基于物聯網的360°可移動智能養老保健椅的研究設計

李燕玉 黃少敏

福建電力職業技術學院 福建 泉州 362000

作為現代社會的一種生活主張，養老保健椅是21世紀朝陽產品。為滿足老年人對舒適環境的需要和對健康養老生活方式的追求，本項目積極打破傳統保健按摩椅體積碩大、難以移動的痛點，研究設計出具備全方位麥克納姆輪移動裝置、自動搖椅、可升降靠背、按摩裝置、語音交互系統、心率檢測功能和血氧計算等多種功能的養老保健椅，來解決當前社會老年人面對的健康養老問題。

一、產品結構

基于物聯網的360°可移動智能養老保健椅是由全方位移動裝置、自動搖椅、可升降靠背、按摩裝置、語音交互系統、心率檢測功能和血氧計算等多種功能集于一體的自動化按摩椅，按摩椅整體由機械部分和控制系統兩大部分組成。

(一)機械部分

1.總體構架。本保健椅總體設計參考人機工程學原理設計，人類的最佳坐姿是135度的坐姿，以能保持其脊椎形狀，減輕脊椎壓力；在沒有調整按摩椅角度時，按摩椅以135度的角度去貼合人的脊柱，以減輕脊柱壓力；右手扶手側安置有相關控制面板、控制手柄等。底部轉向部分采用麥克納姆輪，可接收精度更高的轉向、前進后退命令。

2.底盤機構。底盤采用麥克納姆輪，麥克納姆輪是種可全方位移動的特殊輪子，這種全方位移動方式是基于一個有許多位于機輪周邊的輪軸的中心輪的原理上，這些成角度的周邊輪軸把一部分的機輪轉向力轉化到一個機輪法向力上面。依靠各自機輪的方向和速度，這些力的最終合成在任何要求的方向上產生一個合力矢量從而保證了這個平臺在最終的合力矢量的方向上能自由地移動，而不改變機輪自身的方向。在它的輪緣上斜向分布著許多小滾子，故輪子可以橫向滑移。麥克納姆輪結構緊湊，運動靈活，是很成功的一種全方位輪。有4個這種新型輪子進行組合，可以更靈活方便的實現全方位移動功能。

3.搖擺機構。采用的搖椅軌道為齒輪式軌道結構，采用數控銑床加工，在軌道下方安放同步帶，在軸上安裝同步帶輪與之配合，其優點在于齒輪之間相互咬合，結構緊密，在齒輪移動的過程中既可以防滑，又可以帶動按摩椅呈弧形移動。

4.腿部升降和靠背升降裝置。采用電動伸縮桿來控制靠背/腿部的升降高度，電動伸縮桿可以精確控制靠背/腿部的高度，升降過程中平穩輕緩，使用方便，安全可靠。在需要時可整體伸展到180°滿足日常生活休息的需求。

在連接處采用特殊設計合頁，可以使其的連接處靈活轉動，也擁有較高的安全性能，以免對人體的傷害。

5.按摩機構。整體按摩機構采用新型仿生手法，深究中醫穴位知識，對頭部、腰部等多個部位進行深度的、全方位的按摩。

頭部按摩由5個按摩轉盤組成，中部按摩轉盤附著3個指壓突出物，四周按摩轉盤以弧度圓形設計。下部兩個按摩裝置對頭部風池穴，風府穴，天柱穴等穴位進行按摩，可以清竅明目，通腦活絡有效緩解疲勞和疲勞帶來的頭疼等癥狀，上部和中部按摩裝置對頭皮進行按摩，能刺激頭皮上的毛細血管，使它們擴張交粗，血液循環旺盛，供給大腦組織更多的養料和氧氣。

(二)控制系統部分

1.程序構架

2.主控芯片。采用的芯片為STM32F4，STM32F4 是由 ST(意法半導體)開發的一種高性能微控制器。此芯片計算能力強，提升了計算能力，可以進行一些復雜的計算和控制。采用此芯片可以對按摩椅產生更好的智能控制效果，不會出現數據卡死等狀況，并且此核心板功耗低，用電量少，使用此核心板可以大大延長按摩椅的使用時間，增強續航能力。

3.移動控制系統。保健椅需要載人運行，對于電機的要求較高，經過計算分析和各種型號電機對比發現，底盤采用M3508 P19直流無刷減速電機為最優方案。M3508直流無刷減速電機是專為中小型移動平臺和保健椅等量身打造的高性能伺服電機，可搭配C620 電調實現正弦驅動，相比傳統方波驅動具有更高的效率、機動性和穩定性。可以通過程序控制它改變速度以及可以精準的控制按摩椅的移動距離，因此使用此電機可以使按摩椅擁有多種速度模式和自動定位移動模式。

4.語音識別系統。語音芯片主要功能為：(1)具備 USB 接口，TF 卡讀取 U 盤功能，直接修改數據。(2)具備支持最大 256G mini TF 卡。(3)可實現人機對話，播放 MP3 功能，播放歌曲，播放對話。

可以利用互聯網端口對接的API語音識別系統實現人和保健椅系統的交互，實現一些基本功能的控制，例如：說“向前”，“左轉”，“右轉”，“停止”，椅便會向前走，左轉，右轉，停止；說“我想聽音樂”，系統便會詢問并播放音樂。還可以與老人進行一些簡單的對話，同時還利用該模塊實現了一種報警功能。

5.心率監控系統。心率監控系統是通過MAX30100來實現心率數據的采集，MAX30100是-款集成有脈搏血氧儀和心率監測傳感器的模塊。可檢測脈搏血氧及心率信號。可通過軟件來關斷電源，待機模式下的電流消耗量可忽略不計，因而可以始終保持電源連接。我們通過程序控制此模塊將數據傳輸到我們的顯示屏上并且可通過語音模塊進行不正常時的心率報警。

6.四維搖桿控制系統。四維搖桿控制系統通過四維搖桿電位器實現控制，我們結合搖桿的輸出特性通過芯片與電機結合可以通過控制搖桿的幅度和旋轉方向來控制電機的速度和移動方向控制精準且靈活，給人以舒適的體驗。

7.按摩控制系統。按摩系統由渦輪蝸桿減速直流電機和震動電機一起驅動組成，我們將兩種電機與直流驅動模塊相連接，再將此模塊與單片機相連接，通過程序發送pwm波給直流驅動來電機的轉速和震動頻率，以達到使用者在不同的身體狀體下的按摩舒適程度。

8.環境監控系統。環境監控系統由位于按摩椅后部的攝像頭和觸摸液晶屏組成。

通過單片機程序讀取攝像頭模塊采集圖像后方并在液晶屏上顯示，方便使用者實時了解后方情況。可以通過觸摸屏幕控制車的移動和按摩系統的啟動和模式選擇。

二、產品的創意

本產品創意體現在以下四方面：1.輔助移動；2、仿人工按摩系統；3.語音交互系統；4.靠背智能調節系統。

1.輔助移動。四維搖桿可以360°無死角的轉動，內部裝有電位器，在移動四維搖桿的時候，電位器的電阻值也在發生變化，在連接上電源后，阻值的變化可以轉變成電壓值得變化，通過信號線把電壓值發送給芯片，經過程序處理后，可以使按摩椅地盤電機根據遙感的傾斜幅度大小和方向來改變按摩椅的移動速度和方向，比起按鈕遙控，四維遙感控制可以使按摩椅移動更加靈活簡單，給客戶更舒適愉悅的體驗。

2.仿人工按摩系統。該按摩裝置實現了仿人工按摩手法，可以精準的對人體的穴位進行按摩，該按摩裝置可以實現從人體頭部、背部、臀部以及腿部進行全身按摩。經常使用按摩裝置可以增強人體免疫力、促進血液循環、消除身體疲勞感以及腰腿疼痛等不適癥狀、調理腸胃功能改善消化不良、提高睡眠質量使人精神更加飽滿。

3.語音交互系統。在人肢體被占用時，或者不方便進行手動控制時，可以采用語音交互系統進行控制根據使用者的語音命令進行音樂播放、講故事等功能。控制方式如下：1.語音指令激活2.根據不同的語音指令控制語音模塊發送對應的數據給芯片3.根據語音模塊發出的數據來控制各種裝置的啟動與關閉。

4.智能調節系統。靠背智能調節系統可根據不同的位置進行按摩，根據人體所需按摩部位進行靠背的智能調節，調節到一定的角度時，既可以當按摩椅又可以當按摩床，實現按摩椅的雙重利用，可以分別控制兩個伸縮桿進行調節，根據使用者的需求自行調節，已達到使用者一個最佳舒適的按摩位置。

三、產品的市場前景

由于社會經濟的發展，人口老齡化的壓力的增加，老年人們對健康的關注越來越廣泛，對按摩器具的需求也越來越高。養老保健椅以其顯著的功能得到廣大消費者的喜愛，養老保健椅市場存在巨大的商業潛力，許多企業已經把目光投放在了這塊誘人的蛋糕上。

據統計，隨著全球經濟復蘇以及新興經濟體的快速發展，全球家庭座椅市場容量將按12%的增長率增長，預計2022年世界家庭座椅市場容量將達到224億美元。

我國是養老保健椅的生產大國，卻不是消費大國。但隨著我國經濟的快速發展，人民生活水平的不斷提高，養老保健椅的市場發展潛力巨大。根據統計，我國18到50歲人群對休閑康體相關產品和服務有需求的消費者人數已超過4億，中國已成為世界上最大的休閑康體市場。中國的休閑康體產業得到了蓬勃發展，而休閑康體市場作為朝陽產業更是被越來越多的投資者所看好。