新型老年人智能助行器研究

尚昱儒

（鄭州市為民高中，河南鄭州，450000）

0 引言

當前已有多樣化的老年人助行器應用于日常生活中，按照有無動力可分為無動力式助行器與有動力式助行器[3]，這些助行器在一定程度上滿足了現(xiàn)階段老年人日常的多樣化出行需求，但仍存在一定的不足。無動力式助行器沒有助力功能，具有結構簡單、成本低廉、樣式多樣、重量輕便等優(yōu)點，是最常見的助行器。此外為滿足出行需求，無動力式助行器也增加有自主鎖死固定、組件替換、坐下倚靠等功能，使用更為方便。但是無動力式助行器在功能多樣性、應用智能化、功能擴展性等方面存在不足，無法滿足現(xiàn)階段對于安全性等方面的需求。有動力式助行器安裝有動力模塊，可滿足無法行走或無法長時間行走的老人的出行輔助功能，具有功能多樣、可操縱性強的特點，但是其續(xù)航能力弱、成本造價高昂、智能化程度低等方面的不足，限制了其進一步擴展。

傳統(tǒng)助行器應用場景較為單一，且無法滿足老年人意外摔倒、疾病發(fā)作等突發(fā)情況時的急救需求，且無法服務于老年人對于健康管理方面的需求，亟需基于現(xiàn)階段的技術發(fā)展方向研發(fā)新式助行器，彌補傳統(tǒng)助行器的不足，同時滿足未來的功能需求。

本文開展新型老年人智能助行器設計，針對老年人的不同身體條件下的出行需求開展設計，更好地應用于多種場景，滿足老年人不同狀況下的助行需求[4]。此外新型助行器配備有呼救系統(tǒng)、身體檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)老年人意外情況時的應急處理，使得老年人的出行更加便利、安全，減輕社會與子女負擔，提升老年人的生活質量。

1 新型助行器方案設計

圖1 新型助行器方案框圖

新型助行器按照功能劃分包括機械結構、控制系統(tǒng)、身體監(jiān)測系統(tǒng)、運動監(jiān)測系統(tǒng)、緊急情況報警系統(tǒng)及功能擴展系統(tǒng)，各功能模塊詳情如下。

■1.1 機械機構

新型助行器的機械結構與目前的有動力助行器結構相似：擁有四腳支架，起到支撐、助行作用；支架下端安裝由電力驅動的輪軸，實現(xiàn)助力和自動行走；設計有緩沖墊覆蓋的弧形區(qū)域，方便老人站立及倚靠；配備折疊椅，以供老人休息或控制助行器；支架上配屬手柄及剎車握把，實現(xiàn)老人行走時的安全控制；助行器高度可調，關鍵模塊可替換，以適應不同應用場景需求。

此外，新型助行器為適應新的功能及組件，設計有針對性的結構，用于安裝各類傳感器、控制中樞系統(tǒng)、導航模塊、報警模塊和圖像收集設備。

■1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要完成助行器的自動/手動移動控制與全系統(tǒng)功能的控制[5]。助行器可由老人主動控制或助行器自主完成運動，以實現(xiàn)代步和助力功能。其中老人的主動控制由控制手柄完成，手柄可實現(xiàn)走停、方向、速度等參數(shù)控制；在上坡或路面不平時，助行器可自主完成助力，以方便老人在路況較差環(huán)境下自由移動。運動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構是安裝在輪軸上的電動機，電動機在控制系統(tǒng)的控制下轉動，實現(xiàn)移動與助力功能，具有安全環(huán)保、控制簡單、方案成熟、成本低廉、可實現(xiàn)智能化控制的優(yōu)點。

■1.3 身體監(jiān)測系統(tǒng)

新型助行器的身體監(jiān)測系統(tǒng)主要用于監(jiān)視老人使用助行器運動時的身體各項指標狀態(tài)，如心率、呼吸、血壓、溫度等，以便及時感知老人的各種身體狀態(tài)變化，且身體監(jiān)測搜集的數(shù)據(jù)可用于對老人的身體運動狀態(tài)進行管理。

心率監(jiān)測主要由安裝在手柄或胸帶的外帶式心率傳感器完成數(shù)據(jù)收集[6]，其作用是實時監(jiān)測老人的心跳狀況，用于健康評估，如評估心臟跳動是否處于正常狀態(tài)。評估原理是通過檢測脈搏跳動的頻率和正常頻率作比較進行分析評測。

呼吸監(jiān)測主要由穿戴式胸帶檢測胸腔和腹部振動完成收據(jù)收集，其作用是檢測老人的呼吸頻率[7]，通過與正常狀態(tài)比對，監(jiān)測老人的呼吸是否處于異常狀態(tài)。

血壓監(jiān)測的作用是檢測老年人血壓情況，當血壓處于異常狀態(tài)時及時警報。血壓檢測的難點在于實時或準實時地檢測血壓狀態(tài)[8]。檢測原理是依靠套在上臂袖的檢測設備，間歇性自動充氣加壓，傳感器不斷地拾取壓力波信號完成檢測。或者可以采用指套式動態(tài)血壓監(jiān)護儀，在指套上安裝一個壓力傳感器，實現(xiàn)實時血壓監(jiān)測。

溫度檢測的作用是檢測老年人身體溫度狀態(tài)，其數(shù)據(jù)可用于合理安排穿著，同時反應老人在運動時的身體狀態(tài)，為身體健康管理提供數(shù)據(jù)支撐。溫度檢測可基于穿戴式溫度傳感器或紅外傳感器，基于精度需求，優(yōu)先選擇穿戴式紅外傳感器，傳感器與呼吸檢測一體集成于胸帶。

身體監(jiān)測系統(tǒng)硬件以穿戴式形態(tài)安裝在老人的胸前與上臂，實現(xiàn)心率、呼吸、血壓、溫度的檢測，數(shù)據(jù)以無線的形式傳輸?shù)街衅骺刂葡到y(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，這樣身體檢測設備操作更簡單、攜帶更方便。

■1.4 運動監(jiān)測系統(tǒng)

運動監(jiān)測系統(tǒng)主要完成老人出行時的身體運動狀態(tài)監(jiān)測。監(jiān)測的指標包括運動軌跡、運動頻率、實時圖像等，其數(shù)據(jù)可用于實現(xiàn)老人的健康管理。

運動監(jiān)測系統(tǒng)硬件包括北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)、圖像記錄儀等，同時內(nèi)置陀螺儀和加速度計。北斗導航系統(tǒng)主要用于記錄運動軌跡，并實時反饋老人位置，以應對可能出現(xiàn)的迷路狀況；陀螺儀與加速度計主要用于檢測老人的運動狀態(tài)，包括運動步幅、運動頻率、肢體動作等；圖像記錄儀主要用于監(jiān)視老人出行時的狀態(tài)與環(huán)境，同時可作為輔助設備檢測老人面部表情，以便遠程全面了解老人的身體狀況。

■1.5 緊急情況報警系統(tǒng)

緊急情況報警系統(tǒng)由通信系統(tǒng)與緊急情況檢測系統(tǒng)組成，其中通信系統(tǒng)是助行器與外界聯(lián)系的媒介，基于5G構建，具有實時、快速、低廉的特點，可根據(jù)需求將信息傳輸給家人、警察或其他在線設備；緊急情況檢測系統(tǒng)主要完成緊急情況的辨識，包括老人獨自出行時突發(fā)疾病、歹徒行兇、交通事故、意外摔倒等，意外情況的檢測主要由攝像頭、紅外傳感器完成，且身體檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可輔以判斷。

■1.6 功能擴展系統(tǒng)

科技發(fā)展迅猛，助行器的功能也需要不斷更新或增刪功能，因而新型助行器具有功能擴展系統(tǒng)，依靠通用接口，如USB等，實現(xiàn)電子部件即插即用，依靠模塊化可替換組件實現(xiàn)關鍵部件的物理替換。

基于潛在的應用需求，為滿足行走困難或完全無法行走的老年人的出行需求，區(qū)別于傳統(tǒng)輪椅，借鑒現(xiàn)代損傷恢復技術，設計輔助行走、代步行走等功能，兩個功能的硬件系統(tǒng)有外骨骼動力系統(tǒng)、腦電波接口傳輸控制系統(tǒng)。

2 新型助行器應用場景

新型助行器功能多樣、使用靈活，可實現(xiàn)傳統(tǒng)的基本功能，并具備身體狀態(tài)管理、緊急情況處理及未來潛在功能等，展望其應用場景如下。

■2.1 傳統(tǒng)基本功能

新型助行器可實現(xiàn)傳統(tǒng)助行器的基本功能，通過高度調節(jié)、模塊替換等功能，協(xié)助各種高度、身體狀態(tài)的老人在無外人幫助下的自主行走、倚靠休息等；配備滑輪和鎖死裝置，以滿足老人在傾斜路面或上坡、路面不平時的出行需求；設計有電動助力系統(tǒng)，實現(xiàn)體弱老人的自主控制移動或自動移動。

■2.2 身體狀態(tài)管理

隨著人們對身體健康的關注，及穿戴式設備的成熟，身體健康管理逐漸從醫(yī)學中擴展到人們的日常生活，而老年人也同樣具有此需求。身體健康管理通過運動情況統(tǒng)計、運動身體狀態(tài)統(tǒng)計，實現(xiàn)運動方案生成與身體狀態(tài)評估，以便于老人合理進行運動規(guī)劃，促進身體健康。新型助行器具有身體監(jiān)測系統(tǒng)、運動監(jiān)測系統(tǒng)等，其中身體監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)身體狀態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，運動監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)運動情況統(tǒng)計，具體實現(xiàn)如下：

運動狀態(tài)統(tǒng)計。目的在于實時監(jiān)測老人所處位置、行進速度、運動頻率、動作幅度和運動地形等信息?；诒倍沸l(wèi)星導航定位系統(tǒng)裝載芯片完成實時定位及導航功能，基于加速度計和陀螺儀完成老人運動速度及運動狀態(tài)的檢測。硬件檢測的數(shù)據(jù)存儲于助行器主板的存儲器或在線傳輸至云端，經(jīng)數(shù)據(jù)分析可得老人的運動狀態(tài)。

身體狀態(tài)統(tǒng)計。目的在于實時監(jiān)測老人在出行時的各方面身體狀態(tài)，在出現(xiàn)異常時及時進行報警、呼救等應急處理?；跍蕦崟r自動充壓血壓檢測設備完成血壓健康情況檢測，基于胸戴試呼吸監(jiān)測儀器設備完成持續(xù)性呼吸監(jiān)測功能，基于胸戴式心率監(jiān)測及握柄傳感監(jiān)測設備完成老人心率安全監(jiān)測及評估功能，基于手柄傳感及胸戴式溫度檢測計設備完成老人體溫的持續(xù)性測量和評估。此外，基于攝像頭檢測老人面部狀態(tài)，如眨眼頻率、面部表情等，基于人工智能與事先存儲的正常狀態(tài)比對，檢測老人的身體狀態(tài)；基于腦電波監(jiān)測設備，實時監(jiān)測老人腦部狀態(tài)及注意力集中程度，以輔助判斷老人的身體狀態(tài)。身體狀態(tài)統(tǒng)計數(shù)據(jù)儲存方案與運動狀態(tài)統(tǒng)計原理相同。

綜合分析一段時間后老人的運動狀態(tài)與身體狀態(tài)數(shù)據(jù)，可對老人的身體運動承受能力進行評估，進行定制化運動規(guī)劃，并基于語音指導等方式進行運動推薦，以便老人進行身體恢復、身體狀態(tài)保持，滿足老人獨特的需求。

■2.3 緊急情況處理

梳理老人獨自出行的緊急情況，主要包括身體突發(fā)疾病、遭遇搶劫、交通意外事故、突然摔倒等?；谛滦椭衅鞯墓δ苣K，各種緊急情況處理方案如下：

在突發(fā)疾病情況下，具備緊急呼救能力，通過通信系統(tǒng)將身體狀況通報給最近醫(yī)院，并告知親屬，此外通過自身語音播報系統(tǒng)指導路人施救或阻止路人的錯誤救助。

在遭遇搶劫、交通意外事故、摔倒情況下，具備應對及時報警呼救能力，基于電子報警及高分貝呼救裝備可實現(xiàn)快速報警或向路人求助，此外助行器相機記錄的實時狀況可成為后續(xù)處理的依據(jù)。

■2.4 未來功能設想

基于腦機接口實現(xiàn)意念感應控制，配合外骨骼系統(tǒng)的應用，滿足行動不便或喪失運動能力老人正常出行。使用時，老人穿戴外骨骼系統(tǒng)實現(xiàn)薄弱位置助力；進一步地，通過腦電波感應器收集老人產(chǎn)生想法時前額的微弱電流，預知老人下一步的行為，將數(shù)據(jù)傳輸給外骨骼系統(tǒng)帶動老人行走，實現(xiàn)助行功能。

3 結語

針對老齡化社會老人出行的需求，基于現(xiàn)階段助行器功能單一、智能化程度低的缺點，開展了新型助行器的方案設計，形成了包含機械結構、控制系統(tǒng)、身體監(jiān)測系統(tǒng)、運動檢測系統(tǒng)、緊急情況報警系統(tǒng)及功能擴展系統(tǒng)的設計方案，并對其應用場景開展了展望。新型助行器具有功能多樣、智能化程度高、可擴展的優(yōu)點，可滿足現(xiàn)實及未來不同身體狀態(tài)的老人獨自外出時的出行輔助需求，及運動規(guī)劃、身體狀態(tài)評估等身體管理需求。本方案的設計可為助行器的升級提供參考，但囿于水平限制，目前的研究僅限于功能探討，詳細的方案設計還需開展進一步的工作，相信未來新型助行器將更好地服務老人出行，提升老人的生活質量。