基于無線充電模塊的智能助老拐杖設(shè)計(jì)

金旭，楊毅，洪鎮(zhèn)南

（南華大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

當(dāng)前，智能化產(chǎn)品附帶的功能日益增多，有關(guān)智慧助老的智能化產(chǎn)品數(shù)量眾多，能對老人情況展開實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而為其身體健康提供保障，其中之一便是智能助老拐杖。但是，目前此類拐杖在充電時(shí)基本采取的是有線充電方式，老年人因身體或視力問題，在充電中很難準(zhǔn)確找到充電口，特別是超過80歲的老年人更是不便。本文設(shè)計(jì)的智能助老拐杖帶有無線充電模塊，能消除以往有線充電中存在的各類不便，同時(shí)支持向智能移動(dòng)終端自動(dòng)反饋老年人所處地理位置信息，并配備了照明的功能，可帶給老年人更優(yōu)異的使用體驗(yàn)。

1 智能助老拐杖設(shè)計(jì)理念

本文設(shè)計(jì)的智能助老拐杖中，以控制器為中心，在加速度傳感器結(jié)果導(dǎo)向的運(yùn)用下，能判斷拐杖是否處于平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而判斷拐杖是否摔落。如果有摔倒的信號被成功感知，內(nèi)部通訊模塊會(huì)迅速將已摔倒的信息反饋至遠(yuǎn)程信息終端，并一并發(fā)送此時(shí)智能助老拐杖所在的地理位置信息，方便對方通過手機(jī)終端查看這一系列信息[1]。而未檢測到加速度的智能助老拐杖，則不會(huì)反饋老人已摔倒的信息。同時(shí)，智能助老拐杖監(jiān)測到摔倒后，其內(nèi)部控制器會(huì)對壓力檢測傳感器自行驅(qū)動(dòng)，檢測智能助老拐杖感受的壓力是否超過其本身能承受的極限壓力。值得一提的是，智能助老拐杖也需要圍繞相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)果判定是否將扶起的控制信號觸發(fā)，且要具備電動(dòng)推桿伸長功能，這樣一來才能順利扶起摔倒的老人。

2 智能助老拐杖整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)

智能助老拐杖作為一種新型拐杖，主要用于滿足老年人外出需求并提供可靠的安全保障，故而其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相當(dāng)重要，圖1呈現(xiàn)了該拐杖的立體結(jié)構(gòu)。首先，拐杖握把位置以弧形空腔型為主，并進(jìn)行了表面防滑的波浪條紋設(shè)計(jì)，在保障安全的同時(shí)也能帶給老人舒適感[2]。設(shè)計(jì)空腔的握把，主要目的在于方便拐杖各個(gè)智能模塊系統(tǒng)的放置及運(yùn)用。其次，拐杖的構(gòu)成中，桿件部分為主要部位，融入了可伸縮的設(shè)計(jì)理念，拐杖全部伸長后總計(jì)120cm的長度。桿件部分由三個(gè)部分組成，分別為上支桿、下枝干和底座。其中，支桿為高度可調(diào)節(jié)支撐桿，主要由上支桿（固定連接上端與握柄）、下枝干（固定連接下端與底座）。底座由下支桿下端設(shè)置的底盤和底盤中心設(shè)置的固定腳墊、底盤端部設(shè)置的驅(qū)動(dòng)可調(diào)節(jié)腳墊組成，能夠調(diào)節(jié)支撐面。

因各個(gè)老年人在身高方面有差距，對拐杖的舒適高度也有著不同的要求，因此可伸縮的拐杖設(shè)計(jì)能使老年人以自身需求的舒適高度為依據(jù)自行調(diào)節(jié)拐杖[3]。最后，由于老年人并非隨時(shí)都會(huì)使用拐杖，以往不可伸縮的拐杖由于長度偏高的緣故，隨身攜帶極為不便，老年人在不使用拐杖時(shí)很難妥善處理，帶給他們一定的困擾。而本文中可伸縮型的拐杖設(shè)計(jì)，當(dāng)老年人沒有使用需求時(shí)，通過收縮減短后可收納在包里或相應(yīng)的地方，不僅方便攜帶且能節(jié)省空間，極大便利了老年人的外出。

2.2 外觀顏色

在外觀顏色設(shè)計(jì)方面，以人體感官為依據(jù)，引入了亮麗親和的色彩，賦予了拐杖更突出的吸引力和感染力。該拐杖主要包含三種顏色：一是天藍(lán)色（亦稱之為湛藍(lán)），是一種十分貼近天空晴天的顏色，介于深藍(lán)與藍(lán)色間。該款拐杖中運(yùn)用此類顏色設(shè)計(jì)外觀，呈現(xiàn)出恬靜典雅之意，也能帶給老年人豁然開朗的感覺，使他們在產(chǎn)品使用中心情能夠保持愉悅。二是中國紅[4]。我國傳統(tǒng)文化中，紅色有著吉祥、平安、康壽及福祿等寓意，也寄托了人們祈求百世長順、逢兇化吉和祛病除災(zāi)等美好愿望。該款拐杖中運(yùn)用此類顏色設(shè)計(jì)外觀，為老年人帶來了吉祥的寓意。三是黑色。此類顏色彰顯出低調(diào)的奢華與樸實(shí)的高貴，在該款拐杖中運(yùn)用此類顏色設(shè)計(jì)外觀，能帶給人沉著、穩(wěn)重的感覺，能將老年人特有的成熟氣質(zhì)充分展現(xiàn)。

3 智能助老拐杖功能模塊及其作用機(jī)理

3.1 功能模塊

該拐杖主要包含握柄、支桿和底座，其中握柄固定設(shè)置于上支桿上端，二下支桿下端則固定設(shè)置底座，且配備了四個(gè)可調(diào)節(jié)腳墊。該拐杖功能模塊主要包含：一是在握柄內(nèi)實(shí)現(xiàn)了供電與報(bào)警兩模塊的設(shè)置，且兩個(gè)模塊之間實(shí)現(xiàn)電連接。供電模塊為無線充電模塊，在拐杖充電時(shí)十分便利，能有效彌補(bǔ)需要精確對準(zhǔn)的有線充電存在的缺陷及不便等，帶給老人更優(yōu)異的使用體驗(yàn)。同時(shí)，配備了用于對無線充電模塊實(shí)時(shí)充電過程中加以顯示的裝置[5]。當(dāng)該拐杖處于充電狀態(tài)時(shí)，模塊中的指示裝置上第一顏色會(huì)顯亮；而當(dāng)拐杖電量充滿之后，模塊中的指示裝置上第二顏色會(huì)顯亮。二是拐杖中配備了監(jiān)測跌倒?fàn)顟B(tài)的模塊。通過該模塊的應(yīng)用，支持對老人身體姿態(tài)展開實(shí)時(shí)監(jiān)測，且該模塊電連接了供電與報(bào)警模塊。三是定位模塊。通過該模塊的應(yīng)用，能夠?qū)先怂幬恢谜归_實(shí)時(shí)定位，與供電模塊電連接。四是照明模塊。手柄前端處設(shè)置了照明模塊，通過該模塊的應(yīng)用，能開闊老人視野、消除夜間外出時(shí)光線不足的情況，與供電模塊電連接。

3.2 應(yīng)用中的作用機(jī)理

3.2.1 充電狀態(tài)判斷

該拐杖中設(shè)計(jì)了LED燈模組，是方便老人對拐杖充電狀態(tài)進(jìn)行判斷的無線充電狀態(tài)指示裝置。當(dāng)該拐杖處于充電狀態(tài)時(shí)，模塊中的指示裝置上第一顏色會(huì)顯亮，例如紅色；而當(dāng)拐杖電量充滿之后，模塊中的指示裝置上第二顏色會(huì)顯亮，例如綠色。同時(shí)，如果存在異物阻擋的情況，造成無線充電連接失敗的情況，此時(shí)會(huì)有第三顏色出現(xiàn)在指示裝置上，如呈閃爍狀態(tài)的紅綠顏色交替。

3.2.2 老人行走狀態(tài)監(jiān)測

為方便對老人行走狀態(tài)展開實(shí)時(shí)監(jiān)測，該拐杖中也設(shè)計(jì)了跌倒監(jiān)測模塊。通過該模塊的應(yīng)用，能夠?qū)先松眢w姿態(tài)展開實(shí)時(shí)監(jiān)測。該模塊電連接了供電與報(bào)警模塊，一旦老人處于跌倒?fàn)顟B(tài)并被跌倒監(jiān)測模塊迅速監(jiān)測到該信號后，可觸發(fā)報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警，并迅速將信號反饋給報(bào)警信號接收人或家人。跌倒監(jiān)測模塊中，電量主要由供電模塊負(fù)責(zé)提供。

3.2.3 老人位置定位

該拐杖中設(shè)計(jì)的定位模塊，主要是避免老人出現(xiàn)走丟的情況，同時(shí)方便能將老人迅速找到。該模塊與供電模塊之間實(shí)現(xiàn)了電連接，通過該模塊的應(yīng)用，能對老人所在位置實(shí)時(shí)進(jìn)行定位，并將定位信息反饋至手機(jī)等接收端，幫助接收端實(shí)時(shí)掌握老人位置信息。

3.2.4 自動(dòng)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

日常生活中，老年人時(shí)常也會(huì)出現(xiàn)夜晚外出的情況，如散步或鍛煉身體等。但是，由于年齡偏高的緣故，老年人視力狀況一般不佳，外出時(shí)往往需要道路照明這一輔助功能。基于此，該拐杖中前端斜下方設(shè)計(jì)了用于照明的LED照明燈[6]。模塊中配備的光敏電阻傳感器，主要用于監(jiān)測環(huán)境亮度情況，且該監(jiān)測工作是實(shí)時(shí)開展的。當(dāng)監(jiān)測到低于單片機(jī)程序預(yù)先擬定數(shù)值的光線時(shí)，LED照明燈在繼電器的作用下會(huì)迅速被打開；監(jiān)測到的光線偏亮?xí)r，LED照明燈在繼電器的作用下會(huì)迅速被關(guān)閉。此類功能設(shè)計(jì)無需老年人自行啟停LED照明燈，整個(gè)使用過程更加便利，加之自動(dòng)啟停的緣故，能減少消耗的電量。同時(shí)，拐杖中針對電源整體也進(jìn)行了總開關(guān)的設(shè)置，拐杖未被使用時(shí)可關(guān)閉總開關(guān)，能使其耗費(fèi)在自動(dòng)檢測系統(tǒng)中的電量減少，呈現(xiàn)出人性化設(shè)計(jì)。該功能模塊能為老年人夜間外出、行走提供可靠的安全保障，使老人家人更加放心。

3.2.5 防滑性能

該拐杖在設(shè)計(jì)中，針對老年人可能出現(xiàn)的滑倒情況展開了針對性設(shè)計(jì)，賦予了拐杖更強(qiáng)的防滑性能，具體表現(xiàn)在：底座進(jìn)行了可調(diào)節(jié)支撐面的設(shè)計(jì)，包含下支桿下端處設(shè)置的用螺釘固定的底盤、底盤中心位置處固定設(shè)置的腳墊、底盤端部設(shè)置的可調(diào)節(jié)腳墊（四個(gè)）與可調(diào)節(jié)且支持在驅(qū)動(dòng)下往復(fù)移動(dòng)的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的組成中包含了下支桿下端套設(shè)的撐骨環(huán)、在可調(diào)節(jié)腳墊往復(fù)移動(dòng)中發(fā)揮促進(jìn)作用的滑塊、用于對撐骨環(huán)和滑塊間連接的連桿，通過螺釘在滑塊下端固定設(shè)置調(diào)節(jié)腳墊，沿下支桿的方向撐骨環(huán)可作向下的移動(dòng)，滑塊在驅(qū)動(dòng)連桿的作用下會(huì)向外的方向移動(dòng)，使底座支撐面積進(jìn)一步擴(kuò)大。同時(shí)，沿支撐桿向上的方向撐骨環(huán)可進(jìn)行移動(dòng)，滑塊在驅(qū)動(dòng)連桿的作用下會(huì)被拉動(dòng)并向內(nèi)移動(dòng)，使底座支撐面積縮小[7]。當(dāng)?shù)鬃娣e增大之后，拐杖就會(huì)具備更突出的防滑性能（圖2）。

4 功能測試

本文擬通過下述內(nèi)容對該拐杖中相應(yīng)模塊的功能展開檢測。

（1）按鈕一為定位系統(tǒng)啟動(dòng)鍵，當(dāng)按下按鈕后能夠支持錄入語音，在識別語音后系統(tǒng)內(nèi)會(huì)自行作出具體地位并規(guī)劃線路，并通過語音系統(tǒng)完成規(guī)劃路線的播報(bào)。傳輸語音信息時(shí)，主要通過藍(lán)牙或無線進(jìn)行。

（2）按鈕二為緊急信息啟動(dòng)鍵，當(dāng)按下按鈕后定位系統(tǒng)能夠同步展開工作，對所在位置進(jìn)行定位，并向制定終端發(fā)送位置信息，由此促進(jìn)求救功能的實(shí)現(xiàn)。

（3）充電狀態(tài)顯示，無線充電模塊充電時(shí)，模塊中的指示裝置上第一顏色會(huì)顯亮；而當(dāng)拐杖電量充滿之后，模塊中的指示裝置上第二顏色會(huì)顯亮。

（4）跌倒監(jiān)測，過該模塊的應(yīng)用，能夠?qū)先松眢w姿態(tài)展開實(shí)時(shí)監(jiān)測。該模塊電連接了供電與報(bào)警模塊，一旦老人處于跌倒?fàn)顟B(tài)并被跌倒監(jiān)測模塊迅速監(jiān)測到該信號后，可觸發(fā)報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警，并迅速將信號反饋給報(bào)警信號接收人或家人。

5 結(jié)語

綜上所述，本文結(jié)合老年人日常出行需求設(shè)計(jì)了一款基于無線充電模塊的智能助老拐杖。該拐杖作為一種輔助器械，包含了報(bào)警模塊、跌倒監(jiān)測模塊、定位模塊及照明模塊等，能方便老年人的外出并提供必要的安全保障。采用了與大部分人手型握持舒適的弧形空腔握把，并進(jìn)行了表面防滑的波浪條紋設(shè)計(jì)，使老年人在抓扶拐杖時(shí)更舒適、安全。同時(shí)，采取了可伸縮型的拐杖設(shè)計(jì)，當(dāng)老年人沒有使用需求時(shí)，通過收縮減短后可收納在包里或相應(yīng)的地方，不僅方便攜帶且能節(jié)省空間，極大程度上便利了老年人的外出。