一種基于北斗系統(tǒng)的智能手杖設(shè)計(jì)

張晨亮，潘俊兵

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，陜西 西安 710300)

目前，我國人口呈老齡化發(fā)展趨勢[1-3]，隨著老齡化率的逐年升高，老年人走失、迷路事件發(fā)生率攀升，嚴(yán)重影響了老年人的正常出行[4]，亟需設(shè)計(jì)一種防老人迷路、走失的設(shè)備，以輔助老年人正常出行。由于老年人常使用拐杖輔助出行，因此在不增加老人負(fù)擔(dān)的同時(shí)，合計(jì)一種智能拐杖，對防止老人迷路、走失具有重要意義。

現(xiàn)有拐杖主要有傳統(tǒng)的一體式拐杖、拐杖倚和智能拐杖。一體式拐杖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)，其缺點(diǎn)是無法調(diào)節(jié)拐杖長度以適應(yīng)不同使用者；拐杖倚主要由拐杖和座椅兩部分組成，對使用者的適應(yīng)性強(qiáng)，便于老人閑坐歇息。然而，座椅的加入，增加了拐杖的質(zhì)量，降低了整體的輕便性。現(xiàn)有智能拐杖主要是在拐杖體上附加了GPS和GSM裝置[5-6]，可實(shí)現(xiàn)老人實(shí)時(shí)定位，降低了走失、迷路的風(fēng)險(xiǎn)，成本較高是制約其推廣的重要因素；另外，現(xiàn)有拐杖倚和智能拐杖均通過銷釘伸縮的方式調(diào)節(jié)自身長度，該方式可靠性較差。因此，亟需設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)、具有定位功能的智能拐杖。基于前人研究基礎(chǔ)，本文設(shè)計(jì)了一種基于北斗導(dǎo)航的螺紋調(diào)節(jié)式智能手杖，該手杖具有結(jié)構(gòu)輕便、可靠，智能化程度高的特點(diǎn)，以期為我國助老機(jī)械的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

該智能手杖主要由上拐體裝置、下拐體裝置和定位銷釘?shù)葮?gòu)成，如圖1所示。該手杖采用碳纖維材料，重0.62 kg，可在750mm～1050mm之間調(diào)整長度[7-8]，以適應(yīng)不同身高老年使用者的需求。

圖1 螺紋調(diào)節(jié)式智能助老拐杖

1.2 工作原理

使用前，通過螺紋調(diào)節(jié)手杖長度，以適應(yīng)使用者的身高及拐杖助力時(shí)的舒適程度，然后通過銷釘鎖定螺紋。在黑暗環(huán)境下使用該智能拐杖時(shí)，可打開手柄前端的照明燈，同時(shí)手柄后方的反光裝置可反射來自后方的燈光，從而引起后方車輛駕駛?cè)藛T或其他作業(yè)人員對手杖使用者的注意，提高老年使用者在黑暗環(huán)境下的安全保障。通過陀螺儀及北斗定位模塊可實(shí)時(shí)確定拐杖狀態(tài)及位置。在工作狀態(tài)下，當(dāng)陀螺儀檢測到拐杖出現(xiàn)70°以上角度變化，且超過25s沒有復(fù)位時(shí)，判斷為老人摔倒（大部分老人跌倒后，可在18s以內(nèi)再次站起來），通過GSM模塊將報(bào)警信息發(fā)送至親友手機(jī)。在之后的時(shí)間，如果陀螺儀復(fù)位，并且按照正常的行走方式擺動角度，則判斷為老人已恢復(fù)安全，重新向親友監(jiān)測手機(jī)發(fā)送信息，以報(bào)平安。該手杖通過各模塊的綜合作用，為老年使用者提供安全保障。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 上拐體裝置設(shè)計(jì)

上拐體裝置主要由手柄及上拐體構(gòu)成。按照人體工程學(xué)，手柄形狀設(shè)計(jì)為手握舒適的波浪形，如圖2所示。監(jiān)測拐杖狀態(tài)的智能系統(tǒng)位于手柄內(nèi)部，該智能系統(tǒng)主要包括照明燈、GSM通信模塊、陀螺儀、北斗定位模塊、直流電源模塊和反光模塊等。其中，LED照明燈及反光模塊可輔助老人在黑暗環(huán)境中行走；陀螺儀可判斷拐杖狀態(tài)，從而確定老年使用者的行走動態(tài)，北斗導(dǎo)航模塊可實(shí)時(shí)確定使用者的位置；GSM通信模塊可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)傳輸老人行走狀態(tài)及實(shí)時(shí)位置至親友手機(jī)的功能，從而確保使用者的安全。

圖2 上拐體裝置

2.1 下拐體裝置設(shè)計(jì)

下拐體裝置起支撐作用，主要由下拐體、定位球和支座組成，如圖3所示。定位于下拐體之間固定，與支座球副連接。工作時(shí)，可保證支座始終與地面全部接觸，增強(qiáng)拐杖穩(wěn)定性。

圖3 下拐體裝置

該手杖上、下拐體裝置之間通過螺紋連接，并以此實(shí)現(xiàn)拐杖長度調(diào)整。與傳統(tǒng)一體式拐杖相比，該手杖長度可調(diào)，適應(yīng)性強(qiáng)。與現(xiàn)有智能拐杖相比，螺紋調(diào)節(jié)拐杖長度的方式穩(wěn)定性更高，壽命更長。

2.3 智能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該手杖智能安全系統(tǒng)主要由北斗定位模塊、控制單元、GSM模塊及其他輔助單元組成，如圖4所示。其中導(dǎo)航模塊主要依靠北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（簡稱北斗導(dǎo)航）進(jìn)行定位。北斗導(dǎo)航主要由空面段、地面段和用戶段3部分組成，可在全球范圍內(nèi)為用戶提供精度高、可靠性好的定位、導(dǎo)航等服務(wù)內(nèi)容，并可實(shí)現(xiàn)短報(bào)文通信，定位精度可達(dá)10m[9]，滿足智能助老拐杖的使用要求。

圖4 智能助老拐杖安全系統(tǒng)框架

該手杖所采用的北斗導(dǎo)航模塊為UM220-III L雙模定位模塊。該模塊能夠同時(shí)支持北斗導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)芯片和陀螺儀等；通過自適應(yīng)組合導(dǎo)航算法，精確定位老人所處位置。在衛(wèi)星信號較差的區(qū)域，可通過純慣性導(dǎo)航技術(shù)在較長時(shí)間內(nèi)繼續(xù)提供高精度定位和測姿等。通信GSM模塊選用SIMCOM公司的SIM900。

3 結(jié)語

本文依據(jù)我國老齡化加劇所引發(fā)的老人走失及當(dāng)前智能手杖發(fā)展中存在的問題，設(shè)計(jì)了一種由照明燈、反光模塊和定位裝置等構(gòu)成的螺紋調(diào)節(jié)式智能助老手杖。該手杖具有調(diào)節(jié)方便、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、壽命長的特點(diǎn)。使用前，通過螺紋調(diào)節(jié)手杖長度至使用者舒適的位置，之后使用定位銷釘鎖定螺紋。該調(diào)節(jié)方式與現(xiàn)有依靠銷釘伸縮調(diào)整手杖長度的方式相比[10-12]，具有穩(wěn)定性更高的特點(diǎn)，可延長手杖壽命。同時(shí)設(shè)計(jì)了基于北斗導(dǎo)航的智能定位及通信系統(tǒng)，便于親友及時(shí)掌握老年人的位置及狀態(tài)，為老年人安全出行提供了保障。該研究有望為我國助老機(jī)械的發(fā)展做出積極貢獻(xiàn)。