一种基于北斗系统的智能手杖设计
2021-01-25张晨亮潘俊兵
张晨亮，潘俊兵
（陕西国防工业职业技术学院 智能制造学院，陕西 西安 710300)
目前，我国人口呈老龄化发展趋势[1-3]，随着老龄化率的逐年升高，老年人走失、迷路事件发生率攀升，严重影响了老年人的正常出行[4]，亟需设计一种防老人迷路、走失的设备，以辅助老年人正常出行。由于老年人常使用拐杖辅助出行，因此在不增加老人负担的同时，合计一种智能拐杖，对防止老人迷路、走失具有重要意义。
现有拐杖主要有传统的一体式拐杖、拐杖倚和智能拐杖。一体式拐杖结构稳定，可靠性强，其缺点是无法调节拐杖长度以适应不同使用者；拐杖倚主要由拐杖和座椅两部分组成，对使用者的适应性强，便于老人闲坐歇息。然而，座椅的加入，增加了拐杖的质量，降低了整体的轻便性。现有智能拐杖主要是在拐杖体上附加了GPS和GSM装置[5-6]，可实现老人实时定位，降低了走失、迷路的风险，成本较高是制约其推广的重要因素；另外，现有拐杖倚和智能拐杖均通过销钉伸缩的方式调节自身长度，该方式可靠性较差。因此，亟需设计一种结构稳定、可靠性强、具有定位功能的智能拐杖。基于前人研究基础，本文设计了一种基于北斗导航的螺纹调节式智能手杖，该手杖具有结构轻便、可靠，智能化程度高的特点，以期为我国助老机械的发展做出贡献。
1 整体结构及工作原理
1.1 整体结构
该智能手杖主要由上拐体装置、下拐体装置和定位销钉等构成，如图1所示。该手杖采用碳纤维材料，重0.62 kg，可在750mm～1050mm之间调整长度[7-8]，以适应不同身高老年使用者的需求。
图1 螺纹调节式智能助老拐杖
1.2 工作原理
使用前，通过螺纹调节手杖长度，以适应使用者的身高及拐杖助力时的舒适程度，然后通过销钉锁定螺纹。在黑暗环境下使用该智能拐杖时，可打开手柄前端的照明灯，同时手柄后方的反光装置可反射来自后方的灯光，从而引起后方车辆驾驶人员或其他作业人员对手杖使用者的注意，提高老年使用者在黑暗环境下的安全保障。通过陀螺仪及北斗定位模块可实时确定拐杖状态及位置。在工作状态下，当陀螺仪检测到拐杖出现70°以上角度变化，且超过25s没有复位时，判断为老人摔倒（大部分老人跌倒后，可在18s以内再次站起来），通过GSM模块将报警信息发送至亲友手机。在之后的时间，如果陀螺仪复位，并且按照正常的行走方式摆动角度，则判断为老人已恢复安全，重新向亲友监测手机发送信息，以报平安。该手杖通过各模块的综合作用，为老年使用者提供安全保障。
2 关键部件设计
2.1 上拐体装置设计
上拐体装置主要由手柄及上拐体构成。按照人体工程学，手柄形状设计为手握舒适的波浪形，如图2所示。监测拐杖状态的智能系统位于手柄内部，该智能系统主要包括照明灯、GSM通信模块、陀螺仪、北斗定位模块、直流电源模块和反光模块等。其中，LED照明灯及反光模块可辅助老人在黑暗环境中行走；陀螺仪可判断拐杖状态，从而确定老年使用者的行走动态，北斗导航模块可实时确定使用者的位置；GSM通信模块可实现定点传输老人行走状态及实时位置至亲友手机的功能，从而确保使用者的安全。
图2 上拐体装置
2.1 下拐体装置设计
下拐体装置起支撑作用，主要由下拐体、定位球和支座组成，如图3所示。定位于下拐体之间固定，与支座球副连接。工作时，可保证支座始终与地面全部接触，增强拐杖稳定性。
图3 下拐体装置
该手杖上、下拐体装置之间通过螺纹连接，并以此实现拐杖长度调整。与传统一体式拐杖相比，该手杖长度可调，适应性强。与现有智能拐杖相比，螺纹调节拐杖长度的方式稳定性更高，寿命更长。
2.3 智能安全系统设计
该手杖智能安全系统主要由北斗定位模块、控制单元、GSM模块及其他辅助单元组成，如图4所示。其中导航模块主要依靠北斗卫星导航系统（简称北斗导航）进行定位。北斗导航主要由空面段、地面段和用户段3部分组成，可在全球范围内为用户提供精度高、可靠性好的定位、导航等服务内容，并可实现短报文通信，定位精度可达10m[9]，满足智能助老拐杖的使用要求。
图4 智能助老拐杖安全系统框架
该手杖所采用的北斗导航模块为UM220-III L双模定位模块。该模块能够同时支持北斗导航卫星接收机芯片和陀螺仪等；通过自适应组合导航算法，精确定位老人所处位置。在卫星信号较差的区域，可通过纯惯性导航技术在较长时间内继续提供高精度定位和测姿等。通信GSM模块选用SIMCOM公司的SIM900。
3 结语
本文依据我国老龄化加剧所引发的老人走失及当前智能手杖发展中存在的问题，设计了一种由照明灯、反光模块和定位装置等构成的螺纹调节式智能助老手杖。该手杖具有调节方便、结构稳定、寿命长的特点。使用前，通过螺纹调节手杖长度至使用者舒适的位置，之后使用定位销钉锁定螺纹。该调节方式与现有依靠销钉伸缩调整手杖长度的方式相比[10-12]，具有稳定性更高的特点，可延长手杖寿命。同时设计了基于北斗导航的智能定位及通信系统，便于亲友及时掌握老年人的位置及状态，为老年人安全出行提供了保障。该研究有望为我国助老机械的发展做出积极贡献。
