老年人智能拐杖的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王瑞，高顯斌，朱心旺，董益豪，張昊巖

（延安大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西延安 716000）

在物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，越來(lái)越多的智能產(chǎn)品和服務(wù)逐漸出現(xiàn)在人們的視野中。目前，對(duì)于老年人福祉科技的應(yīng)用研究也日益增多。養(yǎng)老科技、智能養(yǎng)老等概念不斷涌現(xiàn)。隨著人均收入水平的提高，老年人對(duì)生活質(zhì)量的期望越來(lái)越高，對(duì)老齡用品也提出了更高的要求。在選擇用品時(shí)，除考慮經(jīng)濟(jì)性外，更注重產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)、質(zhì)量和具體功能等的實(shí)現(xiàn)[1]。在各種需求中，對(duì)于老人來(lái)說(shuō)，便于安全健康的出行用品顯得尤為重要[2]。市面上許多智能拐杖操作復(fù)雜，違背了助老原則，因此，根據(jù)老年人使用訴求，結(jié)合消費(fèi)需求和結(jié)構(gòu)的分析，智能拐杖應(yīng)運(yùn)而生。

1 智能拐杖方案設(shè)計(jì)

1.1 智能拐杖設(shè)計(jì)要求

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，要設(shè)計(jì)一款滿(mǎn)足老年人日常生活需求，并能提供有效幫助的智能拐杖，需要符合以下要求：1）拐杖的目的是幫助老人行走，所以其防滑系數(shù)必須很高，減少老人因行走過(guò)程中滑倒而受傷的風(fēng)險(xiǎn)；2）設(shè)計(jì)跌倒報(bào)警功能，當(dāng)老人跌倒時(shí)，拐杖會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音，向四周的行人尋求幫助，讓“不敢扶、扶不扶”等靈魂拷問(wèn)消失無(wú)蹤；3）老人身體機(jī)能下降，要時(shí)刻防止突發(fā)疾病的狀況[3]。因此，要給拐杖安裝心率血壓監(jiān)測(cè)模塊，當(dāng)老年人的心率血壓超出正常范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，行人聽(tīng)到警報(bào)之后上前查看狀況，并根據(jù)銘牌上的信息給監(jiān)護(hù)人打電話(huà)。

1.2 智能拐杖主要功能

因設(shè)計(jì)重在使用簡(jiǎn)單，功能便于實(shí)現(xiàn)，所以智能拐杖主要由心率血壓檢測(cè)、跌倒報(bào)警功能、緊急情況手動(dòng)報(bào)警功能、夜間防障礙功能四部分組成。

2 智能拐杖設(shè)計(jì)

智能拐杖由手柄、主桿、底座等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 拐杖總體結(jié)構(gòu)圖

2.1 手柄

2.1.1 手柄主要功能設(shè)計(jì)

手柄部分采用回字形設(shè)計(jì)，這比普通設(shè)計(jì)有更大的空間用于放置元器件。一般的拐杖扶手是直板式，可放置的元器件不多，且?guī)缀跛械墓δ馨粹o都密布在扶手上，而老年人的手指靈活性較差，平時(shí)使用過(guò)程中就容易按錯(cuò)按鈕，更不用說(shuō)當(dāng)他們?cè)谛枰獛椭臅r(shí)候（迷路、血壓異常等），心情焦慮更易出錯(cuò)。而回字形設(shè)計(jì)，空間更大，可以擴(kuò)大按鈕之間的距離，不同功能的按鈕放置在不同的位置，這樣老年人只要記住每一個(gè)位置的按鈕對(duì)應(yīng)的功能即可，不需要在一排按鈕中仔細(xì)分辨各自的用途，這樣更高效快捷。另外，回字形空管手柄不僅可以放置元器件，還可放置電池，一部分電池放置于枝干部分，一部分電池放置于扶手部分，大大增加了電池容量，增強(qiáng)了智能拐杖的續(xù)航能力。

手柄采用6061 鋁合金制作，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、抗彎抗壓能力強(qiáng)等特點(diǎn)。另外，表面覆蓋橡膠漆，耐熱耐寒，能夠給老人舒適的握持感[4]。

2.1.2 身份銘牌

當(dāng)老人出現(xiàn)意外時(shí)，為了便于找到監(jiān)護(hù)人，可在拐杖手柄的背面設(shè)計(jì)一個(gè)銘牌，把老人的相關(guān)信息和監(jiān)護(hù)人電話(huà)寫(xiě)在銘牌上，然后將其插入銘牌所在位置，銘牌外表有塑料保護(hù)裝置，可防止因雨水或其他原因損壞信息。

2.2 主桿

主桿部分采用市面上常用的套筒設(shè)計(jì)，為了調(diào)節(jié)高度，以適應(yīng)不同身高的老人，主桿長(zhǎng)度在64～105 cm 范圍內(nèi)可調(diào)。此外，在主桿上安裝平衡檢測(cè)裝置，根據(jù)拐杖失衡情況判斷老人是否跌倒。主桿也采用6061 鋁合金制作。

2.3 底座

底座部分采用四爪吸盤(pán)式設(shè)計(jì)，以增大與地面的接觸面積，提高其穩(wěn)定性。這樣設(shè)計(jì)主要考慮老人行走在較滑路面的時(shí)候，需具備更強(qiáng)的抓地力，不易滑倒。另外，在底座的四爪上安裝有超聲波距離傳感器，尤其是夜間，當(dāng)傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，就會(huì)發(fā)出報(bào)警聲提醒老人繞道而行，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示，四個(gè)腳墊采用優(yōu)質(zhì)硅膠材料，配合四爪設(shè)計(jì)，耐磨耐用，可安全使用。

圖2 底座結(jié)構(gòu)

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能拐杖的控制系統(tǒng)共分為信息采集部分、信息處理部分、信息輸出部分[5]，系統(tǒng)方框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制方框圖

1）心率血壓檢查

市面上專(zhuān)注于實(shí)時(shí)檢測(cè)老人身體狀況的產(chǎn)品大多是功能單一的健康手環(huán)，而該次設(shè)計(jì)的拐杖，在與老人接觸時(shí)可獲得老人身體狀況的信息，當(dāng)老人的心率或血壓超過(guò)預(yù)定的安全值時(shí)會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒老人及路人，以便引起注意，使老人獲得幫助。此外，通過(guò)拐杖的檢測(cè)，會(huì)定期地總結(jié)分析老人身體狀況，及時(shí)作出預(yù)防與保護(hù)，防患于未然。

2）跌倒報(bào)警功能

老年人的身體機(jī)能下降嚴(yán)重，許多時(shí)候一旦摔倒想要爬起來(lái)十分困難，如果此時(shí)身邊沒(méi)人就很棘手[6]，因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)了防摔倒報(bào)警功能。如圖4 所示，在這款智能拐杖上，安裝了加速度傳感器和壓力傳感器，當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到的壓力小于預(yù)先設(shè)置的拐杖凈重時(shí)，拐杖無(wú)人使用，這個(gè)時(shí)候即使拐杖倒了，也不會(huì)報(bào)警，可防誤報(bào)[7]。當(dāng)檢測(cè)到壓力大于拐杖凈重時(shí)，跌倒報(bào)警裝置才啟動(dòng)，若老人摔倒，加速度傳感器檢測(cè)到拐杖的加速度急劇變化，跌倒報(bào)警裝置就會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，行人聽(tīng)到聲音后，會(huì)前來(lái)查看老人的狀況，以提供幫助[8]。與此同時(shí)，老人子女手機(jī)上的APP 會(huì)接收到父母摔倒的報(bào)警信號(hào)，警報(bào)聲持續(xù)一分鐘，如果在5 min 之后老人沒(méi)有被扶起，平衡檢測(cè)裝置繼續(xù)工作，重復(fù)之前的操作，直到老人被扶起，或者在這期間監(jiān)護(hù)人也可采取有效措施予以幫助。

圖4 跌倒報(bào)警方塊圖

3）緊急情況手動(dòng)報(bào)警功能

老人在生活中難免會(huì)出現(xiàn)很多意外情況，比如突發(fā)疾病、迷路等[9]，此時(shí)可按下報(bào)警按鈕，報(bào)警聲會(huì)變成提前錄制好的向路人尋求幫助的錄音，路人根據(jù)實(shí)際情況予以幫助，同時(shí)APP 上會(huì)給子女發(fā)送父母陷入困難的信息，子女收到信息后可及時(shí)給父母打電話(huà)確定情況。若是突發(fā)疾病、藥物吃完或遺失，行人可打120 叫救護(hù)車(chē)，而不會(huì)出現(xiàn)路人因?yàn)楹ε卤慌龃啥涫峙杂^的情況[10]。操作流程如圖5 所示。

圖5 手動(dòng)報(bào)警方塊圖

4）夜間防障礙功能

夜間防障礙功能是產(chǎn)品的創(chuàng)新之處，晚上老人外出散步時(shí)，如果前方有障礙物（如小石頭），由于光線差，老人不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就容易被絆倒，所以產(chǎn)品增加了此功能。其主要通過(guò)HC-SR04 超聲波距離傳感器配合單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，傳感器可以探測(cè)前方2 m 以?xún)?nèi)的地面障礙物，并及時(shí)以語(yǔ)音、警報(bào)的方式提醒[11]。探測(cè)障礙物距離可以分為兩段：1 m 以?xún)?nèi)出現(xiàn)障礙物會(huì)急促警報(bào)“危險(xiǎn)”，1～2 m 會(huì)發(fā)出“滴滴”的警報(bào)[12]。該功能通過(guò)超聲波發(fā)射器與接收器來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)拐杖處于使用狀態(tài)時(shí)，超聲波發(fā)射器向拐杖的正前方發(fā)射超聲波，同時(shí)系統(tǒng)單元開(kāi)始計(jì)時(shí)[13]，設(shè)超聲波的速度為v，當(dāng)超聲波撞到障礙物時(shí)，超聲波返回，接收器接收到信號(hào)，超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間為Δt，人與障礙物之間的距離為l=v·Δt/2。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)1 m＜l＜2 m時(shí)，開(kāi)始發(fā)出“滴滴”的警報(bào)，當(dāng)0 m＜l＜1 m 時(shí)，發(fā)出“前方有障礙物”的語(yǔ)音報(bào)警，工作流程如圖6 所示。

圖6 障礙物檢測(cè)報(bào)警方框圖

2.5 拐杖的電路設(shè)計(jì)

智能拐杖以ARDUINO UNO R3 單片機(jī)為核心，控制超聲波的發(fā)射與接收，同時(shí)將接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，計(jì)算出距離后,輸出信號(hào)傳遞給蜂鳴器，由蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲[14]。其次由ARDUINO UNO R3單片機(jī)控制加速度傳感器和心率血壓檢測(cè)儀，接收相應(yīng)的信號(hào)，通過(guò)信息處理系統(tǒng)計(jì)算后輸出電信號(hào)給輸出端，最后由輸出端顯示相關(guān)信息[15]，電路如圖7-9 所示。

圖7 距離檢測(cè)電路圖

3 智能拐杖的受力模擬分析

根據(jù)文獻(xiàn)[16]可知，成年人施加于拐杖的最大壓力為686 N，而老年人施加的壓力通常為成年人的1/4，因此，對(duì)拐杖進(jìn)行Ansys 受力模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用極限模擬法。拐杖的設(shè)計(jì)尺寸：外徑為23 mm，內(nèi)徑為21 mm，輸入最大壓力為686 N，檢測(cè)拐杖在設(shè)計(jì)、選材方面是否合格。

圖8 傾倒檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

圖9 心率檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

圖10 為拐杖受力變形圖，在扶手處施壓，以底腳為約束，扶手顏色變成黑色，說(shuō)明受力部分集中于扶手處，底腳部分基本沒(méi)有產(chǎn)生變形，而枝干部分雖有微彎變形，但不影響正常使用，可滿(mǎn)足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。由此可知，老年人使用拐杖時(shí)，完全能夠正常工作，拐杖的設(shè)計(jì)和選材是合理的。

圖10 受力分析圖

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，通信技術(shù)越來(lái)越發(fā)達(dá)，老年人的娛樂(lè)方式也越來(lái)越緊跟潮流，絕大多數(shù)子女都會(huì)為父母配備一臺(tái)智能機(jī)并教會(huì)他們基本的娛樂(lè)功能，因此在智能拐杖上設(shè)計(jì)MP3、收音機(jī)已經(jīng)沒(méi)有很大的市場(chǎng)吸引力。而這款智能拐杖能夠充分滿(mǎn)足智能和助老的雙重要求，功能操作簡(jiǎn)單高效，對(duì)于老年人來(lái)說(shuō)使用起來(lái)方便快捷，可及時(shí)高效地獲得幫助。對(duì)市場(chǎng)現(xiàn)狀的分析表明，與旺盛的市場(chǎng)需求和老年人的消費(fèi)愿望相比，中國(guó)相關(guān)企業(yè)的行動(dòng)相對(duì)比較滯后，因此，智能手杖推向市場(chǎng)應(yīng)會(huì)供不應(yīng)求，這為產(chǎn)品的擴(kuò)大化生產(chǎn)并實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)提供了可能。