针对残疾人士的多功能拐杖设计

湛江科技学院 王 冠

江门东洋油墨有限公司 黄振中

这是针对残疾人出行生活不便而设计的多功能拐杖，运用单片机作为控制系统、同时内置GPS定位、GSM通信。可以实现舒适防滑、高度调节、超声波测距报警、摔倒报警、语音等功能。大多残疾人的出行都得依赖各类辅助出行的工具，而拐杖更是其中使用率最高的工具之一。盲人或下肢无力等类型的残疾人出行都得依靠拐杖，但传统拐杖缺点明显，甚至无法很好保障残疾人的出行安全。而多功能拐杖则摆脱了传统拐杖结构简单，功能单一，怕湿怕潮等问题。如今合金材料和各类高分子材料的快速发展，更为多功能拐杖的结构设计，关键性能的提升提供了很大的帮助。本文的拐杖，把手部分使用的是ABS树脂材料，杖身部分使用铝合金，底座脚垫使用防滑橡胶。从而实现防滑、舒适、耐用等目标。

残疾人安全出行问题一直是我国社会发展的主要问题之一。虽然如今在社会各界的帮助下，残疾人的出行得到了很大的帮助，但同时，城市交通也变得越来越拥挤，盲道被侵占，被破坏的程度很严重，残疾人的出行安全无法得到保障。用于辅助残疾人出行的工具拐杖，在传统意义上功能单一，结构简单，对残疾人出行所提供的帮助很有限，无法满足更多的需求。所以有必要通过新技术融合，设计一款针对残疾人士的包含定位，导航，求救，障碍检测等功能的多功能拐杖，为残疾人士出行提供便利。

1 拐杖的总体设计

拐杖的结构总体如图1所示，一般分为杖头（把手），杖身和底座。考虑到残疾人士上肢力量不足的可能，拐杖的质量最好不超过1kg。但拐杖也不能太轻，不然不一定可靠。综合人体的身高，手臂的长度等因素，拐杖的一般长度在70cm到100cm之间。对应身高从140cm到190cm。因此，多功能拐杖的总体高度初步设计从70cm～75cm到90cm～95cm，其中分为十档伸缩调节，每一档间只相差2cm，多档调节更能方便使用者找到合适自己的档位，得到更好的使用体验。在拐杖的结构设计过程时，不仅要设计合适的结构，材料的选择也很重要。适合的材料能使拐杖本身承重够强，安全性能好，不易损坏，体验好。

图1 拐杖的总体设计图

2 系统总体设计

多功能拐杖的系统由单片机负责控制、GPS模块负责定位、GSM通信实现联系、障碍物超声波感应报警、摔倒自动检测和报警、语音功能等模块组成。单片机作为控制系统，能实现这一系列的功能。当行走过程中遇到障碍物时，拐杖能通过超声波检测自动识别，同时系统会发出警示。当使用者摔倒时，拐杖能自动报警，通知周围的路人，依靠GPS定位和GSM通信模块，系统能对拐杖使用者的联系人进行及时的通知并报告准确的位置。

控制系统工作原理如图2所示：当拐杖感应到倾斜度发生变化时；立刻发出报警求援信号，报警时间持续15s；当前方有障碍物时；感应器会有相应的震动反馈，从而产生报警信号；当使用者迷失方位时；只需按下自我定位按钮即可得到语音播报；如需救援按下救援按钮即可。

图2 系统程序框图

3 拐杖的重要零件设计

3.1 杖头的结构设计

传统拐杖把手一般呈T字形，多功能拐杖的杖头形状结构应与一般拐杖保持类似如图3所示，在与手接触的部分采用贴合人手的设计。为了保证舒适握感同时避免打滑，还应该在把手表面进行磨砂。而且多功能拐杖的性能与一般拐杖不同。为了防止误触，按钮应该设计在杖头与杖身连接处靠里的侧面。把手部分采用了贴合人手的造型，在侧面设计了紧急报警，总开关，以及其他的各类功能按钮，在旁边还配有充电插口。这里特意用了两种不同的颜色作为紧急报警和开关的按钮，其中红色是紧急报警按钮，绿色是多功能拐杖的开关。同时，紧急报警的开关的位置设计得离人手的距离最远，不容易误触。

图3 杖头部分结构设计图

3.2 杖身的结构设计

多功能拐杖杖身上方设有超声波传感器和播音喇叭等。杖身中空，以便各种电子元器件的安装。且有十档调节的长短伸缩管。下方设有旋转锁扣，在拐杖高度调节好以后再固定旋转锁扣，形成双重保险，保障拐杖的安全可靠。

杖身装配好后的主体形状初定为直径约2cm的圆柱形，杖身壁厚参考市面上的工艺取0.12cm。杖身具体分为上下两部分的空心圆柱形，上下部分之间采用过渡配合，上杆直径比下杆略大。上杆长度初定为45cm，外壁直径2.20cm，壁厚0.12cm。其中上杆的顶部与手柄连接固定，安装有测距传感器和播报喇叭，底部有十个调节高度档位用的小孔和一个旋转锁扣（如图4所示）；杖身下杆长度初定35cm，外壁直径1.9cm。下杆与底座相连接，上面设有用于实现管伸缩的一个弹珠，下面设有与底座连接用的两个弹珠（如图5所示）。初定两杆组合后最短长度为50cm，最长长度为70cm。

图4 杖身上部分

图5 杖身下部分

3.3 底座结构设计

底座结构采用四脚底座，这种底座的特点是承重能力高，适合行走不稳的人。四脚底座稳定最好，在进行充电的时候能够稳稳立住，而单足的底座就无法完成这一点。这次多功能拐杖设计的底座高约为12.30cm。上方是半径约为4cm的圆柱形，与杖身的下部分配合连接。四角底座的每个脚半径为1cm。每个脚都安有底座脚垫，脚垫半径从最短1.50cm～2.76cm。底座结构初步设计如图6、图7所示。

图6 底座正面

图7 底座底面

4 拐杖强度校核

一般来说，人的体重都在300kg以下，考虑到使用者可能还会背上一些东西出门，取拐杖的载荷W为5000N。把手直径为3.5cm，且为实心，材料为ABS树脂。所以：

把手截面积：

A1=πr12=3846.5mm2

ABS树脂材料拉伸强度：

[σ]≧34Mpa

根据正应力公式：

σ1 =1.30Mpa≦[σ]

所以，半径为3.5cm的ABS树脂材料符合设计要求。

空心杖身半径为4cm，组合后最短长度lmin为50cm，材料是铝合金6061。

杖身截面积：

A2=lminr2=800000mm2

铝合金6061拉伸强度：

[σ]≧205Mpa

根据正应力公式：

σ2 =0.00625Mpa≦[σ]

所以铝合金材料符合设计要求。

下面是我用Pro/e的Mechanical模块对其进行有限元分析，取拐杖的载荷W为5000N，材料为ABS树脂，其有限元分析云图分布如图8所示。

图8 拐杖应力有限元分析图

从有限元分析的云图中可以看到，整个拐杖应力最大的地方主要分布在底座的铝合金板的中间，而且数值相对比较小，不会造成过大的形变，基本达到设计要求。

本文设计的多功能拐杖为T字型，总长70cm到90cm，杖身半径分别为2.2cm和1.9cm。把手部分采用ABS树脂材料，杖身和底座采用铝合金材料，底座脚垫为防滑橡胶材料。把手舒适防滑，杆身长度分为十档调节，底座部分稳定可靠。在功能方面基于单片机的控制，有GPS定位、障碍检测报警、摔倒检测自动报警、GSM通信紧急联系、语音播报等。为各类型残疾人和老年人做了充分的考量，在想法设法降低拐杖重量的同时，还增加各种各样的实用功能。从提高使用者的体验，提高拐杖安全性，耐用性，制造成本等多方面综合考虑设计。