老年人智能拐杖的设计及应用

王瑞，高显斌，朱心旺，董益豪，张昊岩

（延安大学化学与化工学院，陕西延安 716000）

在物联网和互联网的时代，越来越多的智能产品和服务逐渐出现在人们的视野中。目前，对于老年人福祉科技的应用研究也日益增多。养老科技、智能养老等概念不断涌现。随着人均收入水平的提高，老年人对生活质量的期望越来越高，对老龄用品也提出了更高的要求。在选择用品时，除考虑经济性外，更注重产品的外观设计、质量和具体功能等的实现[1]。在各种需求中，对于老人来说，便于安全健康的出行用品显得尤为重要[2]。市面上许多智能拐杖操作复杂，违背了助老原则，因此，根据老年人使用诉求，结合消费需求和结构的分析，智能拐杖应运而生。

1 智能拐杖方案设计

1.1 智能拐杖设计要求

根据市场调研，要设计一款满足老年人日常生活需求，并能提供有效帮助的智能拐杖，需要符合以下要求：1）拐杖的目的是帮助老人行走，所以其防滑系数必须很高，减少老人因行走过程中滑倒而受伤的风险；2）设计跌倒报警功能，当老人跌倒时，拐杖会发出报警声音，向四周的行人寻求帮助，让“不敢扶、扶不扶”等灵魂拷问消失无踪；3）老人身体机能下降，要时刻防止突发疾病的状况[3]。因此，要给拐杖安装心率血压监测模块，当老年人的心率血压超出正常范围时，系统会发出警报，行人听到警报之后上前查看状况，并根据铭牌上的信息给监护人打电话。

1.2 智能拐杖主要功能

因设计重在使用简单，功能便于实现，所以智能拐杖主要由心率血压检测、跌倒报警功能、紧急情况手动报警功能、夜间防障碍功能四部分组成。

2 智能拐杖设计

智能拐杖由手柄、主杆、底座等部分组成，其结构如图1 所示。

图1 拐杖总体结构图

2.1 手柄

2.1.1 手柄主要功能设计

手柄部分采用回字形设计，这比普通设计有更大的空间用于放置元器件。一般的拐杖扶手是直板式，可放置的元器件不多，且几乎所有的功能按钮都密布在扶手上，而老年人的手指灵活性较差，平时使用过程中就容易按错按钮，更不用说当他们在需要帮助的时候（迷路、血压异常等），心情焦虑更易出错。而回字形设计，空间更大，可以扩大按钮之间的距离，不同功能的按钮放置在不同的位置，这样老年人只要记住每一个位置的按钮对应的功能即可，不需要在一排按钮中仔细分辨各自的用途，这样更高效快捷。另外，回字形空管手柄不仅可以放置元器件，还可放置电池，一部分电池放置于枝干部分，一部分电池放置于扶手部分，大大增加了电池容量，增强了智能拐杖的续航能力。

手柄采用6061 铝合金制作，具有质量轻、强度大、抗弯抗压能力强等特点。另外，表面覆盖橡胶漆，耐热耐寒，能够给老人舒适的握持感[4]。

2.1.2 身份铭牌

当老人出现意外时，为了便于找到监护人，可在拐杖手柄的背面设计一个铭牌，把老人的相关信息和监护人电话写在铭牌上，然后将其插入铭牌所在位置，铭牌外表有塑料保护装置，可防止因雨水或其他原因损坏信息。

2.2 主杆

主杆部分采用市面上常用的套筒设计，为了调节高度，以适应不同身高的老人，主杆长度在64～105 cm 范围内可调。此外，在主杆上安装平衡检测装置，根据拐杖失衡情况判断老人是否跌倒。主杆也采用6061 铝合金制作。

2.3 底座

底座部分采用四爪吸盘式设计，以增大与地面的接触面积，提高其稳定性。这样设计主要考虑老人行走在较滑路面的时候，需具备更强的抓地力，不易滑倒。另外，在底座的四爪上安装有超声波距离传感器，尤其是夜间，当传感器检测到障碍物时，就会发出报警声提醒老人绕道而行，其结构如图2 所示，四个脚垫采用优质硅胶材料，配合四爪设计，耐磨耐用，可安全使用。

图2 底座结构

2.4 控制系统设计

智能拐杖的控制系统共分为信息采集部分、信息处理部分、信息输出部分[5]，系统方框图如图3所示。

图3 系统控制方框图

1）心率血压检查

市面上专注于实时检测老人身体状况的产品大多是功能单一的健康手环，而该次设计的拐杖，在与老人接触时可获得老人身体状况的信息，当老人的心率或血压超过预定的安全值时会发出警报，提醒老人及路人，以便引起注意，使老人获得帮助。此外，通过拐杖的检测，会定期地总结分析老人身体状况，及时作出预防与保护，防患于未然。

2）跌倒报警功能

老年人的身体机能下降严重，许多时候一旦摔倒想要爬起来十分困难，如果此时身边没人就很棘手[6]，因此产品设计了防摔倒报警功能。如图4 所示，在这款智能拐杖上，安装了加速度传感器和压力传感器，当压力传感器检测到的压力小于预先设置的拐杖净重时，拐杖无人使用，这个时候即使拐杖倒了，也不会报警，可防误报[7]。当检测到压力大于拐杖净重时，跌倒报警装置才启动，若老人摔倒，加速度传感器检测到拐杖的加速度急剧变化，跌倒报警装置就会发出报警声，行人听到声音后，会前来查看老人的状况，以提供帮助[8]。与此同时，老人子女手机上的APP 会接收到父母摔倒的报警信号，警报声持续一分钟，如果在5 min 之后老人没有被扶起，平衡检测装置继续工作，重复之前的操作，直到老人被扶起，或者在这期间监护人也可采取有效措施予以帮助。

图4 跌倒报警方块图

3）紧急情况手动报警功能

老人在生活中难免会出现很多意外情况，比如突发疾病、迷路等[9]，此时可按下报警按钮，报警声会变成提前录制好的向路人寻求帮助的录音，路人根据实际情况予以帮助，同时APP 上会给子女发送父母陷入困难的信息，子女收到信息后可及时给父母打电话确定情况。若是突发疾病、药物吃完或遗失，行人可打120 叫救护车，而不会出现路人因为害怕被碰瓷而袖手旁观的情况[10]。操作流程如图5 所示。

图5 手动报警方块图

4）夜间防障碍功能

夜间防障碍功能是产品的创新之处，晚上老人外出散步时，如果前方有障碍物（如小石头），由于光线差，老人不能及时发现，就容易被绊倒，所以产品增加了此功能。其主要通过HC-SR04 超声波距离传感器配合单片机实现，传感器可以探测前方2 m 以内的地面障碍物，并及时以语音、警报的方式提醒[11]。探测障碍物距离可以分为两段：1 m 以内出现障碍物会急促警报“危险”，1～2 m 会发出“滴滴”的警报[12]。该功能通过超声波发射器与接收器来实现，当拐杖处于使用状态时，超声波发射器向拐杖的正前方发射超声波，同时系统单元开始计时[13]，设超声波的速度为v，当超声波撞到障碍物时，超声波返回，接收器接收到信号，超声波从发射到接收的时间为Δt，人与障碍物之间的距离为l=v·Δt/2。当系统检测1 m＜l＜2 m时，开始发出“滴滴”的警报，当0 m＜l＜1 m 时，发出“前方有障碍物”的语音报警，工作流程如图6 所示。

图6 障碍物检测报警方框图

2.5 拐杖的电路设计

智能拐杖以ARDUINO UNO R3 单片机为核心，控制超声波的发射与接收，同时将接收的信号转换为电信号，计算出距离后,输出信号传递给蜂鸣器，由蜂鸣器发出报警声[14]。其次由ARDUINO UNO R3单片机控制加速度传感器和心率血压检测仪，接收相应的信号，通过信息处理系统计算后输出电信号给输出端，最后由输出端显示相关信息[15]，电路如图7-9 所示。

图7 距离检测电路图

3 智能拐杖的受力模拟分析

根据文献[16]可知，成年人施加于拐杖的最大压力为686 N，而老年人施加的压力通常为成年人的1/4，因此，对拐杖进行Ansys 受力模拟实验时，采用极限模拟法。拐杖的设计尺寸：外径为23 mm，内径为21 mm，输入最大压力为686 N，检测拐杖在设计、选材方面是否合格。

图8 倾倒检测电路设计

图9 心率检测电路设计

图10 为拐杖受力变形图，在扶手处施压，以底脚为约束，扶手颜色变成黑色，说明受力部分集中于扶手处，底脚部分基本没有产生变形，而枝干部分虽有微弯变形，但不影响正常使用，可满足强度和稳定性要求。由此可知，老年人使用拐杖时，完全能够正常工作，拐杖的设计和选材是合理的。

图10 受力分析图

4 结束语

随着互联网的发展，通信技术越来越发达，老年人的娱乐方式也越来越紧跟潮流，绝大多数子女都会为父母配备一台智能机并教会他们基本的娱乐功能，因此在智能拐杖上设计MP3、收音机已经没有很大的市场吸引力。而这款智能拐杖能够充分满足智能和助老的双重要求，功能操作简单高效，对于老年人来说使用起来方便快捷，可及时高效地获得帮助。对市场现状的分析表明，与旺盛的市场需求和老年人的消费愿望相比，中国相关企业的行动相对比较滞后，因此，智能手杖推向市场应会供不应求，这为产品的扩大化生产并实现规模经济提供了可能。