050年將達4.3億人。人口老齡化是世界性的人口發展趨勢，不少老年人的手杖是不理想的，一根合適的手杖對老年人的安全十分重要[1]。手杖作為老年人生活中最常用的產品之一，可運用模塊化設計原理對其進行系統性設計，使用戶通過拆卸、重組或更換部分零部件，完成產品樣式的更新，以滿足不同老年人的助行需求[2]。本文基于新型材料——釩鈦，結合輕量化設計原則為老年人設計出一款輕便、易拆卸且具有多種功能的新型手杖。

2 老年人的生理變化及新型手杖以人為本設計原則

老年人的生理變化如下：（1）各種生理機能的逐漸下降，容易重心不穩、跌倒；（2）老年人的骨質因為缺鈣變的脆弱，韌性降低，易發生骨折和駝背[3]；（3）老年人記憶力降低，易疲勞、對外界變化反應遲鈍和平衡能力降低等。這些都極大的限制了老年人自身的身體活動和社會交往。設計是伴隨著人類文明的不斷發展而產生、發展和變化的，它是在指定環境下，人們為滿足某種需求而做的有目的性和有意識的行為。人的各種行為需要是設計的根本和動力。以人為本的設計原則就是滿足人性的需求判斷一切外部事物基本條件，任何設計都應堅持注重人性和人格的健全和發展。特別是面對老年人這一龐大而特殊的人群，更應該結合其自身生理特點堅持以人為本的設計原則。

3 新型手杖輕量化設計原則

新型多功能手杖輕量化的目的是以手杖各項性能不變為前提，降低手杖各部分質量以降低手杖的整體質量，使老年人的日常使用更為方便。本文通過使用新型釩鈦材料作為手杖的主要材料，滿足手杖所需強度和剛度的條件下，減輕手杖整體質量。釩鈦被分別稱為“現代工業的味精”和“戰略金屬”，釩鈦及其合金具有抗腐蝕、高強度、無磁性、人體適應性好、形狀記憶、耐高溫和超導等優異性能，由于其輕型高強度的特點，在鋼鐵、化工、航空航天等領域廣泛應用。例如，釩85%在鋼鐵工業中得到應用，在鋼中加入釩，可以改善鋼的耐磨性、強度、硬度、延展性等性能，加入0.1%的釩，可增強鋼強度10%-20%，降低結構重量15%-25%，有效的降低結構的質量。本文所設計的手杖運用釩鈦材料可有效的實現手杖輕量化設計原則。

4 手杖的功能和結構特點

新型多功能手杖相對于簡單手杖，其擁有更多結構和功能特點。如照明裝置、計步裝置、減震助力結構和防倒結構。

（1）照明裝置。手杖手柄處采用LED照明裝置。LED具有耗電量小、壽命長、體積小、無污染、易集成化等特點，在現代光電系統和照明中有著廣泛的應用和良好的發展前景[4]。在手柄前端安置了一顆LED燈，可調節開關當為實現調節LED燈的亮度，方便老人更多需求。在手柄尾部安裝有LED燈的供電裝置，本文手杖采用一個蓄電池，通過USB接口進行充放電，并在手柄尾部側身有充電指示燈。當充電時為紅燈，充滿電時，指示燈為綠燈。手杖上安裝照明裝置可大大方便老人在夜間上下樓梯和當老人到達自家門口時，可容易找到鑰匙及鑰匙孔便捷打開房門。

（2）計步裝置。計步器是一種計量工具，它是通過統計步數、距離、速度、時間等數據，測算卡路里或熱量消耗，用以掌控運動量。新型多功能手杖在杖身與手柄處安裝了計步裝置和液晶顯示屏，液晶顯示屏顯示每天的運動步數，每次計數范圍0-99999且無需連接手機，操作方便。計步器內置3D加速度傳感器、低能耗芯片和大容量電池。3D加速度傳感器計步器比2D計步器更加先進，誤差在5%以內，一顆電池可續航兩年左右，環保節能。當老年人在健身運動時，多功能新型手杖可顯示每日運動步數，提醒老年人每日運動量，防止老年人運動量不足，或運動過量。

（3）減震助力結構。通過利用老年人使用手杖特性，本文在多功能新型手杖上設有減震助力結構。減震助力結構主要采用波形彈簧。它是金屬薄圓環上具有若干峰谷的彈性元件，所受載荷和變形量均不大。廣泛運用于要求彈簧剛度較小需施加軸向預壓力，需要減重和較小安裝空間的場合。波型彈簧的結構特點和使用范圍符合文中手杖的輕量化設計原則和手杖自身結構特性。相較于普通手杖，當老年人使用有減震助力結構的手杖向下與地面接觸時，波型彈簧吸收地面傳向手杖的反作用力，減少地面對老年人手掌的沖擊力；當手杖離開地面時，波形彈簧可提供向上的作用力，使老年人使用手杖更加省力，增加手杖的使用性。

（4）防倒裝置。隨著年齡的增長，老年人的身體尺寸和形狀都在發生變化，這些都造成其身體重心產生變化，平衡性也隨之變差，進而出現步履蹣跚的情形，大多數的運動機能也有不同程度的減弱[5]。老年人臀部和背部的關節力量開始削弱，如果彎腰迅猛或者做得次數太多，可能會造成骨折等現象。老年人使用手杖時常常會有手杖跌倒在地上的情況，為防止老年人彎腰撿手杖時發生嚴重后果，本文對手杖設計了防倒裝置。防倒裝置由手杖底座和圓形橡膠塊組成。當手杖滑落時，老年人可通過用腳輕踩橡膠塊一側便可使手杖自動彈起，避免了老年人彎腰撿手杖的不利行為。

5 結論

（1）本文結合新型釩鈦材料的特性和結構特點，采用輕量化和以人為本的設計原則為老年人設計出的手杖更具有質量輕、耐磨性好和高強度的特點。（2）新型多功能手杖結構簡單、功能豐富、設計新穎、使用便捷和以人為本。讓老年人體會到人們對其的關懷。（3）新型多功能手杖制造成本低、使用壽命長和工藝性好。目前老年人市場龐大，緊缺適合老年人使用的產品，此多功能手杖可進行規模性的設計和生產。

參考文獻：

[1]黃毓芯. 一款多功能智能手杖的設計與研究[D].華僑大學，2015.

[2]許世虎，翁世煜.老年人手杖模塊化設計研究[J].機械設計，2014，

31（09）：123-126.

[3]董旭，李文峰，牛永榮，萬守益，孫亞華.論老年人新型多功能拐杖設計[J].現代裝飾（理論），2015（02）：10.

[4]羅曉霞.LED照明系統的優化設計[D].中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所），2011.

[5]劉艷霞，李志華，趙鵬.老年人防跌倒輔助手杖的設計研究[J].機電產品開發與創新，2011，24（04）：201-203.

作者簡介：謝禹琳（1996-），男，四川巴中人，本科，研究方向：車輛工程。