王瑞，高顯斌，朱心旺，董益豪，張昊巖

（延安大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西延安 716000）

在物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的時代，越來越多的智能產(chǎn)品和服務(wù)逐漸出現(xiàn)在人們的視野中。目前，對于老年人福祉科技的應(yīng)用研究也日益增多。養(yǎng)老科技、智能養(yǎng)老等概念不斷涌現(xiàn)。隨著人均收入水平的提高，老年人對生活質(zhì)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(jīng)濟性外，更注重產(chǎn)品的外觀設(shè)計、質(zhì)量和具體功能等的實現(xiàn)[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(fù)雜，違背了助老原則，因此，根據(jù)老年人使用訴求，結(jié)合消費需求和結(jié)構(gòu)的分析，智能拐杖應(yīng)運而生。

1 智能拐杖方案設(shè)計

1.1 智能拐杖設(shè)計要求

根據(jù)市場調(diào)研，要設(shè)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(shù)必須很高，減少老人因行走過程中滑倒而受傷的風(fēng)險；2）設(shè)計跌倒報警功能，當(dāng)老人跌倒時，拐杖會發(fā)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(fā)疾病的狀況[3]。因此，要給拐杖安裝心率血壓監(jiān)測模塊，當(dāng)老年人的心率血壓超出正常范圍時，系統(tǒng)會發(fā)出警報，行人聽到警報之后上前查看狀況，并根據(jù)銘牌上的信息給監(jiān)護人打電話。

1.2 智能拐杖主要功能

因設(shè)計重在使用簡單，功能便于實現(xiàn)，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(shè)計

智能拐杖由手柄、主桿、底座等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 拐杖總體結(jié)構(gòu)圖

2.1 手柄

2.1.1 手柄主要功能設(shè)計

手柄部分采用回字形設(shè)計，這比普通設(shè)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?guī)缀跛械墓δ馨粹o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(dāng)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(shè)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(yīng)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(xù)航能力。

手柄采用6061 鋁合金制作，具有質(zhì)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(dāng)老人出現(xiàn)意外時，為了便于找到監(jiān)護人，可在拐杖手柄的背面設(shè)計一個銘牌，把老人的相關(guān)信息和監(jiān)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(shè)計，為了調(diào)節(jié)高度，以適應(yīng)不同身高的老人，主桿長度在64～105 cm 范圍內(nèi)可調(diào)。此外，在主桿上安裝平衡檢測裝置，根據(jù)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(shè)計，以增大與地面的接觸面積，提高其穩(wěn)定性。這樣設(shè)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(dāng)傳感器檢測到障礙物時，就會發(fā)出報警聲提醒老人繞道而行，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示，四個腳墊采用優(yōu)質(zhì)硅膠材料，配合四爪設(shè)計，耐磨耐用，可安全使用。

圖2 底座結(jié)構(gòu)

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計

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

圖3 系統(tǒng)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(chǎn)品大多是功能單一的健康手環(huán)，而該次設(shè)計的拐杖，在與老人接觸時可獲得老人身體狀況的信息，當(dāng)老人的心率或血壓超過預(yù)定的安全值時會發(fā)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(jié)分析老人身體狀況，及時作出預(yù)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(yán)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(chǎn)品設(shè)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(dāng)壓力傳感器檢測到的壓力小于預(yù)先設(shè)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(dāng)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(fā)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(xù)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(xù)工作，重復(fù)之前的操作，直到老人被扶起，或者在這期間監(jiān)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(xiàn)很多意外情況，比如突發(fā)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(jù)實際情況予以幫助，同時APP 上會給子女發(fā)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(fā)疾病、藥物吃完或遺失，行人可打120 叫救護車，而不會出現(xiàn)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(chǎn)品的創(chuàng)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(fā)現(xiàn)，就容易被絆倒，所以產(chǎn)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(xiàn)，傳感器可以探測前方2 m 以內(nèi)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(nèi)出現(xiàn)障礙物會急促警報“危險”，1～2 m 會發(fā)出“滴滴”的警報[12]。該功能通過超聲波發(fā)射器與接收器來實現(xiàn)，當(dāng)拐杖處于使用狀態(tài)時，超聲波發(fā)射器向拐杖的正前方發(fā)射超聲波，同時系統(tǒng)單元開始計時[13]，設(shè)超聲波的速度為v，當(dāng)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(fā)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(dāng)系統(tǒng)檢測1 m＜l＜2 m時，開始發(fā)出“滴滴”的警報，當(dāng)0 m＜l＜1 m 時，發(fā)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(shè)計

智能拐杖以ARDUINO UNO R3 單片機為核心，控制超聲波的發(fā)射與接收，同時將接收的信號轉(zhuǎn)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(fā)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(yīng)的信號，通過信息處理系統(tǒng)計算后輸出電信號給輸出端，最后由輸出端顯示相關(guān)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(jù)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(shè)計尺寸：外徑為23 mm，內(nèi)徑為21 mm，輸入最大壓力為686 N，檢測拐杖在設(shè)計、選材方面是否合格。

圖8 傾倒檢測電路設(shè)計

圖9 心率檢測電路設(shè)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(chǎn)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(wěn)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(shè)計和選材是合理的。

圖10 受力分析圖

4 結(jié)束語

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，通信技術(shù)越來越發(fā)達，老年人的娛樂方式也越來越緊跟潮流，絕大多數(shù)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(shè)計MP3、收音機已經(jīng)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(xiàn)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(guān)企業(yè)的行動相對比較滯后，因此，智能手杖推向市場應(yīng)會供不應(yīng)求，這為產(chǎn)品的擴大化生產(chǎn)并實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟提供了可能。