基于北斗導航的螺紋調節式智能助老拐杖的設計與研究

王廣林，潘俊兵

(陜西國防工業職業技術學院智能制造學院，陜西 西安 710300)

目前，我國60歲以上人口突破2億，人口呈現出老齡化發展趨勢[1-3]，老齡化率已超過17%[4-5]。隨著老齡化率的升高，老年人走失、迷路事件發生率逐年攀升，已嚴重影響了老年群體的正常生活[6-7]，因此亟需設計一種防止老人走失、迷路的設備，以輔助老年人正常的社交與出行。由于老年人身體平衡性較差，拐杖一直是老年人輔助行走的常用工具，因此在拐杖上附加智能系統，以防止老人走失、迷路的嘗試已經展開。

現有拐杖主要有傳統的一體式拐杖、拐杖倚和智能拐杖。一體式拐杖結構穩定，可靠性強，其缺點是無法調節拐杖長度以適應不同使用者。拐杖倚主要由拐杖和座椅兩部分組成，對使用者的適應性強，便于老人閑坐歇息。然而，座椅的加入，增加了拐杖的質量，降低了整體的輕便性。現有智能拐杖主要是在拐杖體上附加了GPS(global positioning system，全球定位系統)和GSM(google mobile service，谷歌移動服務)裝置[8-10]，可實現老人實時定位，降低了走失、迷路的風險，成本較高是制約其推廣的重要因素。另外，現有拐杖倚和智能拐杖均通過銷釘伸縮的方式調節自身長度，該方式可靠性較差。因此，亟需設計一種結構穩定、可靠性強、具有定位功能的智能拐杖。基于前人研究成果，根據老年人對高穩定性智能拐杖的需求，本文設計了一種基于北斗導航的螺紋調節式智能助老拐杖，該拐杖具有結構輕便、可靠，智能化程度高的特點，以期為我國助老機械的發展做出貢獻。

1 整體結構及工作原理

1.1 整體結構

該智能拐杖主要由上拐體、下拐體、連接桿和定位銷釘等構成，如圖1所示。該拐杖采用碳纖維材料，重0.6 kg，可在70～100 cm之間調整長度[11-13]，以適應不同身高老年使用者的需求。

1.2 工作原理

使用前，通過螺紋調節拐杖長度，以適應使用者的身高及拐杖助力時的舒適程度，然后通過銷釘鎖定螺紋。在黑暗環境下使用該智能拐杖時，可打開手柄前端的照明裝置(5顆LED燈，中間1顆，剩余4顆均布在其周圍)，同時手柄后方的反光裝置可反射來自后方的燈光，從而引起后方車輛駕駛人員或其他作業人員對拐杖使用者的注意，提高老

1—上拐體；2—定位銷釘；3—連接桿；4—下拐體圖1 螺紋調節式智能助老拐杖

年使用者在黑暗環境下的安全保障。通過陀螺儀及北斗定位模塊可實時確定拐杖狀態及位置。在工作狀態下，當陀螺儀檢測到拐杖出現70°以上角度變化，且超過25 s沒有復位時，判斷為老人摔倒(大部分老人跌倒后，可在18 s以內再次站起來)，通過GSM模塊將報警信息發送至親友手機。在之后的時間，如果陀螺儀復位，并且按照正常的行走方式擺動角度，則判斷為老人已恢復安全，重新向親友監測手機發送信息，以報平安。該拐杖通過各模塊的綜合作用，為老年使用者提供安全保障。

2 關鍵部件設計

2.1 機械設計

2.1.1上拐體設計

上拐體主要由手柄及上拐體連接桿構成。按照人體工程學，手柄形狀設計為手握舒適的波浪形，如圖2所示。監測拐杖狀態的智能系統位于手柄內部，該智能系統主要包括照明裝置、GSM通信模塊、陀螺儀、北斗定位模塊、直流電源模塊和反光

1—手柄；2—照明裝置；3—GSM、陀螺儀及北斗定位模塊；4—直流電源裝置；5—反光模塊；6—上拐體連接桿圖2 上拐體

模塊等。其中，LED照明裝置及反光模塊可輔助老人在黑暗環境中行走；陀螺儀可判斷拐杖狀態，從而確定老年使用者的行走動態，北斗導航模塊可實時確定使用者的位置； GSM通信模塊可實現定點傳輸老人行走狀態及實時位置至親友手機的功能，從而確保使用者的安全。

2.1.2下拐體設計及力學分析

下拐體采用三支腿設計，支腿間夾角為120°，有利于增大拐杖與地面之間的接觸面積，從而增強拐杖穩定性，保障老年使用者的安全。在工作過程中，使用者施加在手柄上的力傳遞到支腿，三支腿連接處為力聚集點。為了保證拐杖力學性能，對其進行力學分析，其簡化受力情況如圖3所示[14]。

F=F1+F2+F3

(1)

(2)

式中：F為拐杖承受的最大壓力，取值為老年人體重及其動載荷之和；F1，F2，F3分別為3根支腿對壓力的反作用力，其大小隨F的變化而變化；σmax為最大應力；A為拐杖橫截面積；M為彎矩；D為拐杖外徑；I為慣性矩；σs為屈服強度；n為安全系數。

圖3 拐杖受力分析

拐杖外徑為30 mm，將碳纖維材料的強度參數代入式(2)，可解得拐杖內徑，也可適當減小內徑，以進一步增加安全系數。

該拐杖上、下拐體之間通過螺紋連接，并以此實現拐杖長度調整。與傳統一體式拐杖相比，該拐杖長度可調，適應性強。與現有智能拐杖相比，螺紋調節拐杖長度的方式穩定性更高，壽命更長。

根據設計參數，對拐杖進行力學有限元分析，結果如圖4所示。由圖可知，以超出普通老人體重2倍的100 kg力作用于拐杖，支腿相交位置出現最大受力，大小為1.5×106N/m2，滿足設計要求。同時，拐杖使用者并非將體重全部施加于拐杖上，因此該結構可滿足助老拐杖的使用要求。

圖4 拐杖應力分析圖

2.2 智能安全系統設計

該拐杖智能安全系統主要由北斗定位模塊、控制單元、GSM模塊及其他輔助單元組成，如圖5所示。其中導航模塊主要依靠北斗衛星導航系統(簡稱北斗導航)進行定位。北斗導航主要由空面段、地面段和用戶段3部分組成，可在全球范圍內為用戶提供精度高、可靠性好的定位、導航等服務內容，并可實現短報文通信，定位精度可達10 m[15]，滿足智能助老拐杖的使用要求。

該拐杖所采用的北斗導航模塊為UM220-III L雙模定位模塊。該模塊能夠同時支持北斗導航衛星接收機芯片和陀螺儀等；通過自適應組合導航算法，精確定位老人所處位置。在衛星信號較差的區域，可通過純慣性導航技術在較長時間內繼續提供高精度定位和測姿等。通信GSM模塊選用SIMCOM公司的SIM900。

3 結果與討論

綜上，依據我國老齡化加劇所引發的老人走失及當前智能拐杖發展中存在的問題，設計出的由照明裝置、反光模塊和定位裝置等構成的螺紋調節式智能助老拐杖,具有調節方便、結構穩定、壽命長的特點。使用前，通過螺紋調節拐杖長度至使用者舒適的位置，之后使用定位銷釘鎖定螺紋。該調節方式與現有依靠銷釘伸縮調整拐杖長度的方式相比[16-21]，具有穩定性更高的特點，可延長拐杖壽命。

4 結束語

本文根據中國人口老齡化所面臨的老人迷路等問題，設計了一種基于北斗導航系統的螺紋調節式智能助老拐杖。該拐杖與傳統拐杖對比，具有長度可調、適應性強的特點；與現有智能拐杖相比，螺紋調節拐杖長度的方式穩定性更高，使用壽命更長。

本文設計的智能助老拐杖結構合理，適應性強，但智能控制系統和定位系統仍處于設計階段，尚需進一步測試。隨著我國北斗導航實現高精度全球覆蓋，智能系統和定位系統的試驗將逐步展開，持續完善拐杖功能，為老年人的出行安全提供保障。