多功能導向拐杖的設計*

劉　飛　婁夢瑩　李　穎　楊坦坦　席付成　宋　莉*

多功能導向拐杖的設計*

劉飛①婁夢瑩①李穎①楊坦坦①席付成①宋莉①*

目的：針對目前老年人和腿部疾病患者使用的拐杖功能單一、不利于各種功能需求的現象，設計一款多功能導向拐杖。方法：基于全球定位系統（GPS）、語音導向系統、休息凳功能、照明功能以及娛樂功能進行設計，結合人-機原理完成電路設計以及局部三維仿真構建。結果：導向拐杖攜帶方便、操作簡單，在達到設計功能基礎上，還具有防滑穩定、可自由伸縮功能。結論：在老年人和腿部疾病患者的日常生活以及外出活動中，多功能導向拐杖可以進行定位和提供語音導向、勞累時坐凳休息、黑暗中照明以及閑暇時娛樂，能夠及時解決老年人和腿部疾病患者迷路、行走疲憊及乏悶等問題，有較強的實用價值。

GPS定位；語音導向；多功能；導向拐杖

［First-author’s address］ College of Radiology， Taishan Medical University， Taian 271016， China.

目前，中國已進入老齡化社會，且老齡化態勢發展迅速。2010年，60歲以上老年人口已達到1.78億，占全國人口的13.3%［1］。老年時期是人類的一個特殊時間段，老化會導致老年人生理功能上出現許多障礙，如視聽力衰退、行走不便、疲勞不易恢復、對疾病抵抗力差以及各種慢性疾病的存在等［2］。而在行為方面，老年人的平衡能力下降，與腿部疾病患者相同，很難保持站立時軀體的自然平穩狀態，易摔倒。為此，本研究設計與改造一款攜帶方便、人-機設計合理、適宜于老年人和腿部疾病患者的多功能導向拐杖。

1　多功能導向拐杖系統功能

目前，醫院和市場上的拐杖多數功能比較單一，只能做簡單的輔助作用，無法最大化滿足老年人和腿部疾病患者的需求。本研究通過全球定位系統（global positioning system，GPS）、語音導向系統、休息凳功能、照明功能以及娛樂功能的設計，結合人-機原理與電路設計基礎，進行電路設計以及局部三維仿真描述，設計出一款多功能智能化拐杖。多功能導向拐杖集成電路系統中有GPS定位功能、語音導向功能、娛樂功能、照明功能、休息功能、防滑和穩定功能以及可伸縮功能。

（1）GPS定位。方便家人時刻知道老年人和腿部疾病患者在外的具體位置，能夠隨時找到。在一定的范圍內，將老年人和腿部疾病患者的活動區域地理數據傳輸到GPS芯片，當其外出時可隨時定位其方位，并可將信息傳到家人的手機或者其他設備，以防止老年人丟失。

（2）語音導向。為老年人和腿部疾病患者外出時提供方向與距離方面的提示，在設備設置的范圍內，通過語音系統以及GPS導航地圖進行實時距離與方向指導，防止老年人迷路。

（3）休閑娛樂。當老年人在外娛樂活動時，可將喜愛的歌曲，戲劇下載存儲在U盤式mp3上，方便攜帶，在外享受。此外，帶有USB接口，可隨時對拐杖內的電子設備進行充電，而且通過USB接口可接載外部存儲設備，進行數據的傳輸。

（4）休息凳功能。當老年人和腿部疾病患者外出活動感到疲憊時，方便隨時坐凳休息。休息凳通過連桿原理與拐杖相連，方便外出攜帶。根據三角力學，坐凳三點確定一個平面的支架以及凳面，提高休息凳的穩定性和堅固性，保證老年人和腿部疾病患者的安全。同時，高于凳子的拐杖，可作為小靠背倚靠。

（5）照明電路。解決了老年人和腿部疾病患者在黑暗環境中行動的問題，根據環境的昏暗程度，可選擇不同的檔位調換發光二極管（light emitting diode，LED）燈的亮度，既能感到舒適，也能看清環境。同時采用LED燈以及兩檔開關，既保護眼睛，又節能環保，其整體結構如圖1所示。

圖1　多功能導向拐杖整體結構圖

2　多功能導向拐杖電路系統設計

2.1GPS定位導向系統

GPS是指能夠向使用者提供精密的三維坐標、時間和速度等信息的衛星導航定位系統，而GPS衛星定位系統主要應用在地質勘測及車輛的導航定位方面［3-4］。GPS定位導向系統由空間部分、地面控制部分和用戶部分所組成，如圖2所示［5-6］。

本研究所采用的GPS模塊為GARMIN，GPS25LVS為12通道的GPS接收機，可同時跟蹤多達12顆GPS衛星，從而能夠快速的定位［7］。GPS25LVS可以將衛星軌道參數、上次定位位置、時間和日期等數據保存在靜態存儲器中，接收機內部有備用電池為存儲器供電。GSM模塊選用SIMCOM公司的SIM900［8］。定位裝置的主要功能是準確地將箭載回收產品落地后的所在位置經度與緯度信息和GSM基站信息，通過GSM網絡發送到接收手機端，最終精確定位箭載可回收產品，其信息通過手機短信的形式發送到指定手機上。

2.2語音導向系統

采用TI公司的通用定點DSP TMS320C5509A作為基帶系統的處理器，采用Altera公司MAX7000系列中的EPM7128用于外圍器件控制［9］。原始的模擬語音首先要經過模數變換，轉化為數字信號后通過串口輸入到DSP中進行語音編解碼和壓縮。外圍控制模塊復雜可編程邏輯器件（complex programable logic device，CPLD）用來擴展DSP的外部地址空間，實現地址譯碼和時序控制，并給DSP提供所需的邏輯和時序控制信號。外部數據通過外部存儲器模塊進行導入和存儲。Boot-loader模塊將外部存儲設備的程序讀入DSP內部的高速隨機存儲器（random access memory，RAM）程序區中，其語音系統原理如圖3所示。

2.3照明系統

拐杖中的照明采用發光二極管（light emitting diode，LED）照明，通過線性控制電路，電路相對較簡單，直接控制LED的電流，易于實現對電流的較高精度的控制［10］。系統中安裝有5個LED，按矩陣式并聯排列［11］。控制電路分為兩檔，一檔是僅有2個LED導通，適用于環境昏暗程度較輕且不需要較強光線的地方；一檔則是5個LED電路全部導通，適用于昏暗的傍晚或夜晚路燈昏暗的路段［12］。照明電路設計如圖4所示。

圖3　多功能導向拐杖語音系統原理圖

圖4　多功能導向拐杖照明電路圖

3　多功能導向拐杖機械結構設計

3.1手柄設計

根據人體運動學原理，拐杖的手柄設計要符合老年人的手掌曲線，握起來舒適［13］。手柄表面材質選擇結實、手柄表面柔軟且不易變形的軟塑橡膠，而且不能因季節變化有較大的溫差［14-15］。同時，在手柄處設計部分快捷按鍵，方便老人操作。手柄可以靈活轉動，調節恰當角度，手柄前端設有LED照明燈，方便照明，手柄設計如圖5所示。

圖5　多功能導向拐杖手柄結構設計圖

3.2休息凳設計

利用三角穩定性以及連桿原理在拐杖上設計了一種可支撐和折疊的休息凳［16-17］。拐杖支架和椅面支撐利用三角力學原理，可變換為凳面。當手杖使用時，根據連桿原理，拐桿中下部無椅腿和其他部件，可以靈活折疊成手杖支架；當休息凳使用時，三腿支地，穩固安全［18］。拐杖設計為可伸縮式，老年人和腿部疾病患者可調節拐杖的長度，達到最舒適的高度。拐杖下端選用吸盤式防滑橡膠墊，受力時其內形成負壓達10 kPa，吸著地面可防滑［15］。同時，休息凳的2條支架下方也設有增大摩擦的防滑橡膠墊，當作為休息凳時，可調高其穩定性。

4　結論

本研究設計的多功能導向拐杖克服了市場上常用拐杖功能單一的缺點，定位功能方便了家人了解老年人和腿部疾病患者的活動位置；語音導向功能解決老年人迷路問題；折疊休息凳功能既方便攜帶，又可以成為老年人和腿部疾病患者暫時的休息工具；照明功能方便晚上的外出。

多功能導向拐杖集GPS導向功能、娛樂功能、休息凳功能和照明功能于一體，可隨時隨地為老年人和腿部疾病患者提供休息以及娛樂等精神上的享受，并可及時的向其家人傳遞使用者的地理位置，因此非常適宜于老年人和腿部疾病患者使用的外出工具，具有廣闊的應用前景。

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The design of multifunctional guiding walking stick

LIU Fei， LOU Meng-ying， LI Ying， et al

China Medical Equipment，2016，13（9）:28-30.

Objective: To design a multi-function guide cane in the elderly and patients with leg disease for the various needs. Methods: Develope a multi-functional intelligent crutch through the global positioning system （GPS）， voice guidance system， and rest， lighting and entertainment functions， combined with man-machine principle and circuit design and described by the local 3D simulation. Results: Multi-function guide crutch is fully functional，easy to carry， simple to operate， and has a non-slip stability， freely adjustable function， and the strong practical value. Conclusion: In the daily life of the elderly and patients with leg disease， multifunctional crutch can locate and provide voice guidance. It has the functions of rest when tired， light in the darkness， and entertainment in spare time and can timely solve the problems of getting lost， walking tired and boring.

Global positioning system； Voice guidance； Multi-function； Guide cane

1672-8270（2016）09-0028-03

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.09.009

2016-05-25

地方高校國家級大學生創新創業訓練計劃項目（201510439150）“多功能導向拐杖”

①泰山醫學院放射學院 山東 泰安 271016

songlikjd@163.com

劉飛，女，（1994- ），本科在讀。泰山醫學院放射學院，研究方向：生物醫學工程。