老年人智能拐杖的設計及應用

王瑞，高顯斌，朱心旺，董益豪，張昊巖

（延安大學化學與化工學院，陜西延安 716000）

在物聯網和互聯網的時代，越來越多的智能產品和服務逐漸出現在人們的視野中。目前，對于老年人福祉科技的應用研究也日益增多。養老科技、智能養老等概念不斷涌現。隨著人均收入水平的提高，老年人對生活質量的期望越來越高，對老齡用品也提出了更高的要求。在選擇用品時，除考慮經濟性外，更注重產品的外觀設計、質量和具體功能等的實現[1]。在各種需求中，對于老人來說，便于安全健康的出行用品顯得尤為重要[2]。市面上許多智能拐杖操作復雜，違背了助老原則，因此，根據老年人使用訴求，結合消費需求和結構的分析，智能拐杖應運而生。

1 智能拐杖方案設計

1.1 智能拐杖設計要求

根據市場調研，要設計一款滿足老年人日常生活需求，并能提供有效幫助的智能拐杖，需要符合以下要求：1）拐杖的目的是幫助老人行走，所以其防滑系數必須很高，減少老人因行走過程中滑倒而受傷的風險；2）設計跌倒報警功能，當老人跌倒時，拐杖會發出報警聲音，向四周的行人尋求幫助，讓“不敢扶、扶不扶”等靈魂拷問消失無蹤；3）老人身體機能下降，要時刻防止突發疾病的狀況[3]。因此，要給拐杖安裝心率血壓監測模塊，當老年人的心率血壓超出正常范圍時，系統會發出警報，行人聽到警報之后上前查看狀況，并根據銘牌上的信息給監護人打電話。

1.2 智能拐杖主要功能

因設計重在使用簡單，功能便于實現，所以智能拐杖主要由心率血壓檢測、跌倒報警功能、緊急情況手動報警功能、夜間防障礙功能四部分組成。

2 智能拐杖設計

智能拐杖由手柄、主桿、底座等部分組成，其結構如圖1 所示。

圖1 拐杖總體結構圖

2.1 手柄

2.1.1 手柄主要功能設計

手柄部分采用回字形設計，這比普通設計有更大的空間用于放置元器件。一般的拐杖扶手是直板式，可放置的元器件不多，且幾乎所有的功能按鈕都密布在扶手上，而老年人的手指靈活性較差，平時使用過程中就容易按錯按鈕，更不用說當他們在需要幫助的時候（迷路、血壓異常等），心情焦慮更易出錯。而回字形設計，空間更大，可以擴大按鈕之間的距離，不同功能的按鈕放置在不同的位置，這樣老年人只要記住每一個位置的按鈕對應的功能即可，不需要在一排按鈕中仔細分辨各自的用途，這樣更高效快捷。另外，回字形空管手柄不僅可以放置元器件，還可放置電池，一部分電池放置于枝干部分，一部分電池放置于扶手部分，大大增加了電池容量，增強了智能拐杖的續航能力。

手柄采用6061 鋁合金制作，具有質量輕、強度大、抗彎抗壓能力強等特點。另外，表面覆蓋橡膠漆，耐熱耐寒，能夠給老人舒適的握持感[4]。

2.1.2 身份銘牌

當老人出現意外時，為了便于找到監護人，可在拐杖手柄的背面設計一個銘牌，把老人的相關信息和監護人電話寫在銘牌上，然后將其插入銘牌所在位置，銘牌外表有塑料保護裝置，可防止因雨水或其他原因損壞信息。

2.2 主桿

主桿部分采用市面上常用的套筒設計，為了調節高度，以適應不同身高的老人，主桿長度在64～105 cm 范圍內可調。此外，在主桿上安裝平衡檢測裝置，根據拐杖失衡情況判斷老人是否跌倒。主桿也采用6061 鋁合金制作。

2.3 底座

底座部分采用四爪吸盤式設計，以增大與地面的接觸面積，提高其穩定性。這樣設計主要考慮老人行走在較滑路面的時候，需具備更強的抓地力，不易滑倒。另外，在底座的四爪上安裝有超聲波距離傳感器，尤其是夜間，當傳感器檢測到障礙物時，就會發出報警聲提醒老人繞道而行，其結構如圖2 所示，四個腳墊采用優質硅膠材料，配合四爪設計，耐磨耐用，可安全使用。

圖2 底座結構

2.4 控制系統設計

智能拐杖的控制系統共分為信息采集部分、信息處理部分、信息輸出部分[5]，系統方框圖如圖3所示。

圖3 系統控制方框圖

1）心率血壓檢查

市面上專注于實時檢測老人身體狀況的產品大多是功能單一的健康手環，而該次設計的拐杖，在與老人接觸時可獲得老人身體狀況的信息，當老人的心率或血壓超過預定的安全值時會發出警報，提醒老人及路人，以便引起注意，使老人獲得幫助。此外，通過拐杖的檢測，會定期地總結分析老人身體狀況，及時作出預防與保護，防患于未然。

2）跌倒報警功能

老年人的身體機能下降嚴重，許多時候一旦摔倒想要爬起來十分困難，如果此時身邊沒人就很棘手[6]，因此產品設計了防摔倒報警功能。如圖4 所示，在這款智能拐杖上，安裝了加速度傳感器和壓力傳感器，當壓力傳感器檢測到的壓力小于預先設置的拐杖凈重時，拐杖無人使用，這個時候即使拐杖倒了，也不會報警，可防誤報[7]。當檢測到壓力大于拐杖凈重時，跌倒報警裝置才啟動，若老人摔倒，加速度傳感器檢測到拐杖的加速度急劇變化，跌倒報警裝置就會發出報警聲，行人聽到聲音后，會前來查看老人的狀況，以提供幫助[8]。與此同時，老人子女手機上的APP 會接收到父母摔倒的報警信號，警報聲持續一分鐘，如果在5 min 之后老人沒有被扶起，平衡檢測裝置繼續工作，重復之前的操作，直到老人被扶起，或者在這期間監護人也可采取有效措施予以幫助。

圖4 跌倒報警方塊圖

3）緊急情況手動報警功能

老人在生活中難免會出現很多意外情況，比如突發疾病、迷路等[9]，此時可按下報警按鈕，報警聲會變成提前錄制好的向路人尋求幫助的錄音，路人根據實際情況予以幫助，同時APP 上會給子女發送父母陷入困難的信息，子女收到信息后可及時給父母打電話確定情況。若是突發疾病、藥物吃完或遺失，行人可打120 叫救護車，而不會出現路人因為害怕被碰瓷而袖手旁觀的情況[10]。操作流程如圖5 所示。

圖5 手動報警方塊圖

4）夜間防障礙功能

夜間防障礙功能是產品的創新之處，晚上老人外出散步時，如果前方有障礙物（如小石頭），由于光線差，老人不能及時發現，就容易被絆倒，所以產品增加了此功能。其主要通過HC-SR04 超聲波距離傳感器配合單片機實現，傳感器可以探測前方2 m 以內的地面障礙物，并及時以語音、警報的方式提醒[11]。探測障礙物距離可以分為兩段：1 m 以內出現障礙物會急促警報“危險”，1～2 m 會發出“滴滴”的警報[12]。該功能通過超聲波發射器與接收器來實現，當拐杖處于使用狀態時，超聲波發射器向拐杖的正前方發射超聲波，同時系統單元開始計時[13]，設超聲波的速度為v，當超聲波撞到障礙物時，超聲波返回，接收器接收到信號，超聲波從發射到接收的時間為Δt，人與障礙物之間的距離為l=v·Δt/2。當系統檢測1 m＜l＜2 m時，開始發出“滴滴”的警報，當0 m＜l＜1 m 時，發出“前方有障礙物”的語音報警，工作流程如圖6 所示。

圖6 障礙物檢測報警方框圖

2.5 拐杖的電路設計

智能拐杖以ARDUINO UNO R3 單片機為核心，控制超聲波的發射與接收，同時將接收的信號轉換為電信號，計算出距離后,輸出信號傳遞給蜂鳴器，由蜂鳴器發出報警聲[14]。其次由ARDUINO UNO R3單片機控制加速度傳感器和心率血壓檢測儀，接收相應的信號，通過信息處理系統計算后輸出電信號給輸出端，最后由輸出端顯示相關信息[15]，電路如圖7-9 所示。

圖7 距離檢測電路圖

3 智能拐杖的受力模擬分析

根據文獻[16]可知，成年人施加于拐杖的最大壓力為686 N，而老年人施加的壓力通常為成年人的1/4，因此，對拐杖進行Ansys 受力模擬實驗時，采用極限模擬法。拐杖的設計尺寸：外徑為23 mm，內徑為21 mm，輸入最大壓力為686 N，檢測拐杖在設計、選材方面是否合格。

圖8 傾倒檢測電路設計

圖9 心率檢測電路設計

圖10 為拐杖受力變形圖，在扶手處施壓，以底腳為約束，扶手顏色變成黑色，說明受力部分集中于扶手處，底腳部分基本沒有產生變形，而枝干部分雖有微彎變形，但不影響正常使用，可滿足強度和穩定性要求。由此可知，老年人使用拐杖時，完全能夠正常工作，拐杖的設計和選材是合理的。

圖10 受力分析圖

4 結束語

隨著互聯網的發展，通信技術越來越發達，老年人的娛樂方式也越來越緊跟潮流，絕大多數子女都會為父母配備一臺智能機并教會他們基本的娛樂功能，因此在智能拐杖上設計MP3、收音機已經沒有很大的市場吸引力。而這款智能拐杖能夠充分滿足智能和助老的雙重要求，功能操作簡單高效，對于老年人來說使用起來方便快捷，可及時高效地獲得幫助。對市場現狀的分析表明，與旺盛的市場需求和老年人的消費愿望相比，中國相關企業的行動相對比較滯后，因此，智能手杖推向市場應會供不應求，這為產品的擴大化生產并實現規模經濟提供了可能。