尚昱儒

（鄭州市為民高中，河南鄭州，450000）

0 引言

當(dāng)前已有多樣化的老年人助行器應(yīng)用于日常生活中，按照有無動(dòng)力可分為無動(dòng)力式助行器與有動(dòng)力式助行器[3]，這些助行器在一定程度上滿足了現(xiàn)階段老年人日常的多樣化出行需求，但仍存在一定的不足。無動(dòng)力式助行器沒有助力功能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、樣式多樣、重量輕便等優(yōu)點(diǎn)，是最常見的助行器。此外為滿足出行需求，無動(dòng)力式助行器也增加有自主鎖死固定、組件替換、坐下倚靠等功能，使用更為方便。但是無動(dòng)力式助行器在功能多樣性、應(yīng)用智能化、功能擴(kuò)展性等方面存在不足，無法滿足現(xiàn)階段對(duì)于安全性等方面的需求。有動(dòng)力式助行器安裝有動(dòng)力模塊，可滿足無法行走或無法長(zhǎng)時(shí)間行走的老人的出行輔助功能，具有功能多樣、可操縱性強(qiáng)的特點(diǎn)，但是其續(xù)航能力弱、成本造價(jià)高昂、智能化程度低等方面的不足，限制了其進(jìn)一步擴(kuò)展。

傳統(tǒng)助行器應(yīng)用場(chǎng)景較為單一，且無法滿足老年人意外摔倒、疾病發(fā)作等突發(fā)情況時(shí)的急救需求，且無法服務(wù)于老年人對(duì)于健康管理方面的需求，亟需基于現(xiàn)階段的技術(shù)發(fā)展方向研發(fā)新式助行器，彌補(bǔ)傳統(tǒng)助行器的不足，同時(shí)滿足未來的功能需求。

本文開展新型老年人智能助行器設(shè)計(jì)，針對(duì)老年人的不同身體條件下的出行需求開展設(shè)計(jì)，更好地應(yīng)用于多種場(chǎng)景，滿足老年人不同狀況下的助行需求[4]。此外新型助行器配備有呼救系統(tǒng)、身體檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)老年人意外情況時(shí)的應(yīng)急處理，使得老年人的出行更加便利、安全，減輕社會(huì)與子女負(fù)擔(dān)，提升老年人的生活質(zhì)量。

1 新型助行器方案設(shè)計(jì)

圖1 新型助行器方案框圖

新型助行器按照功能劃分包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、身體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、緊急情況報(bào)警系統(tǒng)及功能擴(kuò)展系統(tǒng)，各功能模塊詳情如下。

■1.1 機(jī)械機(jī)構(gòu)

新型助行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)與目前的有動(dòng)力助行器結(jié)構(gòu)相似：擁有四腳支架，起到支撐、助行作用；支架下端安裝由電力驅(qū)動(dòng)的輪軸，實(shí)現(xiàn)助力和自動(dòng)行走；設(shè)計(jì)有緩沖墊覆蓋的弧形區(qū)域，方便老人站立及倚靠；配備折疊椅，以供老人休息或控制助行器；支架上配屬手柄及剎車握把，實(shí)現(xiàn)老人行走時(shí)的安全控制；助行器高度可調(diào)，關(guān)鍵模塊可替換，以適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景需求。

此外，新型助行器為適應(yīng)新的功能及組件，設(shè)計(jì)有針對(duì)性的結(jié)構(gòu)，用于安裝各類傳感器、控制中樞系統(tǒng)、導(dǎo)航模塊、報(bào)警模塊和圖像收集設(shè)備。

■1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要完成助行器的自動(dòng)/手動(dòng)移動(dòng)控制與全系統(tǒng)功能的控制[5]。助行器可由老人主動(dòng)控制或助行器自主完成運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)代步和助力功能。其中老人的主動(dòng)控制由控制手柄完成，手柄可實(shí)現(xiàn)走停、方向、速度等參數(shù)控制；在上坡或路面不平時(shí)，助行器可自主完成助力，以方便老人在路況較差環(huán)境下自由移動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是安裝在輪軸上的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)的控制下轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)與助力功能，具有安全環(huán)保、控制簡(jiǎn)單、方案成熟、成本低廉、可實(shí)現(xiàn)智能化控制的優(yōu)點(diǎn)。

■1.3 身體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

新型助行器的身體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于監(jiān)視老人使用助行器運(yùn)動(dòng)時(shí)的身體各項(xiàng)指標(biāo)狀態(tài)，如心率、呼吸、血壓、溫度等，以便及時(shí)感知老人的各種身體狀態(tài)變化，且身體監(jiān)測(cè)搜集的數(shù)據(jù)可用于對(duì)老人的身體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行管理。

心率監(jiān)測(cè)主要由安裝在手柄或胸帶的外帶式心率傳感器完成數(shù)據(jù)收集[6]，其作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老人的心跳狀況，用于健康評(píng)估，如評(píng)估心臟跳動(dòng)是否處于正常狀態(tài)。評(píng)估原理是通過檢測(cè)脈搏跳動(dòng)的頻率和正常頻率作比較進(jìn)行分析評(píng)測(cè)。

呼吸監(jiān)測(cè)主要由穿戴式胸帶檢測(cè)胸腔和腹部振動(dòng)完成收據(jù)收集，其作用是檢測(cè)老人的呼吸頻率[7]，通過與正常狀態(tài)比對(duì)，監(jiān)測(cè)老人的呼吸是否處于異常狀態(tài)。

血壓監(jiān)測(cè)的作用是檢測(cè)老年人血壓情況，當(dāng)血壓處于異常狀態(tài)時(shí)及時(shí)警報(bào)。血壓檢測(cè)的難點(diǎn)在于實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)地檢測(cè)血壓狀態(tài)[8]。檢測(cè)原理是依靠套在上臂袖的檢測(cè)設(shè)備，間歇性自動(dòng)充氣加壓，傳感器不斷地拾取壓力波信號(hào)完成檢測(cè)?；蛘呖梢圆捎弥柑资絼?dòng)態(tài)血壓監(jiān)護(hù)儀，在指套上安裝一個(gè)壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)血壓監(jiān)測(cè)。

溫度檢測(cè)的作用是檢測(cè)老年人身體溫度狀態(tài)，其數(shù)據(jù)可用于合理安排穿著，同時(shí)反應(yīng)老人在運(yùn)動(dòng)時(shí)的身體狀態(tài)，為身體健康管理提供數(shù)據(jù)支撐。溫度檢測(cè)可基于穿戴式溫度傳感器或紅外傳感器，基于精度需求，優(yōu)先選擇穿戴式紅外傳感器，傳感器與呼吸檢測(cè)一體集成于胸帶。

身體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件以穿戴式形態(tài)安裝在老人的胸前與上臂，實(shí)現(xiàn)心率、呼吸、血壓、溫度的檢測(cè)，數(shù)據(jù)以無線的形式傳輸?shù)街衅骺刂葡到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，這樣身體檢測(cè)設(shè)備操作更簡(jiǎn)單、攜帶更方便。

■1.4 運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要完成老人出行時(shí)的身體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)的指標(biāo)包括運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)頻率、實(shí)時(shí)圖像等，其數(shù)據(jù)可用于實(shí)現(xiàn)老人的健康管理。

運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件包括北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、圖像記錄儀等，同時(shí)內(nèi)置陀螺儀和加速度計(jì)。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)主要用于記錄運(yùn)動(dòng)軌跡，并實(shí)時(shí)反饋老人位置，以應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的迷路狀況；陀螺儀與加速度計(jì)主要用于檢測(cè)老人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括運(yùn)動(dòng)步幅、運(yùn)動(dòng)頻率、肢體動(dòng)作等；圖像記錄儀主要用于監(jiān)視老人出行時(shí)的狀態(tài)與環(huán)境，同時(shí)可作為輔助設(shè)備檢測(cè)老人面部表情，以便遠(yuǎn)程全面了解老人的身體狀況。

■1.5 緊急情況報(bào)警系統(tǒng)

緊急情況報(bào)警系統(tǒng)由通信系統(tǒng)與緊急情況檢測(cè)系統(tǒng)組成，其中通信系統(tǒng)是助行器與外界聯(lián)系的媒介，基于5G構(gòu)建，具有實(shí)時(shí)、快速、低廉的特點(diǎn)，可根據(jù)需求將信息傳輸給家人、警察或其他在線設(shè)備；緊急情況檢測(cè)系統(tǒng)主要完成緊急情況的辨識(shí)，包括老人獨(dú)自出行時(shí)突發(fā)疾病、歹徒行兇、交通事故、意外摔倒等，意外情況的檢測(cè)主要由攝像頭、紅外傳感器完成，且身體檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可輔以判斷。

■1.6 功能擴(kuò)展系統(tǒng)

科技發(fā)展迅猛，助行器的功能也需要不斷更新或增刪功能，因而新型助行器具有功能擴(kuò)展系統(tǒng)，依靠通用接口，如USB等，實(shí)現(xiàn)電子部件即插即用，依靠模塊化可替換組件實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件的物理替換。

基于潛在的應(yīng)用需求，為滿足行走困難或完全無法行走的老年人的出行需求，區(qū)別于傳統(tǒng)輪椅，借鑒現(xiàn)代損傷恢復(fù)技術(shù)，設(shè)計(jì)輔助行走、代步行走等功能，兩個(gè)功能的硬件系統(tǒng)有外骨骼動(dòng)力系統(tǒng)、腦電波接口傳輸控制系統(tǒng)。

2 新型助行器應(yīng)用場(chǎng)景

新型助行器功能多樣、使用靈活，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的基本功能，并具備身體狀態(tài)管理、緊急情況處理及未來潛在功能等，展望其應(yīng)用場(chǎng)景如下。

■2.1 傳統(tǒng)基本功能

新型助行器可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)助行器的基本功能，通過高度調(diào)節(jié)、模塊替換等功能，協(xié)助各種高度、身體狀態(tài)的老人在無外人幫助下的自主行走、倚靠休息等；配備滑輪和鎖死裝置，以滿足老人在傾斜路面或上坡、路面不平時(shí)的出行需求；設(shè)計(jì)有電動(dòng)助力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)體弱老人的自主控制移動(dòng)或自動(dòng)移動(dòng)。

■2.2 身體狀態(tài)管理

隨著人們對(duì)身體健康的關(guān)注，及穿戴式設(shè)備的成熟，身體健康管理逐漸從醫(yī)學(xué)中擴(kuò)展到人們的日常生活，而老年人也同樣具有此需求。身體健康管理通過運(yùn)動(dòng)情況統(tǒng)計(jì)、運(yùn)動(dòng)身體狀態(tài)統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方案生成與身體狀態(tài)評(píng)估，以便于老人合理進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，促進(jìn)身體健康。新型助行器具有身體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，其中身體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)身體狀態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)情況統(tǒng)計(jì)，具體實(shí)現(xiàn)如下：

運(yùn)動(dòng)狀態(tài)統(tǒng)計(jì)。目的在于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老人所處位置、行進(jìn)速度、運(yùn)動(dòng)頻率、動(dòng)作幅度和運(yùn)動(dòng)地形等信息?；诒倍沸l(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)裝載芯片完成實(shí)時(shí)定位及導(dǎo)航功能，基于加速度計(jì)和陀螺儀完成老人運(yùn)動(dòng)速度及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)。硬件檢測(cè)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于助行器主板的存儲(chǔ)器或在線傳輸至云端，經(jīng)數(shù)據(jù)分析可得老人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

身體狀態(tài)統(tǒng)計(jì)。目的在于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老人在出行時(shí)的各方面身體狀態(tài)，在出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)進(jìn)行報(bào)警、呼救等應(yīng)急處理。基于準(zhǔn)實(shí)時(shí)自動(dòng)充壓血壓檢測(cè)設(shè)備完成血壓健康情況檢測(cè)，基于胸戴試呼吸監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備完成持續(xù)性呼吸監(jiān)測(cè)功能，基于胸戴式心率監(jiān)測(cè)及握柄傳感監(jiān)測(cè)設(shè)備完成老人心率安全監(jiān)測(cè)及評(píng)估功能，基于手柄傳感及胸戴式溫度檢測(cè)計(jì)設(shè)備完成老人體溫的持續(xù)性測(cè)量和評(píng)估。此外，基于攝像頭檢測(cè)老人面部狀態(tài)，如眨眼頻率、面部表情等，基于人工智能與事先存儲(chǔ)的正常狀態(tài)比對(duì)，檢測(cè)老人的身體狀態(tài)；基于腦電波監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老人腦部狀態(tài)及注意力集中程度，以輔助判斷老人的身體狀態(tài)。身體狀態(tài)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存方案與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)統(tǒng)計(jì)原理相同。

綜合分析一段時(shí)間后老人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與身體狀態(tài)數(shù)據(jù)，可對(duì)老人的身體運(yùn)動(dòng)承受能力進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)行定制化運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，并基于語音指導(dǎo)等方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)推薦，以便老人進(jìn)行身體恢復(fù)、身體狀態(tài)保持，滿足老人獨(dú)特的需求。

■2.3 緊急情況處理

梳理老人獨(dú)自出行的緊急情況，主要包括身體突發(fā)疾病、遭遇搶劫、交通意外事故、突然摔倒等。基于新型助行器的功能模塊，各種緊急情況處理方案如下：

在突發(fā)疾病情況下，具備緊急呼救能力，通過通信系統(tǒng)將身體狀況通報(bào)給最近醫(yī)院，并告知親屬，此外通過自身語音播報(bào)系統(tǒng)指導(dǎo)路人施救或阻止路人的錯(cuò)誤救助。

在遭遇搶劫、交通意外事故、摔倒情況下，具備應(yīng)對(duì)及時(shí)報(bào)警呼救能力，基于電子報(bào)警及高分貝呼救裝備可實(shí)現(xiàn)快速報(bào)警或向路人求助，此外助行器相機(jī)記錄的實(shí)時(shí)狀況可成為后續(xù)處理的依據(jù)。

■2.4 未來功能設(shè)想

基于腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)意念感應(yīng)控制，配合外骨骼系統(tǒng)的應(yīng)用，滿足行動(dòng)不便或喪失運(yùn)動(dòng)能力老人正常出行。使用時(shí)，老人穿戴外骨骼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)薄弱位置助力；進(jìn)一步地，通過腦電波感應(yīng)器收集老人產(chǎn)生想法時(shí)前額的微弱電流，預(yù)知老人下一步的行為，將數(shù)據(jù)傳輸給外骨骼系統(tǒng)帶動(dòng)老人行走，實(shí)現(xiàn)助行功能。

3 結(jié)語

針對(duì)老齡化社會(huì)老人出行的需求，基于現(xiàn)階段助行器功能單一、智能化程度低的缺點(diǎn)，開展了新型助行器的方案設(shè)計(jì)，形成了包含機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、身體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、緊急情況報(bào)警系統(tǒng)及功能擴(kuò)展系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其應(yīng)用場(chǎng)景開展了展望。新型助行器具有功能多樣、智能化程度高、可擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，可滿足現(xiàn)實(shí)及未來不同身體狀態(tài)的老人獨(dú)自外出時(shí)的出行輔助需求，及運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、身體狀態(tài)評(píng)估等身體管理需求。本方案的設(shè)計(jì)可為助行器的升級(jí)提供參考，但囿于水平限制，目前的研究?jī)H限于功能探討，詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)還需開展進(jìn)一步的工作，相信未來新型助行器將更好地服務(wù)老人出行，提升老人的生活質(zhì)量。