基于陀螺儀的微型防摔傳感器手杖設(shè)計(jì)

張浩

摘要：為了便于對空巢老人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)無人化健康管理，文章提出了手杖的設(shè)計(jì)方案。當(dāng)老人借助手杖運(yùn)動時(shí)，手杖可以幫助老人調(diào)節(jié)身體平衡，防止摔倒。首先將微機(jī)械陀螺儀置于機(jī)械智能手杖中，其次通過結(jié)合加速度傳感器、地磁傳感器和單片機(jī)技術(shù)，將機(jī)械裝置、驅(qū)動部件、電控系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)具有特定功能的完整系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)對老人的實(shí)時(shí)監(jiān)控和無人化健康管理。

關(guān)鍵詞：微機(jī)械陀螺儀；智能防摔手杖；GPS

1.背景技術(shù)

隨著社會老齡化程度的加深，空巢老人越來越多，已經(jīng)成為一個(gè)不容忽視的社會問題，年齡的增長，老人身體機(jī)能漸漸衰退，身體平衡能力降低，極大威脅老人生命安全。因而將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到空巢老人的助立甚為重要。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)包括：微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化，是實(shí)現(xiàn)自動檢測和自動控制的重要技術(shù)。本設(shè)計(jì)的意義有：第一，便于對空巢老人監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)無人化健康管理；第二，當(dāng)老人借助拐杖運(yùn)動時(shí)可以幫助老人調(diào)節(jié)身體平衡防止其摔倒。

2.工作原理及性能分析

工作原理：物體的平衡問題是物理學(xué)中一大類問題，物體在重力和支持力下的平衡又可分為穩(wěn)定平衡、不穩(wěn)定平衡和隨遇平衡3種。當(dāng)物體稍微偏離平衡位置，若重心升高，就是穩(wěn)定平衡；當(dāng)重心降低時(shí)，是不穩(wěn)定平衡；如果重心的位置不變，就是隨遇平衡。

從物理學(xué)的原理可知，重心的位置和物體的平衡之間有著密切關(guān)系，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：物體的重心在豎直方向的投影只有落在物體的支撐面內(nèi)或支撐點(diǎn)上，物體才可能保持平衡。物體的重心位置越低，物體的穩(wěn)定程度越高。

對于正常人來說，如果出現(xiàn)站立不穩(wěn)的情況，一條腿會不自覺地向后移動進(jìn)行支撐防止摔倒，而這就是所謂的“backward step”原理。而對于老年人來說，由于年紀(jì)增大，動作變慢和反應(yīng)逐漸遲緩，后退一步的動作往往來不及做出，他們就已經(jīng)摔倒。

利用該原理提供一種自動調(diào)節(jié)老人身體平衡的智能手杖，能夠根據(jù)老人身體平衡進(jìn)行自動預(yù)警和調(diào)節(jié)，避免老人摔倒，當(dāng)老人出現(xiàn)站立不穩(wěn)的情況，經(jīng)過傳感器和處理單元控制手杖向后伸縮，增大老人的支撐面。

傳感器方面：微機(jī)械陀螺儀是近年來發(fā)展起來的一種新型多學(xué)科交叉的技術(shù)，微機(jī)械陀螺儀是利用科里奧利力（Coriolis Force），即旋轉(zhuǎn)物體在徑向運(yùn)動時(shí)所受到的切向力。MEMS陀螺儀通常有兩個(gè)方向的可移動電容板。徑向的電容板加在震蕩電壓作用下迫使物體作徑向運(yùn)動，橫向的電容板用于測量橫向科里奧利運(yùn)動帶來的電容變化。由于科里奧利力與角速度為正比關(guān)系，因此可由電容的變化計(jì)算出角速度。

首先將微機(jī)械陀螺儀置于機(jī)械智能手杖中，通過結(jié)合加速器，地磁傳感器技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)，將機(jī)械構(gòu)件、驅(qū)動部件、電控系統(tǒng)集成為一個(gè)整體單元的微型系統(tǒng)。此時(shí)微電子機(jī)械系統(tǒng)不僅能夠采集、處理老人身體是否平衡的信息，還能夠通過芯片按照所獲取的信息自主地根據(jù)老人身體失衡情況采取伸縮或者折疊手杖來調(diào)節(jié)老人身體平衡。

工藝上采用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)結(jié)合，滿足嚴(yán)格的低功耗要求，因此也適用于對外形要求極端的老人專用智能手杖，進(jìn)而通過單一緊湊封裝技術(shù)，將6軸測試單元與3軸地磁傳感器結(jié)合，提高結(jié)構(gòu)靈活性，滿足了手杖需求。

當(dāng)老人發(fā)生意外，可以通過GPS定位，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)App向家屬發(fā)出警告。本設(shè)計(jì)便于家屬第一時(shí)間知曉老人位置并在AOp上顯示心率、血壓、脈搏、體溫，為老人的安全提供必要的保障。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

3.設(shè)計(jì)方案

微型防摔傳感器：將微機(jī)械陀螺儀，加速器和地磁傳感器結(jié)合，嚴(yán)格滿足低功耗，通過單一緊湊封裝技術(shù)，將6軸測試單元與3軸地磁傳感器結(jié)合，確保設(shè)計(jì)的靈活性，有助于延長電池充電時(shí)間間隔。

醫(yī)用傳感器方案設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)主要針對巢老人身體平衡的監(jiān)控，防止老人摔倒，此外還可以檢測心率、血壓、脈搏以及體溫。

（1）心率傳感器：使用檢測心率的集成模擬信號處理與數(shù)字處理技術(shù)的電路模塊，輸出同步與心臟搏動的脈沖信號，具有工作電壓低、體積小、靈敏性強(qiáng)的特點(diǎn)。

（2）血壓傳感器：使用雙光學(xué)傳感器，同時(shí)檢測血壓與脈搏。

（3）體溫傳感器：采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻作為感溫原件，通過放大電路，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫酒?/p>

App方案設(shè)計(jì)：包含服務(wù)器和手機(jī)終端。以賬號的形式面向該App已有用戶，提供功能和服務(wù)的軟件。遵循各平臺的統(tǒng)一的界面規(guī)范，使最終設(shè)計(jì)出來的界面效果達(dá)到最理想狀態(tài)，同時(shí)適用于安卓系統(tǒng)和IOS系統(tǒng)，為群眾提供便利。

4.App功能及原理

系統(tǒng)分為兩大部分：服務(wù)器端和手機(jī)終端。服務(wù)器端包括數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)庫響應(yīng)、數(shù)據(jù)生成等。手機(jī)終端包括三大模塊。

（1）位置信息模塊。位置信息模塊主要是通過GPS模塊實(shí)現(xiàn)定位，然后將定位信息按照一定的算法進(jìn)行采集與存儲，并顯示周邊醫(yī)療信息。

（2）數(shù)據(jù)存儲控制模塊。實(shí)現(xiàn)信息的數(shù)據(jù)存儲和發(fā)送功能。傳感器采集并通過GPS發(fā)送的數(shù)據(jù)將被處理、存儲并顯示在手機(jī)上。發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器方式有傳統(tǒng)的無線傳輸和發(fā)送短信兩種方式。

（3）無線通信模塊。傳感器硬件采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至手機(jī)從而達(dá)到主動預(yù)警功能。

5.性能分析

（1）微型防摔傳感器調(diào)節(jié)老人身體平衡，避免雨，雪天氣老人出行的不便，微型傳感器采用6軸測試單元與3軸地磁傳感器結(jié)合，微機(jī)械陀螺儀是利用科里奧利力，由電容的變化反映角速度來提高手杖的靈敏度，防摔傳感器采集到信息通過芯片處理后控制機(jī)械手杖伸縮避免老人摔倒。

（2）醫(yī)用傳感器是應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的那一部分傳感器，是把人體的生理信息轉(zhuǎn)換成為與之有確定函數(shù)關(guān)系的電信息的變換裝置。它所拾取的信息是人體的生理信息，而它的輸出常以電信號來表現(xiàn)。醫(yī)用傳感器作為傳感器的一個(gè)重要分支，其設(shè)計(jì)與應(yīng)用必須考慮人體因素的影響，考慮生物信號的特殊性、復(fù)雜性，考慮生物醫(yī)學(xué)傳感器的生物相容性、可靠性、安全性。傳感器對被測對象的影響要小，不會對生理活動帶來負(fù)擔(dān)，不干擾正常生理功能。

智能防摔手杖構(gòu)造如圖2所示，由低功耗微處理器、存儲單元、GPS通信模塊、傳感器、電源等組成。

6.智能防摔手杖終端設(shè)計(jì)構(gòu)造

智能防摔手杖終端設(shè)計(jì)構(gòu)造如下。

（1）低功耗微處理器：用來控制整個(gè)終端的正常運(yùn)行以及選擇通信的方式是選GPRS模塊還是衛(wèi)星通信。

（2）存儲單元：將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并上傳到手機(jī)App。

（3）電源是由終端供電。

（4）防摔傳感器方面：靈活性強(qiáng)、功耗低、設(shè)備靈敏度高，通過手杖中芯片的處理控制手杖中機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整老人身體平衡。

（5）生理信息測量方面：醫(yī)用傳感器體積小，靈敏度高，可以全面檢測心血管的疾病。

（6）存儲單元：用來存儲老人的基本信息和數(shù)據(jù)處理過程中需要的程序等。

（7）機(jī)械單元：通過處理器可控制手杖伸縮，調(diào)節(jié)老人的支撐面。