智能坐便椅式助行器功能優(yōu)化設(shè)計研究

徐含沁　李弘隆　邵彥奇　邵彥廷　魏玲

摘? 要：目前市面上的坐便椅式助行器大多較為簡易，更新迭代周期較長，在安全性、智能化方面仍存在許多問題。該產(chǎn)品以ESP32開發(fā)板結(jié)合Arduino編程實現(xiàn)夜間可視功能與體溫感應(yīng)功能，設(shè)計中使用GPS衛(wèi)星定位模塊對使用者進行實時定位;實現(xiàn)語音錄音、聯(lián)系人通話功能;緊急報警時可輪流呼叫多位聯(lián)系人。同時，產(chǎn)品具有遮陽避雨功能，能夠方便使用者出行。

關(guān)鍵詞：智能;坐便椅式助行器;優(yōu)化設(shè)計;功能

中圖分類號：TP212? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）20-0178-03

Research on Function Optimization Design of Intelligent Toilet Chair Walking Aid

XU Hanqin， LI Honglong， SHAO Yanqi， SHAO Yanting， WEI Ling

（1.Zhejiang University City College， Hangzhou? 310015， China;2.Dalian University of Technology， Dalian? 116024， China）

Abstract： At present， most of the toilet chair walking aid on the market are relatively simple and have a long update cycle. There are still many problems in safety and intelligence. This product uses ESP32 development board combined with Arduino programming to realize night visual function and temperature sensing function. GPS satellite positioning module is used in the design for real-time positioning of users. Voice recording and contact call functions are realized; it can call multiple contacts in turn during emergency alarm. At the same time， the product has the function of shading from the sun and rain， which can be convenient for users to travel.

Keywords： intelligent; toilet chair walking aid; optimization design; function

0? 引? 言

據(jù)2019年國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，我國老年人與殘疾人占比逐年升高，家庭結(jié)構(gòu)逐漸縮小的同時，老人獨居比例不斷增加[1]。相應(yīng)的護理人員比例小[2]、素質(zhì)參差不齊[3]、護理市場收費高[4]使得護理質(zhì)量很難得到有效保障。因此，相關(guān)護理輔助設(shè)備的功能設(shè)計需不斷完善。本文針對護理輔助設(shè)備——坐便椅式助行器進行相關(guān)研究。該產(chǎn)品集如廁與助力行走功能于一體，可協(xié)助行動不便的人群在無人照料的情況下實現(xiàn)自行如廁。此外，還可作為助行器幫助使用戶者進行有效的康復(fù)訓(xùn)練。經(jīng)文獻查閱及用戶調(diào)研，目前市面上的坐便椅式助行器僅限于用戶如廁、助力行走的基本需求，在使用的多功能及安全性方面存在缺陷，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品功能多僅限于如廁和助力行走，更新迭代周期較長，在安全性、智能化方面存在不足，如：使用者發(fā)生意外時不能快速報警;夜間使用坐便器不便;作為助行器夜間行走易發(fā)生交通事故;缺少遮陽避雨功能等。本文針對該產(chǎn)品存在的問題增加了智能定位、日常通話及緊急報警、夜間可視、體溫感應(yīng)、遮陽避雨等功能，提升產(chǎn)品的功能和實用體驗。

本產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中于醫(yī)療護理及養(yǎng)老服務(wù)業(yè)，使用群體主要為術(shù)后恢復(fù)者及行動不便人群。護理行業(yè)方面，世衛(wèi)組織發(fā)布的《2020年世界護理狀況報告》顯示，全球護理從業(yè)人員已達2 790萬，但仍面臨護士短缺問題，如不采取措施，到2030年，護士人數(shù)將比預(yù)計需求短缺570萬。隨著體弱多病、殘障人士數(shù)量的增加，我國護理人員短缺、護理質(zhì)量不高現(xiàn)象將愈發(fā)突出[5]。養(yǎng)老服務(wù)業(yè)方面，近十年來，我國老齡化問題愈發(fā)嚴重，家庭護理能力較弱。因此，老年人的護理問題面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。由于我國老年人和殘疾人的占比日趨增長，有關(guān)護理輔助設(shè)備和生活用具的精細化、人性化要求日益迫切。

經(jīng)文獻搜索，目前有關(guān)坐便椅式助行器的論文較少，國內(nèi)關(guān)于護理領(lǐng)域的研究論文也十分缺乏。通過對醫(yī)生、行動不便人群及其護理人員進行走訪調(diào)研后我們發(fā)現(xiàn)，該產(chǎn)品在使用過程中仍存在諸多不足，無法滿足使用者的特殊需求。該產(chǎn)品功能的完善有助于用戶的身心健康，能提高其生活自理能力，并維護了使用者的自尊心。只有使用者的生活自理能力得到提高，護理人員的護理壓力才能得到相應(yīng)減輕，進而減輕社會壓力。因此，該產(chǎn)品向安全、智能化方向發(fā)展是必然趨勢。同時，該產(chǎn)品設(shè)計的人性化及使用的舒適性也將得到社會的關(guān)注。

1? 模型

1.1? 設(shè)計方法及依據(jù)

通過調(diào)研、試驗、對比分析等主要方法解決技術(shù)問題和實際應(yīng)用。數(shù)據(jù)傳輸與處理通過ESP32開發(fā)板進行。運用芯片處理，對開發(fā)板進行編程，通過傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)需執(zhí)行的功能。多樣便攜式供電則通過可充電循環(huán)使用的鋰電池、電源管理芯片、太陽能發(fā)電板配合ESP32芯片完成，實現(xiàn)USB和太陽能充電。

產(chǎn)品通過Arduino或C語言編程，將寫好的程序燒錄于ESP32開發(fā)板，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和對硬件的控制。通過WIFI串口將收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C。

產(chǎn)品使用到的傳感器有光敏傳感器、紅外傳感器。光敏電阻具有環(huán)境光的感知功能，輸出的電信號配合芯片處理數(shù)據(jù)，就可以實現(xiàn)環(huán)境光不足時補光的功能。通過利用某些絕緣物質(zhì)會因溫度變化引起極化狀態(tài)改變的熱釋電效應(yīng)，可以將人體移動信號轉(zhuǎn)化為電信號，配合芯片進行數(shù)據(jù)處理，就能控制電機工作，實現(xiàn)人靠近時桶蓋自動打開的功能。

產(chǎn)品利用太陽能電池板將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能的光電效應(yīng)可以實現(xiàn)太陽能充電功能，節(jié)能環(huán)保。

產(chǎn)品通過北斗、衛(wèi)星、基站、Wi-Fi、LBS進行精準定位，實時反映至監(jiān)護人手機。

1.2? 智能部分

1.2.1? ESP32開發(fā)板

ESP32開發(fā)板專為移動設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計，具有業(yè)內(nèi)高水平的低功耗性能，包括精細分辨時鐘門控、省電模式和動態(tài)電壓調(diào)整等。它將天線開關(guān)、RF balun、功率放大器、接收低噪聲放大器、濾波器、電源管理模塊等功能集于一體，只需極少的外圍器件，便可實現(xiàn)強大的處理性能和可靠的安全性能。

1.2.2? Arduino編程

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，一則容易掌握，二是同時兼具一定的靈活性。Arduino語言基于wiring語言開發(fā)，是對 avr-gcc庫的二次封裝，無須太多的單片機基礎(chǔ)、編程基礎(chǔ)。

現(xiàn)摘選部分 Arduino程序源代碼為：

#include

#define speeds 200

#define steps 600

#define TurnOff 1200

#define TurnOn 2000

#define Opening 1480

#define Closing 1530

uint t;

uint dark;

enum {opened，closed}door，lit;

Stepper stepper（32，22，25，32，26）;

void setup（） {

Serial.begin（9600）;

stepper.setSpeed（speeds）;

pinMode（16，OUTPUT）;

pinMode（17，OUTPUT）;

door=closed;

lit=closed;

digitalWrite（16，0）;

digitalWrite（17，0）;

……

2? 功能實現(xiàn)

2.1? 智能定位功能

產(chǎn)品通過北斗、衛(wèi)星、基站、WIFI、LBS對行動過程中的用戶進行精準定位，實時通過APP更新至監(jiān)護人手機。監(jiān)護人可用配套APP一鍵導(dǎo)航到定位器，查看使用者的行動軌跡。當(dāng)使用者走出設(shè)定范圍時，APP給予提示。

2.2? 日常通話及緊急報警功能

產(chǎn)品具有語音錄音功能，支持聯(lián)系人的雙向電話撥打功能。緊急報警時可以輪流呼叫多位聯(lián)系人。該功能導(dǎo)入通訊功能設(shè)備，從安全角度出發(fā)，避免用戶獨自一人出現(xiàn)意外時，保障用戶第一時間聯(lián)系到相關(guān)人員。

2.3? 夜間可視功能

產(chǎn)品具有夜間自行發(fā)光的功能。產(chǎn)品通過Arduino的串口功能，使光敏傳感器測得的電壓值實時顯示在串口監(jiān)視器界面，以記錄數(shù)據(jù)。將光敏傳感器完全密閉，構(gòu)造完全黑暗的環(huán)境，記錄測得的電壓值。之后將光敏傳感器置于室內(nèi)燈光下，模擬明亮環(huán)境，記錄測得的電壓值。由記錄的數(shù)據(jù)可估計出光敏傳感器臨界光強對應(yīng)的電壓值約為1876。利用光敏傳感器持續(xù)接收外界光強信號，當(dāng)檢測到外界光強小于閾值后，芯片發(fā)出命令使照明系統(tǒng)開啟。開啟狀態(tài)下，光敏傳感器繼續(xù)檢測外界光強，當(dāng)大于閾值時，芯片發(fā)出命令以關(guān)閉照明系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了照明系統(tǒng)的自動開閉，如圖1所示。

2.4? 體溫感應(yīng)功能

產(chǎn)品具有桶蓋自動開合的功能。通過將溫度傳感器置于常溫下，記錄測得的電壓值。之后用手捏住溫度傳感器，測得的電壓值近似為人體溫度。由此估計出溫度傳感器的臨界電壓值在1 400到1 500之間。利用溫度傳感器持續(xù)檢測座椅上方溫度，當(dāng)有人使用時，傳感器將檢測到溫度升高，到達閾值時芯片判定此時有人正在使用，于是通過步進電機驅(qū)動模塊來驅(qū)動步進電機以給定的速率、給定的步長旋轉(zhuǎn)，帶動桶蓋打開。當(dāng)人離開后，溫度傳感器檢測到溫度降低，到達一定閾值時芯片判定人已離開，于是驅(qū)動步進電機以相同的速率和步長反向旋轉(zhuǎn)，以控制桶蓋關(guān)閉，從而實現(xiàn)了桶蓋的自動打開和關(guān)閉，如圖2所示。

2.5? 遮陽避雨功能

產(chǎn)品具有遮陽避雨的功能。通過在助行器支架上加裝可拆卸的晴雨傘。該功能更全面地考慮了用戶在戶外實際使用過程遇見的環(huán)境變化，以便用戶在助行過程中，可以切換。

3? 實驗結(jié)果

3.1? 模擬環(huán)境光線較暗

將光敏傳感器直接置于暗處，可以看到開發(fā)板上自帶的LED燈自動亮起。此時將光敏傳感器移至明亮的環(huán)境，則可以觀察到LED燈自動熄滅，如圖3所示。

3.2? 模擬使用者靠近坐墊和離開坐墊

用手捏住溫度傳感器探頭，使溫度升高，模擬人靠近坐墊的情形?？梢杂^察到步進電機開始旋轉(zhuǎn)，直至指定角度后停止，模擬桶蓋自動打開。之后松開手，使溫度降低，模擬人離開坐墊的情形，一段時間后可以觀察到步進電機反向旋轉(zhuǎn)相同的角度后停止，以模擬桶蓋自動閉合，如圖4所示。

4? 結(jié)? 論

隨著社會的發(fā)展，社會對老年人和殘疾人員的關(guān)愛逐漸增加，從老年人和殘疾人員角度而言，則是希望通過自身的自助自立，跟著社會發(fā)展的腳步，坐便椅式助行器則是從一定意義上解決了這類人員的行走困難障礙，解脫了家庭照顧的人力困擾。而智能坐便椅式助行器功能優(yōu)化設(shè)計則是在原來助行器的基礎(chǔ)上，解決了目前市面上助行器的部分缺陷或不完善之處，更快速更便捷更優(yōu)化地方便用戶使用和體驗。

總結(jié)起來，智能坐便椅式助行器在安全性、智能化方面進行了創(chuàng)新與改進，增加了智能定位功能、日常通話及緊急報警功能、夜間可視功能、體溫感應(yīng)功能，可提升使用者的生活質(zhì)量和緩解護理人員的壓力，有利于減輕社會壓力。當(dāng)然，即便是智能坐便式助行器，人與人之間的情感和關(guān)愛因素是不可替代的，故優(yōu)化智能坐便式助行器設(shè)計是一個方面，另一方面我們積極倡導(dǎo)和呼吁社會、家庭、組織等對這些用戶的關(guān)心關(guān)愛。

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作者簡介：徐含沁（2001—），女，漢族，浙江寧海人，本科在讀，研究方向：會展經(jīng)濟與管理。