基于無線網絡的可調節智能康復拐杖設計

鐘鵬程

摘 要：為了提高肢體傷病殘群體使用拐杖的康復效果，提出一種基于無線網絡的可根據康復需求進行調節的智能康復拐杖總體設計方案，詳細設計了可調節智能康復拐杖的本體結構及各模塊的相互關系，分析了基于無線網絡的可調節智能康復拐杖的基本原理和使用過程。主控計算機通過無線網絡收集拐杖中壓力傳感器的相關數據，經過數據分析，醫護人員可以根據分析結果，向使用者提出康復建議，或根據使用者的身體狀態調節拐杖，從而提高使用者的康復效果。

關鍵詞：智能康復拐杖；無線網絡；主控計算機；壓力傳感器

中圖分類號：TP311 文獻標志碼：A

0 引言

目前，我國已進入老齡化時代，老年人逐漸增多，老年人的出行安全問題也逐漸提上日程。老年人和肢體傷病殘群體依賴和康復的工具有下肢康復機器人、肢體康復訓練器等，但更常用的是拐杖。許多拐杖要么設計復雜、價格昂貴且不實用；要么過于簡陋、功能單一，不能根據使用者身體情況的變化進行調整，也不易通過拐杖來間接反應使用者的身體情況；現有的各種調節功能的拐杖往往只能根據使用者的需要來調節，沒有科學依據，不能較好地適應使用者的身體狀況。該文針對老年人和肢體傷病殘群體設計了一種根據使用過程中拐杖的受力情況確定使用者存在的問題，并提出康復建議的拐杖。

1 基于無線網絡的可調節智能康復拐杖總體方案

該文利用無線網絡技術，提出一種基于無線網絡的可調節智能康復拐杖的總體方案，如圖1所示，主要包括主控計算機和康復拐杖，并通過無線網絡連接起來進行數據傳輸。通過無線網絡，主控計算機主要負責收集拐杖在使用過程中產生的壓力數據等信息，并進行數據整理和病情分析，根據分析結果，給出康復建議和采取的措施等。康復拐杖主要包括結構本體、壓力模塊、定位模塊、無線網絡模塊和控制模塊等，控制模塊定時采集壓力模塊產生的壓力信息，并通過無線網絡將壓力信息和位置信息等傳送給主控計算機。智能康復拐杖根據康復建議進行調整以適應使用者的身體情況，并反映使用者對拐杖的依賴程度，為使用者的康復過程提供決策依據。

2 智能康復拐杖結構設計

該文設計的智能康復拐杖的結構簡圖如圖2所示。智能康復拐杖包括把手、主桿和輔桿，把手和多個輔桿分別固定連接于主桿的兩端，輔桿與主桿通過輔桿調節裝置相連。輔桿調節裝置主要由連桿、滑套、上定位塊、下定位塊和套筒組成，上定位塊、下定位塊分別與主桿可拆卸連接，上定位塊與輔桿、輔桿與連桿、連桿與滑套分別采用鉸鏈連接，輔桿的上端連接在上定位塊上，其下端安裝有壓力傳感器，連桿一端連接在輔桿上，另一端連接在滑套上，套筒套在主桿上，套筒上端與上定位塊接觸，套筒下端與滑套接觸，滑套安裝在主桿上并由下定位塊固定。主桿上還裝有無線網絡模塊、GPS定位模塊和控制模塊，壓力傳感器、定位模塊通過傳輸線與控制模塊相連接，主桿還內置有為各模塊供電的可充電電池。

3 工作原理

在使用智能康復拐杖時，使用者所需的支撐力主要通過拐杖的主桿獲得，并通過壓力傳感器實時測得，可調節智能康復拐杖的工作原理如圖3所示。當使用者的身體出現某種問題時，拐杖的主桿會發生傾斜，拐杖傾斜一側的輔桿所承受的力就會增大，另一側的輔桿所承受的力就會減少，并通過壓力傳感器實時測量。所測得數據通過傳輸線傳送到控制裝置，控制裝置將壓力傳感器所測數據進行處理并通過無線網絡傳輸到主控計算機，同時將定位信息和數據也一并傳送。

醫護人員通過計算機終端對拐杖的主桿和各個輔桿所受的力進行分析，如果主桿所受的力越大，說明使用者對拐杖的依賴程度越大，各輔桿的壓力分布是否均勻和壓力的大小可判定使用者的康復情況。如果某個輔桿所受的力大于另一側的輔桿所受的力，說明使用者不能控制拐杖主桿與地面垂直，存在側滑的風險，此時需要調節拐杖的主桿和輔桿之間的夾角和拐杖的高度。微調主桿和輔桿之間的夾角可通過更換不同規格的套筒來實現，調節拐杖高度可通過更換不同規格的把手來實現。當拐杖主桿的受力較小，而且各輔桿的受力較均勻，使用者就可以逐漸減少拐杖的使用次數，直到擺脫拐杖。

4 控制系統設計

智能康復拐杖控制系統主要包括主控制器、壓力傳感器、定位模塊、無線網絡模塊、LCD顯示控制和主控計算機等，如圖4所示。主控制器定期收集壓力傳感器和GPS定位模塊的信息，通過無線網絡模塊傳送到主控計算機。

該文針對基于無線網絡的可調節智能康復拐杖的輸入輸出控制要求，選用STM32F103C8T6單片機作為控制模塊的主控制器。主控制器電路主要由系統時鐘電路、實時時鐘電路、JTAG調試接口電路、復位電路和啟動模式選擇電路組成。

該文在Keil 4下編寫了相應的控制程序，基于VS2016開發了主控程序，主控程序通過Wi-Fi與智能康復拐杖的控制模塊進行信息傳遞。通過軟件調試，實現了主控計算機通過無線網絡收集拐杖中壓力傳感器的相關數據，經過主控計算機數據分析，醫護人員可以根據分析結果，為使用者提出康復建議，或根據使用者的身體狀態調節拐杖，指導使用者更好地使用智能康復拐杖加快了使用者的康復速度。

5 結語

相比現有技術，該文設計的基于無線網絡的可調節智能康復拐杖，可以通過測量主桿和輔桿下端的壓力傳感器所受壓力的大小，經過主控計算機的分析可以判斷使用者對拐杖的依賴程度，提出合理使用智能康復拐杖等康復建議，通過輔桿調節裝置調節主桿與輔桿之間的夾角、更換不同規格的把手以適應不同使用者的康復需要，最終加快康復速度，取得令人滿意的效果。

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