多功能导向拐杖的设计*

刘　飞　娄梦莹　李　颖　杨坦坦　席付成　宋　莉*

多功能导向拐杖的设计*

刘飞①娄梦莹①李颖①杨坦坦①席付成①宋莉①*

目的：针对目前老年人和腿部疾病患者使用的拐杖功能单一、不利于各种功能需求的现象，设计一款多功能导向拐杖。方法：基于全球定位系统（GPS）、语音导向系统、休息凳功能、照明功能以及娱乐功能进行设计，结合人-机原理完成电路设计以及局部三维仿真构建。结果：导向拐杖携带方便、操作简单，在达到设计功能基础上，还具有防滑稳定、可自由伸缩功能。结论：在老年人和腿部疾病患者的日常生活以及外出活动中，多功能导向拐杖可以进行定位和提供语音导向、劳累时坐凳休息、黑暗中照明以及闲暇时娱乐，能够及时解决老年人和腿部疾病患者迷路、行走疲惫及乏闷等问题，有较强的实用价值。

GPS定位；语音导向；多功能；导向拐杖

［First-author’s address］ College of Radiology， Taishan Medical University， Taian 271016， China.

目前，中国已进入老龄化社会，且老龄化态势发展迅速。2010年，60岁以上老年人口已达到1.78亿，占全国人口的13.3%［1］。老年时期是人类的一个特殊时间段，老化会导致老年人生理功能上出现许多障碍，如视听力衰退、行走不便、疲劳不易恢复、对疾病抵抗力差以及各种慢性疾病的存在等［2］。而在行为方面，老年人的平衡能力下降，与腿部疾病患者相同，很难保持站立时躯体的自然平稳状态，易摔倒。为此，本研究设计与改造一款携带方便、人-机设计合理、适宜于老年人和腿部疾病患者的多功能导向拐杖。

1　多功能导向拐杖系统功能

目前，医院和市场上的拐杖多数功能比较单一，只能做简单的辅助作用，无法最大化满足老年人和腿部疾病患者的需求。本研究通过全球定位系统（global positioning system，GPS）、语音导向系统、休息凳功能、照明功能以及娱乐功能的设计，结合人-机原理与电路设计基础，进行电路设计以及局部三维仿真描述，设计出一款多功能智能化拐杖。多功能导向拐杖集成电路系统中有GPS定位功能、语音导向功能、娱乐功能、照明功能、休息功能、防滑和稳定功能以及可伸缩功能。

（1）GPS定位。方便家人时刻知道老年人和腿部疾病患者在外的具体位置，能够随时找到。在一定的范围内，将老年人和腿部疾病患者的活动区域地理数据传输到GPS芯片，当其外出时可随时定位其方位，并可将信息传到家人的手机或者其他设备，以防止老年人丢失。

（2）语音导向。为老年人和腿部疾病患者外出时提供方向与距离方面的提示，在设备设置的范围内，通过语音系统以及GPS导航地图进行实时距离与方向指导，防止老年人迷路。

（3）休闲娱乐。当老年人在外娱乐活动时，可将喜爱的歌曲，戏剧下载存储在U盘式mp3上，方便携带，在外享受。此外，带有USB接口，可随时对拐杖内的电子设备进行充电，而且通过USB接口可接载外部存储设备，进行数据的传输。

（4）休息凳功能。当老年人和腿部疾病患者外出活动感到疲惫时，方便随时坐凳休息。休息凳通过连杆原理与拐杖相连，方便外出携带。根据三角力学，坐凳三点确定一个平面的支架以及凳面，提高休息凳的稳定性和坚固性，保证老年人和腿部疾病患者的安全。同时，高于凳子的拐杖，可作为小靠背倚靠。

（5）照明电路。解决了老年人和腿部疾病患者在黑暗环境中行动的问题，根据环境的昏暗程度，可选择不同的档位调换发光二极管（light emitting diode，LED）灯的亮度，既能感到舒适，也能看清环境。同时采用LED灯以及两档开关，既保护眼睛，又节能环保，其整体结构如图1所示。

图1　多功能导向拐杖整体结构图

2　多功能导向拐杖电路系统设计

2.1GPS定位导向系统

GPS是指能够向使用者提供精密的三维坐标、时间和速度等信息的卫星导航定位系统，而GPS卫星定位系统主要应用在地质勘测及车辆的导航定位方面［3-4］。GPS定位导向系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成，如图2所示［5-6］。

本研究所采用的GPS模块为GARMIN，GPS25LVS为12通道的GPS接收机，可同时跟踪多达12颗GPS卫星，从而能够快速的定位［7］。GPS25LVS可以将卫星轨道参数、上次定位位置、时间和日期等数据保存在静态存储器中，接收机内部有备用电池为存储器供电。GSM模块选用SIMCOM公司的SIM900［8］。定位装置的主要功能是准确地将箭载回收产品落地后的所在位置经度与纬度信息和GSM基站信息，通过GSM网络发送到接收手机端，最终精确定位箭载可回收产品，其信息通过手机短信的形式发送到指定手机上。

2.2语音导向系统

采用TI公司的通用定点DSP TMS320C5509A作为基带系统的处理器，采用Altera公司MAX7000系列中的EPM7128用于外围器件控制［9］。原始的模拟语音首先要经过模数变换，转化为数字信号后通过串口输入到DSP中进行语音编解码和压缩。外围控制模块复杂可编程逻辑器件（complex programable logic device，CPLD）用来扩展DSP的外部地址空间，实现地址译码和时序控制，并给DSP提供所需的逻辑和时序控制信号。外部数据通过外部存储器模块进行导入和存储。Boot-loader模块将外部存储设备的程序读入DSP内部的高速随机存储器（random access memory，RAM）程序区中，其语音系统原理如图3所示。

2.3照明系统

拐杖中的照明采用发光二极管（light emitting diode，LED）照明，通过线性控制电路，电路相对较简单，直接控制LED的电流，易于实现对电流的较高精度的控制［10］。系统中安装有5个LED，按矩阵式并联排列［11］。控制电路分为两档，一档是仅有2个LED导通，适用于环境昏暗程度较轻且不需要较强光线的地方；一档则是5个LED电路全部导通，适用于昏暗的傍晚或夜晚路灯昏暗的路段［12］。照明电路设计如图4所示。

图3　多功能导向拐杖语音系统原理图

图4　多功能导向拐杖照明电路图

3　多功能导向拐杖机械结构设计

3.1手柄设计

根据人体运动学原理，拐杖的手柄设计要符合老年人的手掌曲线，握起来舒适［13］。手柄表面材质选择结实、手柄表面柔软且不易变形的软塑橡胶，而且不能因季节变化有较大的温差［14-15］。同时，在手柄处设计部分快捷按键，方便老人操作。手柄可以灵活转动，调节恰当角度，手柄前端设有LED照明灯，方便照明，手柄设计如图5所示。

图5　多功能导向拐杖手柄结构设计图

3.2休息凳设计

利用三角稳定性以及连杆原理在拐杖上设计了一种可支撑和折叠的休息凳［16-17］。拐杖支架和椅面支撑利用三角力学原理，可变换为凳面。当手杖使用时，根据连杆原理，拐杆中下部无椅腿和其他部件，可以灵活折叠成手杖支架；当休息凳使用时，三腿支地，稳固安全［18］。拐杖设计为可伸缩式，老年人和腿部疾病患者可调节拐杖的长度，达到最舒适的高度。拐杖下端选用吸盘式防滑橡胶垫，受力时其内形成负压达10 kPa，吸着地面可防滑［15］。同时，休息凳的2条支架下方也设有增大摩擦的防滑橡胶垫，当作为休息凳时，可调高其稳定性。

4　结论

本研究设计的多功能导向拐杖克服了市场上常用拐杖功能单一的缺点，定位功能方便了家人了解老年人和腿部疾病患者的活动位置；语音导向功能解决老年人迷路问题；折叠休息凳功能既方便携带，又可以成为老年人和腿部疾病患者暂时的休息工具；照明功能方便晚上的外出。

多功能导向拐杖集GPS导向功能、娱乐功能、休息凳功能和照明功能于一体，可随时随地为老年人和腿部疾病患者提供休息以及娱乐等精神上的享受，并可及时的向其家人传递使用者的地理位置，因此非常适宜于老年人和腿部疾病患者使用的外出工具，具有广阔的应用前景。

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The design of multifunctional guiding walking stick

LIU Fei， LOU Meng-ying， LI Ying， et al

China Medical Equipment，2016，13（9）:28-30.

Objective: To design a multi-function guide cane in the elderly and patients with leg disease for the various needs. Methods: Develope a multi-functional intelligent crutch through the global positioning system （GPS）， voice guidance system， and rest， lighting and entertainment functions， combined with man-machine principle and circuit design and described by the local 3D simulation. Results: Multi-function guide crutch is fully functional，easy to carry， simple to operate， and has a non-slip stability， freely adjustable function， and the strong practical value. Conclusion: In the daily life of the elderly and patients with leg disease， multifunctional crutch can locate and provide voice guidance. It has the functions of rest when tired， light in the darkness， and entertainment in spare time and can timely solve the problems of getting lost， walking tired and boring.

Global positioning system； Voice guidance； Multi-function； Guide cane

1672-8270（2016）09-0028-03

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.09.009

2016-05-25

地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目（201510439150）“多功能导向拐杖”

①泰山医学院放射学院 山东 泰安 271016

songlikjd@163.com

刘飞，女，（1994- ），本科在读。泰山医学院放射学院，研究方向：生物医学工程。