助扶式智能助老拐杖設計

周 杰 朱思潮 張衛忠 徐必剛 張 輝 孫文芳 吳 苗 汪 強 余恒峰

（安徽新華學院，安徽 合肥230088）

目前市面上也已經擁有了一些智能助老拐杖產品,很好的改進了傳統機械拐杖的一些弊端, 但是總體的智能化程度遠遠不夠,也顯得不夠人性化,這已經無法很好的適應現階段老年人群體的實際需求。因此本文研究的助扶式智能助老拐杖是具有較大的市場空間的,能夠為眾多老年人群體帶來福音。

1 整體的結構設計

作為拐杖的一種,本文研究的助扶式智能助老拐杖最基本的功能就是需要幫助使用者站立,因此就必須要做好結構設計。本文設計的助扶式智能助老拐杖基本結構圖如圖1 所示,在整個拐杖的頂部,設計了一個塑料握把,幫助老年人能夠使用手指進行抓扶。該握把采用了條紋設計, 避免老年人在使用的過程中出現滑動的情況。所使用的塑料材料整體感覺比較溫和,即使在寒冷的冬天也不會覺得比較冰冷。在該握把處,還加裝了照明燈,這是由于許多老人夜間出行面臨著黑暗的環境,稍有不慎就有可能被絆倒。在增加了照明燈之后,能夠幫助老人進行照明,提高了安全性能。整個系統設計過程中,對采集到的光強度信號進行實時處理,一旦發現光的強度比較低,就立即自動打開照明燈,如果發現光的強度比較高,就自動關閉照明燈,能夠達到省電的目的。該拐杖設計方案中可以看出有一個四角底座,從物理結構上可以看出其穩定性,即使老人完全倚靠在該拐杖上,仍然能夠保持較高的平衡性,不至于傾斜。圖2 為齒輪組結構圖,通過離合器以及減速齒輪組之間的配合,提供一定的推力。在電機設計方面,選用的是直流電機,就是因為該拐杖只能通過內置的電池提供電電池,只能夠輸出直流電。因此選用直流電機是比較合理的,不再需要經過逆變環節,減少了控制系統的復雜性。該直流電機的額定工作電壓為24V。推桿機構采用旋轉螺紋設計,螺桿和內桿的長度都是250mm。

2 助扶式智能助老拐杖系統設計

圖1 助扶式智能助老拐杖結構設計圖

圖2 齒輪組結構圖

2.1 重要器件的選用。該系統為了能夠實現對老人運動狀態的監測,就需要使用加速度傳感器來得到老人前進的位移速度。最終選擇了MPU-6050, 該傳感器具有的優勢是具有較高的精度,無論是在行進速度比較高的場合還是速度比較慢的情況下,都能夠得到比較精確的采樣數值。該模塊使用了三個十六位模數轉換環節?？梢愿鶕嶋H運行情況的需求來確定相應的測量范圍。許多家庭為了加強對老年人的保護,會更加迫切的想要知道老年人所處的地理位置。如果每一位老年人都自帶一個GPS模塊出門,將會帶來許多不方便,并且老人也很容易遺忘。因此,可以將GPS模塊內置在本文設計的智能助老拐杖內部, 該模塊的能耗比較小,因此不用擔心會消耗過多的電能而影響到整個系統的續航時間。一旦老人出現了問題,家人就很容易通過該模塊來快速鎖定老人的位置,從而給予一定的幫助。此外,還需要加裝壓力傳感器,通過該壓力模塊來采集整個拐杖的承重力情況。要采取一定的抗干擾設計,嚴格確保所采集到的壓力信號的精準度。并且在一些比較惡劣的使用環境中,很容易面臨一些其他因素的干擾,而導致獲取到的壓力值不正確。這也是需要進行優化設計的,本文通過基于STM32 單片機來對壓力采集模塊進行控制,修正所采集到的壓力信息。GPRS模塊是現代移動互聯網絡的重要組成部分,其主要優勢是具有較低的價格,并且以較高的速率來實現數據收發。該模塊的穩定性比較強,能夠實現遠距離數據交換。因此將本文設計的助扶式智能助老拐杖運行過程中的各種數據信息進行發送都需要通過GPRS 模塊來完成,以便反饋使用者的狀態。推桿依靠電機的正反轉來完成推拉動作,這樣就能夠改變推桿的伸縮方向。

2.2 系統運行邏輯。在系統上電開始運行時,首先經過STM32單片機的自檢和初始化環節。在自檢過程中,首先對各個功能模塊的情況進行初始化,采集初始化信號。如果發現存在故障,就可以立即發出警報。經過了該環節之后,在該單片機的控制下,各功能模塊不斷的對信號進行采集并處理,執行相應的命令。將一些重要的數據信號通過GPRS模塊來實現收發,保持拐杖和移動終端之間的流暢信息交互。根據一些功能拓展需求,也可以在該單片機模塊上加設攝像頭、顯示屏等功能,攝像頭能夠采集老人周圍的環境信息,并且通過顯示屏模塊能夠顯示一些基本的信息,比如天氣狀況,拐杖的實際定位等。

3 智能拐杖的設計理念

3.1 功能需求。智能拐杖的設計理念主要包括了以下的步驟：智能拐杖中的控制器可以結合加速度傳感器的結果導向,自動判斷智能拐杖是否處于平穩運行狀態,從而能夠依照加速度的判斷值來直接判定智能拐杖是否已經摔落。智能拐杖一旦感知到出現摔倒的信號,能夠通過拐杖內部的通訊模塊向遠程信息終端發送智能拐杖已經摔倒的信息,并同時將智能拐杖的地理信息一并發送,使得這些信息能夠在手機終端上進行查看。如果智能拐杖沒有檢測到加速度,將不會發出使用者已經摔倒的信息。由于智能拐杖上的控制器能夠在拐杖摔倒以后能夠自動驅動壓力檢測傳感器對智能拐杖所感受到的壓力是否超過了智能拐杖所能夠承受的壓力極限。智能拐杖還需要結合有關數據判斷是否觸發扶起的控制信號。智能拐杖還需要實現能夠使得電動推桿伸長的功能,確保能夠實現將摔倒的人進行扶起。

3.2 智能拐杖所能夠實現的相關功能。結合智能拐杖的設計,智能拐杖在正常工作的過程中,往往可以實現對智能拐杖使用者的實時定位,監護人可以通過所綁定的手機終端來自動獲取智能拐杖的位置,從而能夠對拐杖使用人的日常生活進行實時監控,確保能夠對拐杖所有人的位置進行定位,一旦出現智能拐杖發送異常信息的時候,拐杖能在第一時間將所處的地理信息進行及時的發送,確保實現所設定的監護人能夠及時的掌握拐杖使用人所在的地理信息。

4 結論

本文設計了一種新型助扶式智能助老拐杖,具有十分顯著的優勢。該設計方案能夠實時跟蹤監測老年人使用者的真實狀況,實現對照明燈等的實時控制。并且通過GPRS 模塊來對重要的信息進行通信,提高了安全性。并且該設計方案的整體結構設計比較科學,考慮到了老年人群體的真實使用狀況,是一種可行性比較高的助老拐杖設計方案。