王廣林，潘俊兵

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，陜西 西安 710300)

目前，我國60歲以上人口突破2億，人口呈現(xiàn)出老齡化發(fā)展趨勢(shì)[1-3]，老齡化率已超過17%[4-5]。隨著老齡化率的升高，老年人走失、迷路事件發(fā)生率逐年攀升，已嚴(yán)重影響了老年群體的正常生活[6-7]，因此亟需設(shè)計(jì)一種防止老人走失、迷路的設(shè)備，以輔助老年人正常的社交與出行。由于老年人身體平衡性較差，拐杖一直是老年人輔助行走的常用工具，因此在拐杖上附加智能系統(tǒng)，以防止老人走失、迷路的嘗試已經(jīng)展開。

現(xiàn)有拐杖主要有傳統(tǒng)的一體式拐杖、拐杖倚和智能拐杖。一體式拐杖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)，其缺點(diǎn)是無法調(diào)節(jié)拐杖長度以適應(yīng)不同使用者。拐杖倚主要由拐杖和座椅兩部分組成，對(duì)使用者的適應(yīng)性強(qiáng)，便于老人閑坐歇息。然而，座椅的加入，增加了拐杖的質(zhì)量，降低了整體的輕便性。現(xiàn)有智能拐杖主要是在拐杖體上附加了GPS(global positioning system，全球定位系統(tǒng))和GSM(google mobile service，谷歌移動(dòng)服務(wù))裝置[8-10]，可實(shí)現(xiàn)老人實(shí)時(shí)定位，降低了走失、迷路的風(fēng)險(xiǎn)，成本較高是制約其推廣的重要因素。另外，現(xiàn)有拐杖倚和智能拐杖均通過銷釘伸縮的方式調(diào)節(jié)自身長度，該方式可靠性較差。因此，亟需設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)、具有定位功能的智能拐杖?；谇叭搜芯砍晒鶕?jù)老年人對(duì)高穩(wěn)定性智能拐杖的需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于北斗導(dǎo)航的螺紋調(diào)節(jié)式智能助老拐杖，該拐杖具有結(jié)構(gòu)輕便、可靠，智能化程度高的特點(diǎn)，以期為我國助老機(jī)械的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

該智能拐杖主要由上拐體、下拐體、連接桿和定位銷釘?shù)葮?gòu)成，如圖1所示。該拐杖采用碳纖維材料，重0.6 kg，可在70～100 cm之間調(diào)整長度[11-13]，以適應(yīng)不同身高老年使用者的需求。

1.2 工作原理

使用前，通過螺紋調(diào)節(jié)拐杖長度，以適應(yīng)使用者的身高及拐杖助力時(shí)的舒適程度，然后通過銷釘鎖定螺紋。在黑暗環(huán)境下使用該智能拐杖時(shí)，可打開手柄前端的照明裝置(5顆LED燈，中間1顆，剩余4顆均布在其周圍)，同時(shí)手柄后方的反光裝置可反射來自后方的燈光，從而引起后方車輛駕駛?cè)藛T或其他作業(yè)人員對(duì)拐杖使用者的注意，提高老

1—上拐體；2—定位銷釘；3—連接桿；4—下拐體圖1 螺紋調(diào)節(jié)式智能助老拐杖

年使用者在黑暗環(huán)境下的安全保障。通過陀螺儀及北斗定位模塊可實(shí)時(shí)確定拐杖狀態(tài)及位置。在工作狀態(tài)下，當(dāng)陀螺儀檢測(cè)到拐杖出現(xiàn)70°以上角度變化，且超過25 s沒有復(fù)位時(shí)，判斷為老人摔倒(大部分老人跌倒后，可在18 s以內(nèi)再次站起來)，通過GSM模塊將報(bào)警信息發(fā)送至親友手機(jī)。在之后的時(shí)間，如果陀螺儀復(fù)位，并且按照正常的行走方式擺動(dòng)角度，則判斷為老人已恢復(fù)安全，重新向親友監(jiān)測(cè)手機(jī)發(fā)送信息，以報(bào)平安。該拐杖通過各模塊的綜合作用，為老年使用者提供安全保障。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

2.1.1上拐體設(shè)計(jì)

上拐體主要由手柄及上拐體連接桿構(gòu)成。按照人體工程學(xué)，手柄形狀設(shè)計(jì)為手握舒適的波浪形，如圖2所示。監(jiān)測(cè)拐杖狀態(tài)的智能系統(tǒng)位于手柄內(nèi)部，該智能系統(tǒng)主要包括照明裝置、GSM通信模塊、陀螺儀、北斗定位模塊、直流電源模塊和反光

1—手柄；2—照明裝置；3—GSM、陀螺儀及北斗定位模塊；4—直流電源裝置；5—反光模塊；6—上拐體連接桿圖2 上拐體

模塊等。其中，LED照明裝置及反光模塊可輔助老人在黑暗環(huán)境中行走；陀螺儀可判斷拐杖狀態(tài)，從而確定老年使用者的行走動(dòng)態(tài)，北斗導(dǎo)航模塊可實(shí)時(shí)確定使用者的位置； GSM通信模塊可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)傳輸老人行走狀態(tài)及實(shí)時(shí)位置至親友手機(jī)的功能，從而確保使用者的安全。

2.1.2下拐體設(shè)計(jì)及力學(xué)分析

下拐體采用三支腿設(shè)計(jì)，支腿間夾角為120°，有利于增大拐杖與地面之間的接觸面積，從而增強(qiáng)拐杖穩(wěn)定性，保障老年使用者的安全。在工作過程中，使用者施加在手柄上的力傳遞到支腿，三支腿連接處為力聚集點(diǎn)。為了保證拐杖力學(xué)性能，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析，其簡(jiǎn)化受力情況如圖3所示[14]。

F=F1+F2+F3

(1)

(2)

式中：F為拐杖承受的最大壓力，取值為老年人體重及其動(dòng)載荷之和；F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3分別為3根支腿對(duì)壓力的反作用力，其大小隨F的變化而變化；σmax為最大應(yīng)力；A為拐杖橫截面積；M為彎矩；D為拐杖外徑；I為慣性矩；σs為屈服強(qiáng)度；n為安全系數(shù)。

圖3 拐杖受力分析

拐杖外徑為30 mm，將碳纖維材料的強(qiáng)度參數(shù)代入式(2)，可解得拐杖內(nèi)徑，也可適當(dāng)減小內(nèi)徑，以進(jìn)一步增加安全系數(shù)。

該拐杖上、下拐體之間通過螺紋連接，并以此實(shí)現(xiàn)拐杖長度調(diào)整。與傳統(tǒng)一體式拐杖相比，該拐杖長度可調(diào)，適應(yīng)性強(qiáng)。與現(xiàn)有智能拐杖相比，螺紋調(diào)節(jié)拐杖長度的方式穩(wěn)定性更高，壽命更長。

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)拐杖進(jìn)行力學(xué)有限元分析，結(jié)果如圖4所示。由圖可知，以超出普通老人體重2倍的100 kg力作用于拐杖，支腿相交位置出現(xiàn)最大受力，大小為1.5×106N/m2，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，拐杖使用者并非將體重全部施加于拐杖上，因此該結(jié)構(gòu)可滿足助老拐杖的使用要求。

圖4 拐杖應(yīng)力分析圖

2.2 智能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該拐杖智能安全系統(tǒng)主要由北斗定位模塊、控制單元、GSM模塊及其他輔助單元組成，如圖5所示。其中導(dǎo)航模塊主要依靠北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱北斗導(dǎo)航)進(jìn)行定位。北斗導(dǎo)航主要由空面段、地面段和用戶段3部分組成，可在全球范圍內(nèi)為用戶提供精度高、可靠性好的定位、導(dǎo)航等服務(wù)內(nèi)容，并可實(shí)現(xiàn)短報(bào)文通信，定位精度可達(dá)10 m[15]，滿足智能助老拐杖的使用要求。

該拐杖所采用的北斗導(dǎo)航模塊為UM220-III L雙模定位模塊。該模塊能夠同時(shí)支持北斗導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)芯片和陀螺儀等；通過自適應(yīng)組合導(dǎo)航算法，精確定位老人所處位置。在衛(wèi)星信號(hào)較差的區(qū)域，可通過純慣性導(dǎo)航技術(shù)在較長時(shí)間內(nèi)繼續(xù)提供高精度定位和測(cè)姿等。通信GSM模塊選用SIMCOM公司的SIM900。

3 結(jié)果與討論

綜上，依據(jù)我國老齡化加劇所引發(fā)的老人走失及當(dāng)前智能拐杖發(fā)展中存在的問題，設(shè)計(jì)出的由照明裝置、反光模塊和定位裝置等構(gòu)成的螺紋調(diào)節(jié)式智能助老拐杖,具有調(diào)節(jié)方便、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、壽命長的特點(diǎn)。使用前，通過螺紋調(diào)節(jié)拐杖長度至使用者舒適的位置，之后使用定位銷釘鎖定螺紋。該調(diào)節(jié)方式與現(xiàn)有依靠銷釘伸縮調(diào)整拐杖長度的方式相比[16-21]，具有穩(wěn)定性更高的特點(diǎn)，可延長拐杖壽命。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)中國人口老齡化所面臨的老人迷路等問題，設(shè)計(jì)了一種基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的螺紋調(diào)節(jié)式智能助老拐杖。該拐杖與傳統(tǒng)拐杖對(duì)比，具有長度可調(diào)、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)；與現(xiàn)有智能拐杖相比，螺紋調(diào)節(jié)拐杖長度的方式穩(wěn)定性更高，使用壽命更長。

本文設(shè)計(jì)的智能助老拐杖結(jié)構(gòu)合理，適應(yīng)性強(qiáng)，但智能控制系統(tǒng)和定位系統(tǒng)仍處于設(shè)計(jì)階段，尚需進(jìn)一步測(cè)試。隨著我國北斗導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)高精度全球覆蓋，智能系統(tǒng)和定位系統(tǒng)的試驗(yàn)將逐步展開，持續(xù)完善拐杖功能，為老年人的出行安全提供保障。