爬樓及輔助訓練用登高手杖系統(tǒng)設計

張坤之 張乃峰

（聊城鑫泰機床有限公司，聊城 252023）

1 選題背景及意義

通過對比近年人口普查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，我國老齡化進程明顯加快[1]，其中出行困難成為老年人的一大難題。所以，研究一款新型多功能爬樓輔助手杖，成為滿足行動不便的人的生活需求的重要課題。

現(xiàn)在的手杖設計功能簡單，不能很好地保證老年人的出行安全?；诂F(xiàn)有產(chǎn)品模型及功能，設計了一款智能爬樓及登高輔助訓練用的手杖，能夠更好地幫助老年人及腿部受傷患者出行。該設計利用機械結構將手杖固定在樓梯扶手上，通過機械結構實現(xiàn)自鎖來輔助使用者上樓。此外，手杖搭載單片機為主控芯片，利用全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS），能夠實時定位使用者的位置，實現(xiàn)功能的多樣化。

2 國內外研究現(xiàn)狀

在我國，趙昊琳通過SolidWorks建模并仿真爬樓車的運動軌跡，通過在爬樓車底座設計多個支點，解決了上下樓時存在的不平衡問題[2]。周艷萍闡述了如何選擇登山杖，實驗表明平地時手杖的高度為使用者身高的0.66倍效果最佳[3]。在國外，英國設計師AMOS發(fā)明了Stairsteady（穩(wěn)穩(wěn)的樓梯），由固定的欄桿和可移動的手柄組成。AMOS的設計主要考慮了英國老式住宅的樓道比較狹窄，不能做成座椅爬樓機的樣式，對空間要求高，而且設備成本高。

設計的手杖可以方便使用者的家人隨時掌握使用者的位置，避免發(fā)生緊急事故[4-5]。

3 總體設計和主要機械結構設計

3.1 原理概述

運用人機工程學設計手杖手柄部分，結合機械原理和機械設計曲柄滑塊結構等原理，設計手杖底部和桿部的機械結構，加裝微控制單元（Micro-Controller Unit，MCU）單片機最小系統(tǒng)、GPS模塊及電動推桿等電子元器件。

3.2 整體設計

智能手杖的基本組成包括手杖手柄部分、手杖桿部和手杖底部3大部分。其中：手杖手柄部分含有前照燈；手杖桿部含有電子元件、電動開關、伸縮卡扣及電動推桿等；手杖底部含有曲柄滑塊結構、升降桿及支撐腿等，如圖1所示。

圖1 手杖整體裝配圖

手杖設計的最大亮點在于手杖底部采用雨傘設計原理，通過安裝在手杖中的電動推桿來控制升降桿的上升下降，進而帶動曲柄滑塊機構進行夾緊與擴張。

當使用者在進行上樓運動時，可以通過推桿電動開關來控制電動推桿的伸縮運動。電動推桿伸長時可夾緊樓梯扶手，使用者雙手握住手杖桿部完成上樓運動。同時，使用者可以按動手杖桿部的伸縮卡扣，縮短手杖整體長度，方便其在狹窄的樓道內使用。上樓過程演示圖，如圖2所示。

圖2 手杖使用演示圖

當使用者在平地上使用時，該手杖采用的四腿支撐結構保證了使用時運動的平穩(wěn)性，可防止使用者摔倒。當使用者在照明不良的狹窄樓道時，可以開啟手杖手柄部分的前照燈進行照明。同時，手杖內部加裝GPS定位元件，以便使用者出行突然發(fā)生記憶模糊、迷路等問題時，家人可迅速定位其位置。

3.3 手杖底部的設計

手杖底部的設計采用了四角支撐結構，在使用過程中4個支點同時受力，受力面積大，各角點的平均受力適中，所以結構非常穩(wěn)定。使用者在不平整的路面上使用時，也可以保證手杖的平衡性防止摔倒，如圖3所示。

圖3 手杖底部整體裝配圖

手杖底部設計了4個曲柄滑塊結構與四角上的支撐腿、手杖桿部的電動推桿和升降桿的相互配合運動。滑塊與滑桿通過銷軸連接?；瑝K與滑軌通過卡槽連接進行滑動。使用者在按動正轉推桿開關時，電動推桿中電動機產(chǎn)生正轉運動，從而推動升降桿伸長，如圖4所示。4個腿上的滑塊沿著滑軌向內收縮，可以夾緊樓梯扶手。當正轉按鈕斷電時，電動推桿停止運行，處于上電狀態(tài)產(chǎn)生自鎖，此時使用者雙手抓住手杖桿部，借力上樓。相反，當使用者手動按動反轉推桿開關按鈕時，手杖桿部的升降桿縮短，4個腿的滑塊向外擴張，升降桿縮短，如圖5所示。松開樓梯扶手，使用者此時可以沿著樓梯扶手向上推動手杖至新的位置。重復以上動作，完成借力上樓。該設計不僅可以給老年人帶來便利，也可以用于腿部受傷行動不便的患者的康復訓練[6]。

圖4 升降桿伸長示意圖

圖5 升降桿縮短示意圖

4 關鍵部件的有限元分析及整體評價

4.1 關鍵部件的有限元分析

設計通過SolidWorks Simulation進行手杖底部裝配體的受力分析，具體步驟如下。

（1）在SolidWorks插件目錄中找到Simulation并運行Simulation插件，啟動后點擊運行新算例。

（2）在工具欄中選擇應用材料選項。本設計采用普通碳鋼作為手杖底部材料，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 普通碳鋼材料的具體數(shù)據(jù)

（3）選擇固定夾具。只需要將手杖底部的底座與4個滑軌固定即可。

（4）定義外部載荷。

（5）劃分網(wǎng)格。

為了更好地分析手杖底部的處理過程，上樓過程的簡化受力圖如圖6所示。其中，G為重力，F(xiàn)為所用的拉力，f為摩擦力，F(xiàn)N為支持力。

圖6 上樓受力分析圖

其中，規(guī)定人體質量為m、加速度為g，F(xiàn)的大小等于G沿斜面向下的分力加上f，有

式中：質量m為60 kg；樓梯角度為30°；摩擦系數(shù)為0.2；重力加速度g為9.8 m·s-2。將上述數(shù)值代入式（1），可計算獲得F約為400 N。

本次設計的屈服極限σs為220.6 MPa，最大應力為170.3 MPa，最小應力為3.037×10-9MPa，安全系數(shù)為1.3，說明此設計滿足要求。此外，最大位移為0.2 mm， 最大應變ε約為4.3×10-4，而普通碳鋼的彈性模量E為2.1×105N·mm-2。根據(jù)E=σ/ε可知，設計滿足剛度要求。

4.2 系統(tǒng)整體評價

設計的手杖的主要尺寸如圖7所示，全長為91 cm， 符合老年使用者的身體高度。手杖桿部采用伸縮卡扣設計，可以縮短手杖桿部以適應使用者的身體高度。手杖將MOTEC的AM60電動推桿安裝到手杖桿部的下端，以滿足電動推桿的尺寸要求。

圖7 手杖主要尺寸（單位：mm）

本次設計采用6061鋁型材、普通碳鋼以及輕型ABS塑料為原料，成本大約在150元，造價適中，易被大眾接受。手杖整體質量約為1.94 kg，輕便穩(wěn)固，使用者可輕松提起。手杖底部采用四角抓地結構，平穩(wěn)支撐設計增加底座的穩(wěn)固性，不易打滑，可保障使用者的出行安全。手杖手柄部分采用的輕型ABS塑料材質，選用上乘的三元共聚物原料，符合ISO9001標準。通過以上選材和靜應力分析可知，設計的手杖壽命長，耐磨性好，適合反復使用。

5 結語

文章提出一種新型智能手杖的設計結構，使得使用者可以自行出行，輕松上下樓。監(jiān)護人及家屬可以隨時對使用者進行定位，滿足了適用人群的出行需求，可更好地保證使用者的人身安全。