基于北斗导航的螺纹调节式智能助老拐杖的设计与研究

王广林，潘俊兵

(陕西国防工业职业技术学院智能制造学院，陕西 西安 710300)

基金项目：陕西国防工业职业技术学院2019年度科研计划项目（Gfy19-43）

作者简介：王广林（1973—），男，高级工程师，硕士，主要研究方向为机械设计与数控加工技术，550070212@qq.com.

通讯作者：潘俊兵，男，硕士研究生，pjbdzq@163.com.

摘要：针对中国老龄化加剧所引发的老人走失及当前智能拐杖发展中存在的问题，设计了一种由照明装置、反光模块和定位装置等构成的螺纹调节式智能助老拐杖。利用老年人的身高、体重等参数对该拐杖进行了机械设计及力学有限元分析。分析结果表明，当拐杖承受的力为2倍老年人体重时，仍具有较高的机械性能，可满足老人的日常出行需求。同时设计了基于北斗导航的智能定位及通信系统，可实时记录老年人的出行状态及位置，保障老年人出行的安全性。与现有智能拐杖相比，该拐杖通过螺纹调节长度，具有更高的稳定性和更长的寿命。

关键词：助老机械；北斗导航；GSM通信；辅助行走；有限元分析

中图分类号：TH122   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)10-0059-04

目前，我国60岁以上人口突破2亿，人口呈现出老龄化发展趋势^［1-3］，老龄化率已超过17%^［4-5］。随着老龄化率的升高，老年人走失、迷路事件发生率逐年攀升，已严重影响了老年群体的正常生活^［6-7］，因此亟需设计一种防止老人走失、迷路的设备，以辅助老年人正常的社交与出行。由于老年人身体平衡性较差，拐杖一直是老年人辅助行走的常用工具，因此在拐杖上附加智能系统，以防止老人走失、迷路的尝试已经展开。

现有拐杖主要有传统的一体式拐杖、拐杖倚和智能拐杖。一体式拐杖结构稳定，可靠性强，其缺点是无法调节拐杖长度以适应不同使用者。拐杖倚主要由拐杖和座椅两部分组成，对使用者的适应性强，便于老人闲坐歇息。然而，座椅的加入，增加了拐杖的质量，降低了整体的轻便性。现有智能拐杖主要是在拐杖体上附加了GPS(global positioning system，全球定位系统)和GSM(google mobile service，谷歌移动服务)装置^［8-10］，可实现老人实时定位，降低了走失、迷路的风险，成本较高是制约其推广的重要因素。另外，现有拐杖倚和智能拐杖均通过销钉伸缩的方式调节自身长度，该方式可靠性较差。因此，亟需设计一种结构稳定、可靠性强、具有定位功能的智能拐杖。基于前人研究成果，根据老年人对高稳定性智能拐杖的需求，本文设计了一种基于北斗导航的螺纹调节式智能助老拐杖，该拐杖具有结构轻便、可靠，智能化程度高的特点，以期为我国助老机械的发展做出贡献。

1 整体结构及工作原理

1.1 整体结构

该智能拐杖主要由上拐体、下拐体、连接杆和定位销钉等构成，如图1所示。该拐杖采用碳纤维材料，重0.6 kg，可在70~100 cm之间调整长度^［11-13］，以适应不同身高老年使用者的需求。

1.2 工作原理

使用前，通过螺纹调节拐杖长度，以适应使用者的身高及拐杖助力时的舒适程度，然后通过销钉锁定螺纹。在黑暗环境下使用该智能拐杖时，可打开手柄前端的照明装置（5颗LED灯，中间1颗，剩余4颗均布在其周围），同时手柄后方的反光装置可反射来自后方的灯光，从而引起后方车辆驾驶人员或其他作业人员对拐杖使用者的注意，提高老年使用者在黑暗环境下的安全保障。通过陀螺仪及北斗定位模块可实时确定拐杖状态及位置。在工作状态下，当陀螺仪检测到拐杖出现70°以上角度变化，且超过25 s没有复位时，判断为老人摔倒（大部分老人跌倒后，可在18 s以内再次站起来），通过GSM模块将报警信息发送至亲友手机。在之后的时间，如果陀螺仪复位，并且按照正常的行走方式摆动角度，则判断为老人已恢复安全，重新向亲友监测手机发送信息，以报平安。该拐杖通过各模块的综合作用，为老年使用者提供安全保障。