基于钒钛特性下的新型多功能手杖设计

谢禹琳 谷腾飞 史珂铭

摘 要：人口发展老龄化是不可避免的趋势，设计一款适合老年人实际需求的产品是设计的趋势，也是市场的需求。做为老年人常用的辅助行走工具，新型多功能手杖的设计具有重大意义。本文结合钒钛材料的结构特性，运用轻量化和以人为本的设计原则，设计出一款结构新颖、质量轻、功能丰富、使用寿命长和使用便捷的手杖。

关键词：钒钛；手杖；老年人；轻量化；多功能

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

1 引言

根据中国人民大学的调查研究，如今老年人口年均增加800万，预计至2050年将达4.3亿人。人口老龄化是世界性的人口发展趋势，不少老年人的手杖是不理想的，一根合适的手杖对老年人的安全十分重要[1]。手杖作为老年人生活中最常用的产品之一，可运用模块化设计原理对其进行系统性设计，使用户通过拆卸、重组或更换部分零部件，完成产品样式的更新，以满足不同老年人的助行需求[2]。本文基于新型材料——钒钛，结合轻量化设计原则为老年人设计出一款轻便、易拆卸且具有多种功能的新型手杖。

2 老年人的生理变化及新型手杖以人为本设计原则

老年人的生理变化如下：（1）各种生理机能的逐渐下降，容易重心不稳、跌倒；（2）老年人的骨质因为缺钙变的脆弱，韧性降低，易发生骨折和驼背[3]；（3）老年人记忆力降低，易疲劳、对外界变化反应迟钝和平衡能力降低等。这些都极大的限制了老年人自身的身体活动和社会交往。设计是伴随着人类文明的不断发展而产生、发展和变化的，它是在指定环境下，人们为满足某种需求而做的有目的性和有意识的行为。人的各种行为需要是设计的根本和动力。以人为本的设计原则就是满足人性的需求判断一切外部事物基本条件，任何设计都应坚持注重人性和人格的健全和发展。特别是面对老年人这一庞大而特殊的人群，更应该结合其自身生理特点坚持以人为本的设计原则。

3 新型手杖轻量化设计原则

新型多功能手杖轻量化的目的是以手杖各项性能不变为前提，降低手杖各部分质量以降低手杖的整体质量，使老年人的日常使用更为方便。本文通过使用新型钒钛材料作为手杖的主要材料，满足手杖所需强度和刚度的条件下，减轻手杖整体质量。钒钛被分别称为“现代工业的味精”和“战略金属”，钒钛及其合金具有抗腐蚀、高强度、无磁性、人体适应性好、形状记忆、耐高温和超导等优异性能，由于其轻型高强度的特点，在钢铁、化工、航空航天等领域广泛应用。例如，钒85%在钢铁工业中得到应用，在钢中加入钒，可以改善钢的耐磨性、强度、硬度、延展性等性能，加入0.1%的釩，可增强钢强度10%-20%，降低结构重量15%-25%，有效的降低结构的质量。本文所设计的手杖运用钒钛材料可有效的实现手杖轻量化设计原则。

4 手杖的功能和结构特点

新型多功能手杖相对于简单手杖，其拥有更多结构和功能特点。如照明装置、计步装置、减震助力结构和防倒结构。

（1）照明装置。手杖手柄处采用LED照明装置。LED具有耗电量小、寿命长、体积小、无污染、易集成化等特点，在现代光电系统和照明中有着广泛的应用和良好的发展前景[4]。在手柄前端安置了一颗LED灯，可调节开关当为实现调节LED灯的亮度，方便老人更多需求。在手柄尾部安装有LED灯的供电装置，本文手杖采用一个蓄电池，通过USB接口进行充放电，并在手柄尾部侧身有充电指示灯。当充电时为红灯，充满电时，指示灯为绿灯。手杖上安装照明装置可大大方便老人在夜间上下楼梯和当老人到达自家门口时，可容易找到钥匙及钥匙孔便捷打开房门。

（2）计步装置。计步器是一种计量工具，它是通过统计步数、距离、速度、时间等数据，测算卡路里或热量消耗，用以掌控运动量。新型多功能手杖在杖身与手柄处安装了计步装置和液晶显示屏，液晶显示屏显示每天的运动步数，每次计数范围0-99999且无需连接手机，操作方便。计步器内置3D加速度传感器、低能耗芯片和大容量电池。3D加速度传感器计步器比2D计步器更加先进，误差在5%以内，一颗电池可续航两年左右，环保节能。当老年人在健身运动时，多功能新型手杖可显示每日运动步数，提醒老年人每日运动量，防止老年人运动量不足，或运动过量。

（3）减震助力结构。通过利用老年人使用手杖特性，本文在多功能新型手杖上设有减震助力结构。减震助力结构主要采用波形弹簧。它是金属薄圆环上具有若干峰谷的弹性元件，所受载荷和变形量均不大。广泛运用于要求弹簧刚度较小需施加轴向预压力，需要减重和较小安装空间的场合。波型弹簧的结构特点和使用范围符合文中手杖的轻量化设计原则和手杖自身结构特性。相较于普通手杖，当老年人使用有减震助力结构的手杖向下与地面接触时，波型弹簧吸收地面传向手杖的反作用力，减少地面对老年人手掌的冲击力；当手杖离开地面时，波形弹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）防倒装置。随着年龄的增长，老年人的身体尺寸和形状都在发生变化，这些都造成其身体重心产生变化，平衡性也随之变差，进而出现步履蹒跚的情形，大多数的运动机能也有不同程度的减弱[5]。老年人臀部和背部的关节力量开始削弱，如果弯腰迅猛或者做得次数太多，可能会造成骨折等现象。老年人使用手杖时常常会有手杖跌倒在地上的情况，为防止老年人弯腰捡手杖时发生严重后果，本文对手杖设计了防倒装置。防倒装置由手杖底座和圆形橡胶块组成。当手杖滑落时，老年人可通过用脚轻踩橡胶块一侧便可使手杖自动弹起，避免了老年人弯腰捡手杖的不利行为。

5 结论

（1）本文结合新型钒钛材料的特性和结构特点，采用轻量化和以人为本的设计原则为老年人设计出的手杖更具有质量轻、耐磨性好和高强度的特点。（2）新型多功能手杖结构简单、功能丰富、设计新颖、使用便捷和以人为本。让老年人体会到人们对其的关怀。（3）新型多功能手杖制造成本低、使用寿命长和工艺性好。目前老年人市场庞大，紧缺适合老年人使用的产品，此多功能手杖可进行规模性的设计和生产。

参考文献：

[1]黄毓芯. 一款多功能智能手杖的设计与研究[D].华侨大学，2015.

[2]许世虎，翁世煜.老年人手杖模块化设计研究[J].机械设计，2014，

31（09）：123-126.

[3]董旭，李文峰，牛永荣，万守益，孙亚华.论老年人新型多功能拐杖设计[J].现代装饰（理论），2015（02）：10.

[4]罗晓霞.LED照明系统的优化设计[D].中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所），2011.

[5]刘艳霞，李志华，赵鹏.老年人防跌倒辅助手杖的设计研究[J].机电产品开发与创新，2011，24（04）：201-203.

作者简介：谢禹琳（1996-），男，四川巴中人，本科，研究方向：车辆工程。