基于無線充電模塊的智能助老拐杖設計

金旭，楊毅，洪鎮南

（南華大學電氣工程學院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

當前，智能化產品附帶的功能日益增多，有關智慧助老的智能化產品數量眾多，能對老人情況展開實時監測，從而為其身體健康提供保障，其中之一便是智能助老拐杖。但是，目前此類拐杖在充電時基本采取的是有線充電方式，老年人因身體或視力問題，在充電中很難準確找到充電口，特別是超過80歲的老年人更是不便。本文設計的智能助老拐杖帶有無線充電模塊，能消除以往有線充電中存在的各類不便，同時支持向智能移動終端自動反饋老年人所處地理位置信息，并配備了照明的功能，可帶給老年人更優異的使用體驗。

1 智能助老拐杖設計理念

本文設計的智能助老拐杖中，以控制器為中心，在加速度傳感器結果導向的運用下，能判斷拐杖是否處于平穩運行狀態，進而判斷拐杖是否摔落。如果有摔倒的信號被成功感知，內部通訊模塊會迅速將已摔倒的信息反饋至遠程信息終端，并一并發送此時智能助老拐杖所在的地理位置信息，方便對方通過手機終端查看這一系列信息[1]。而未檢測到加速度的智能助老拐杖，則不會反饋老人已摔倒的信息。同時，智能助老拐杖監測到摔倒后，其內部控制器會對壓力檢測傳感器自行驅動，檢測智能助老拐杖感受的壓力是否超過其本身能承受的極限壓力。值得一提的是，智能助老拐杖也需要圍繞相應的數據結果判定是否將扶起的控制信號觸發，且要具備電動推桿伸長功能，這樣一來才能順利扶起摔倒的老人。

2 智能助老拐杖整體結構設計

2.1 整體結構

智能助老拐杖作為一種新型拐杖，主要用于滿足老年人外出需求并提供可靠的安全保障，故而其結構設計相當重要，圖1呈現了該拐杖的立體結構。首先，拐杖握把位置以弧形空腔型為主，并進行了表面防滑的波浪條紋設計，在保障安全的同時也能帶給老人舒適感[2]。設計空腔的握把，主要目的在于方便拐杖各個智能模塊系統的放置及運用。其次，拐杖的構成中，桿件部分為主要部位，融入了可伸縮的設計理念，拐杖全部伸長后總計120cm的長度。桿件部分由三個部分組成，分別為上支桿、下枝干和底座。其中，支桿為高度可調節支撐桿，主要由上支桿（固定連接上端與握柄）、下枝干（固定連接下端與底座）。底座由下支桿下端設置的底盤和底盤中心設置的固定腳墊、底盤端部設置的驅動可調節腳墊組成，能夠調節支撐面。

因各個老年人在身高方面有差距，對拐杖的舒適高度也有著不同的要求，因此可伸縮的拐杖設計能使老年人以自身需求的舒適高度為依據自行調節拐杖[3]。最后，由于老年人并非隨時都會使用拐杖，以往不可伸縮的拐杖由于長度偏高的緣故，隨身攜帶極為不便，老年人在不使用拐杖時很難妥善處理，帶給他們一定的困擾。而本文中可伸縮型的拐杖設計，當老年人沒有使用需求時，通過收縮減短后可收納在包里或相應的地方，不僅方便攜帶且能節省空間，極大便利了老年人的外出。

2.2 外觀顏色

在外觀顏色設計方面，以人體感官為依據，引入了亮麗親和的色彩，賦予了拐杖更突出的吸引力和感染力。該拐杖主要包含三種顏色：一是天藍色（亦稱之為湛藍），是一種十分貼近天空晴天的顏色，介于深藍與藍色間。該款拐杖中運用此類顏色設計外觀，呈現出恬靜典雅之意，也能帶給老年人豁然開朗的感覺，使他們在產品使用中心情能夠保持愉悅。二是中國紅[4]。我國傳統文化中，紅色有著吉祥、平安、康壽及福祿等寓意，也寄托了人們祈求百世長順、逢兇化吉和祛病除災等美好愿望。該款拐杖中運用此類顏色設計外觀，為老年人帶來了吉祥的寓意。三是黑色。此類顏色彰顯出低調的奢華與樸實的高貴，在該款拐杖中運用此類顏色設計外觀，能帶給人沉著、穩重的感覺，能將老年人特有的成熟氣質充分展現。

3 智能助老拐杖功能模塊及其作用機理

3.1 功能模塊

該拐杖主要包含握柄、支桿和底座，其中握柄固定設置于上支桿上端，二下支桿下端則固定設置底座，且配備了四個可調節腳墊。該拐杖功能模塊主要包含：一是在握柄內實現了供電與報警兩模塊的設置，且兩個模塊之間實現電連接。供電模塊為無線充電模塊，在拐杖充電時十分便利，能有效彌補需要精確對準的有線充電存在的缺陷及不便等，帶給老人更優異的使用體驗。同時，配備了用于對無線充電模塊實時充電過程中加以顯示的裝置[5]。當該拐杖處于充電狀態時，模塊中的指示裝置上第一顏色會顯亮；而當拐杖電量充滿之后，模塊中的指示裝置上第二顏色會顯亮。二是拐杖中配備了監測跌倒狀態的模塊。通過該模塊的應用，支持對老人身體姿態展開實時監測，且該模塊電連接了供電與報警模塊。三是定位模塊。通過該模塊的應用，能夠對老人所處位置展開實時定位，與供電模塊電連接。四是照明模塊。手柄前端處設置了照明模塊，通過該模塊的應用，能開闊老人視野、消除夜間外出時光線不足的情況，與供電模塊電連接。

3.2 應用中的作用機理

3.2.1 充電狀態判斷

該拐杖中設計了LED燈模組，是方便老人對拐杖充電狀態進行判斷的無線充電狀態指示裝置。當該拐杖處于充電狀態時，模塊中的指示裝置上第一顏色會顯亮，例如紅色；而當拐杖電量充滿之后，模塊中的指示裝置上第二顏色會顯亮，例如綠色。同時，如果存在異物阻擋的情況，造成無線充電連接失敗的情況，此時會有第三顏色出現在指示裝置上，如呈閃爍狀態的紅綠顏色交替。

3.2.2 老人行走狀態監測

為方便對老人行走狀態展開實時監測，該拐杖中也設計了跌倒監測模塊。通過該模塊的應用，能夠對老人身體姿態展開實時監測。該模塊電連接了供電與報警模塊，一旦老人處于跌倒狀態并被跌倒監測模塊迅速監測到該信號后，可觸發報警模塊進行報警，并迅速將信號反饋給報警信號接收人或家人。跌倒監測模塊中，電量主要由供電模塊負責提供。

3.2.3 老人位置定位

該拐杖中設計的定位模塊，主要是避免老人出現走丟的情況，同時方便能將老人迅速找到。該模塊與供電模塊之間實現了電連接，通過該模塊的應用，能對老人所在位置實時進行定位，并將定位信息反饋至手機等接收端，幫助接收端實時掌握老人位置信息。

3.2.4 自動照明系統設計

日常生活中，老年人時常也會出現夜晚外出的情況，如散步或鍛煉身體等。但是，由于年齡偏高的緣故，老年人視力狀況一般不佳，外出時往往需要道路照明這一輔助功能。基于此，該拐杖中前端斜下方設計了用于照明的LED照明燈[6]。模塊中配備的光敏電阻傳感器，主要用于監測環境亮度情況，且該監測工作是實時開展的。當監測到低于單片機程序預先擬定數值的光線時，LED照明燈在繼電器的作用下會迅速被打開；監測到的光線偏亮時，LED照明燈在繼電器的作用下會迅速被關閉。此類功能設計無需老年人自行啟停LED照明燈，整個使用過程更加便利，加之自動啟停的緣故，能減少消耗的電量。同時，拐杖中針對電源整體也進行了總開關的設置，拐杖未被使用時可關閉總開關，能使其耗費在自動檢測系統中的電量減少，呈現出人性化設計。該功能模塊能為老年人夜間外出、行走提供可靠的安全保障，使老人家人更加放心。

3.2.5 防滑性能

該拐杖在設計中，針對老年人可能出現的滑倒情況展開了針對性設計，賦予了拐杖更強的防滑性能，具體表現在：底座進行了可調節支撐面的設計，包含下支桿下端處設置的用螺釘固定的底盤、底盤中心位置處固定設置的腳墊、底盤端部設置的可調節腳墊（四個）與可調節且支持在驅動下往復移動的結構，該結構的組成中包含了下支桿下端套設的撐骨環、在可調節腳墊往復移動中發揮促進作用的滑塊、用于對撐骨環和滑塊間連接的連桿，通過螺釘在滑塊下端固定設置調節腳墊，沿下支桿的方向撐骨環可作向下的移動，滑塊在驅動連桿的作用下會向外的方向移動，使底座支撐面積進一步擴大。同時，沿支撐桿向上的方向撐骨環可進行移動，滑塊在驅動連桿的作用下會被拉動并向內移動，使底座支撐面積縮小[7]。當底座面積增大之后，拐杖就會具備更突出的防滑性能（圖2）。

4 功能測試

本文擬通過下述內容對該拐杖中相應模塊的功能展開檢測。

（1）按鈕一為定位系統啟動鍵，當按下按鈕后能夠支持錄入語音，在識別語音后系統內會自行作出具體地位并規劃線路，并通過語音系統完成規劃路線的播報。傳輸語音信息時，主要通過藍牙或無線進行。

（2）按鈕二為緊急信息啟動鍵，當按下按鈕后定位系統能夠同步展開工作，對所在位置進行定位，并向制定終端發送位置信息，由此促進求救功能的實現。

（3）充電狀態顯示，無線充電模塊充電時，模塊中的指示裝置上第一顏色會顯亮；而當拐杖電量充滿之后，模塊中的指示裝置上第二顏色會顯亮。

（4）跌倒監測，過該模塊的應用，能夠對老人身體姿態展開實時監測。該模塊電連接了供電與報警模塊，一旦老人處于跌倒狀態并被跌倒監測模塊迅速監測到該信號后，可觸發報警模塊進行報警，并迅速將信號反饋給報警信號接收人或家人。

5 結語

綜上所述，本文結合老年人日常出行需求設計了一款基于無線充電模塊的智能助老拐杖。該拐杖作為一種輔助器械，包含了報警模塊、跌倒監測模塊、定位模塊及照明模塊等，能方便老年人的外出并提供必要的安全保障。采用了與大部分人手型握持舒適的弧形空腔握把，并進行了表面防滑的波浪條紋設計，使老年人在抓扶拐杖時更舒適、安全。同時，采取了可伸縮型的拐杖設計，當老年人沒有使用需求時，通過收縮減短后可收納在包里或相應的地方，不僅方便攜帶且能節省空間，極大程度上便利了老年人的外出。