基于人因工程和电磁学的手杖设计

总结出传统手杖的利弊，对传统手杖的不足之处进行重点设计。完成初步设计后运用3ds MAX构建空间几何模型，对手杖的尺寸，伸缩距等进行反复调整，确定最优的结构尺寸，并制造产品进行实用性验证，不断改进。

2 手杖整体设计分析

该文主要从5个方面对手杖的整体设计进行分析。分别是手杖尺寸设计分析、电磁驱动模块原理分析、电磁驱动模块动力分析、锁扣结构设计原理分析和基于人因工程的手柄部分设计。下面我们围绕这5个方面依次展开进行分析。

2.1 手杖尺寸设计分析

手杖的尺寸一般是指手杖的整体尺寸和伸缩尺寸。手柄整体尺寸应比人体站立时手掌离地距离略长，使盲人在使用手杖时用最小的力便能达到最佳的握持效果。该产品的目标人群为成年盲人群体，通过查阅国家标准GB/T 10000-1988《中国成年人人体尺寸》设计手杖尺寸。

参考我国 18～60 岁成年男性第95 百分位数身高及臂长数值（见表1）和 18～55 岁成年女性第95 百分位数身高及臂长数值（见表2），并增加适当的着装修正量和心理修正量，将手杖长度伸长状态下初始数值定为 840 mm～1 000 mm。

2.2 电磁驱动模块设计原理分析

图1为一个电磁驱动模块，由A1、A2、B1、A4这4个部分组成。其中A1、A4分别为正极导轨与负极导轨，A2为电枢（内杆），B1为导轨。

图2为电磁驱动原理的示意图，电磁驱动的工作原理主要是当驱动结构工作时，正负极导轨向相反方向通电，形成磁场，然后电枢通电，形成电枢磁场，磁场相互作用，产生驱动推力，推动电枢（内杆）前进。经过反复实验与精确计算，确定在电枢（内杆）运行到来前0.35 s内让正负导轨充电，而在电枢（内杆）经过后0.2 s之内停止送电并将电能输送到下一个模块的效率最高。每次伸缩仅需工作3 s～5 s。

2.3 电磁驱动模块动力分析

2.4 锁扣结构设计原理分析

图3为一个锁扣模块，目的是为了固定伸缩杆，确保拐杖的最佳长度，由A3、B1、B2这3个部分组成。其中A3、B2分别为外壁锁扣内孔与导轨锁扣内杆，B1为导轨（内杆）。锁扣结构工作原理为伸缩杆工作时，B2回缩，退出A3，内杆在电磁推动作用下进行伸缩，当长度最佳时，B2伸出，卡入A3，长度固定。

2.5 基于人因工程的手柄部分设计

如图4所示为我们团队基于人因工程进行的拐杖手柄部分设计模型。为了最大限度地降低手柄对手掌掌心的压力，手柄曲面应尽量贴合掌心曲面。在逆向工程软件中可以进行点云偏差分析。最大偏差值为2.025 mm，该极值点存在于手掌肌肉、掌纹的沟壑处。结合彩色矢量图，可知曲面大部分曲面与手掌偏差值约为±0.6 mm。点云偏差分析中，偏差平均值为0.71 mm。因此手柄曲面基本符合手掌曲面变化。A5契合人手握持时的手掌弧度贴合掌心曲面，A6、A7、A8为控制按钮，依据不同功能设计成不同形状大小按钮，有助于辨识。

3 结语

该文运用人因工程知识与电磁驱动原理，设计制作的新型电磁伸缩手杖，弥补了以往手杖的缺点，该次设计重在伸缩部分以及手柄部分的设计，使伸缩部分更智能，更高效，外形更加美观。使手柄握持体验感更强、更舒适、更便于握持操控。

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