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张坤之 张乃峰
（聊城鑫泰机床有限公司，聊城 252023）
通过对比近年人口普查数据发现，我国老龄化进程明显加快[1]，其中出行困难成为老年人的一大难题。所以，研究一款新型多功能爬楼辅助手杖，成为满足行动不便的人的生活需求的重要课题。
现在的手杖设计功能简单，不能很好地保证老年人的出行安全。基于现有产品模型及功能，设计了一款智能爬楼及登高辅助训练用的手杖，能够更好地帮助老年人及腿部受伤患者出行。该设计利用机械结构将手杖固定在楼梯扶手上，通过机械结构实现自锁来辅助使用者上楼。此外，手杖搭载单片机为主控芯片，利用全球定位系统（Global Positioning System，GPS），能够实时定位使用者的位置，实现功能的多样化。
在我国，赵昊琳通过SolidWorks建模并仿真爬楼车的运动轨迹，通过在爬楼车底座设计多个支点，解决了上下楼时存在的不平衡问题[2]。周艳萍阐述了如何选择登山杖，实验表明平地时手杖的高度为使用者身高的0.66倍效果最佳[3]。在国外，英国设计师AMOS发明了Stairsteady（稳稳的楼梯），由固定的栏杆和可移动的手柄组成。AMOS的设计主要考虑了英国老式住宅的楼道比较狭窄，不能做成座椅爬楼机的样式，对空间要求高，而且设备成本高。
设计的手杖可以方便使用者的家人随时掌握使用者的位置，避免发生紧急事故[4-5]。
3.1 原理概述
运用人机工程学设计手杖手柄部分，结合机械原理和机械设计曲柄滑块结构等原理，设计手杖底部和杆部的机械结构，加装微控制单元（Micro-Controller Unit，MCU）单片机最小系统、GPS模块及电动推杆等电子元器件。
3.2 整体设计
智能手杖的基本组成包括手杖手柄部分、手杖杆部和手杖底部3大部分。其中：手杖手柄部分含有前照灯；
手杖杆部含有电子元件、电动开关、伸缩卡扣及电动推杆等；
手杖底部含有曲柄滑块结构、升降杆及支撑腿等，如图1所示。
图1 手杖整体装配图
手杖设计的最大亮点在于手杖底部采用雨伞设计原理，通过安装在手杖中的电动推杆来控制升降杆的上升下降，进而带动曲柄滑块机构进行夹紧与扩张。
当使用者在进行上楼运动时，可以通过推杆电动开关来控制电动推杆的伸缩运动。电动推杆伸长时可夹紧楼梯扶手，使用者双手握住手杖杆部完成上楼运动。同时，使用者可以按动手杖杆部的伸缩卡扣，缩短手杖整体长度，方便其在狭窄的楼道内使用。上楼过程演示图，如图2所示。
图2 手杖使用演示图
当使用者在平地上使用时，该手杖采用的四腿支撑结构保证了使用时运动的平稳性，可防止使用者摔倒。当使用者在照明不良的狭窄楼道时，可以开启手杖手柄部分的前照灯进行照明。同时，手杖内部加装GPS定位元件，以便使用者出行突然发生记忆模糊、迷路等问题时，家人可迅速定位其位置。
3.3 手杖底部的设计
手杖底部的设计采用了四角支撑结构，在使用过程中4个支点同时受力，受力面积大，各角点的平均受力适中，所以结构非常稳定。使用者在不平整的路面上使用时，也可以保证手杖的平衡性防止摔倒，如图3所示。
图3 手杖底部整体装配图
手杖底部设计了4个曲柄滑块结构与四角上的支撑腿、手杖杆部的电动推杆和升降杆的相互配合运动。滑块与滑杆通过销轴连接。滑块与滑轨通过卡槽连接进行滑动。使用者在按动正转推杆开关时，电动推杆中电动机产生正转运动，从而推动升降杆伸长，如图4所示。4个腿上的滑块沿着滑轨向内收缩，可以夹紧楼梯扶手。当正转按钮断电时，电动推杆停止运行，处于上电状态产生自锁，此时使用者双手抓住手杖杆部，借力上楼。相反，当使用者手动按动反转推杆开关按钮时，手杖杆部的升降杆缩短，4个腿的滑块向外扩张，升降杆缩短，如图5所示。松开楼梯扶手，使用者此时可以沿着楼梯扶手向上推动手杖至新的位置。重复以上动作，完成借力上楼。该设计不仅可以给老年人带来便利，也可以用于腿部受伤行动不便的患者的康复训练[6]。
图4 升降杆伸长示意图
图5 升降杆缩短示意图
4.1 关键部件的有限元分析
设计通过SolidWorks Simulation进行手杖底部装配体的受力分析，具体步骤如下。
（1）在SolidWorks插件目录中找到Simulation并运行Simulation插件，启动后点击运行新算例。
（2）在工具栏中选择应用材料选项。本设计采用普通碳钢作为手杖底部材料，具体数据如表1所示。
表1 普通碳钢材料的具体数据
（3）选择固定夹具。只需要将手杖底部的底座与4个滑轨固定即可。
（4）定义外部载荷。
（5）划分网格。
为了更好地分析手杖底部的处理过程，上楼过程的简化受力图如图6所示。其中，G为重力，F为所用的拉力，f为摩擦力，FN为支持力。
图6 上楼受力分析图
其中，规定人体质量为m、加速度为g，F的大小等于G沿斜面向下的分力加上f，有
式中：质量m为60 kg；
楼梯角度为30°；
摩擦系数为0.2；
重力加速度g为9.8 m·s-2。将上述数值代入式（1），可计算获得F约为400 N。
本次设计的屈服极限σs为220.6 MPa，最大应力为170.3 MPa，最小应力为3.037×10-9MPa，安全系数为1.3，说明此设计满足要求。此外，最大位移为0.2 mm， 最大应变ε约为4.3×10-4，而普通碳钢的弹性模量E为2.1×105N·mm-2。根据E=σ/ε可知，设计满足刚度要求。
4.2 系统整体评价
设计的手杖的主要尺寸如图7所示，全长为91 cm， 符合老年使用者的身体高度。手杖杆部采用伸缩卡扣设计，可以缩短手杖杆部以适应使用者的身体高度。手杖将MOTEC的AM60电动推杆安装到手杖杆部的下端，以满足电动推杆的尺寸要求。
图7 手杖主要尺寸（单位：mm）
本次设计采用6061铝型材、普通碳钢以及轻型ABS塑料为原料，成本大约在150元，造价适中，易被大众接受。手杖整体质量约为1.94 kg，轻便稳固，使用者可轻松提起。手杖底部采用四角抓地结构，平稳支撑设计增加底座的稳固性，不易打滑，可保障使用者的出行安全。手杖手柄部分采用的轻型ABS塑料材质，选用上乘的三元共聚物原料，符合ISO9001标准。通过以上选材和静应力分析可知，设计的手杖寿命长，耐磨性好，适合反复使用。
文章提出一种新型智能手杖的设计结构，使得使用者可以自行出行，轻松上下楼。监护人及家属可以随时对使用者进行定位，满足了适用人群的出行需求，可更好地保证使用者的人身安全。
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