新型老年人智能助行器研究

尚昱儒

（郑州市为民高中，河南郑州，450000）

0 引言

当前已有多样化的老年人助行器应用于日常生活中，按照有无动力可分为无动力式助行器与有动力式助行器[3]，这些助行器在一定程度上满足了现阶段老年人日常的多样化出行需求，但仍存在一定的不足。无动力式助行器没有助力功能，具有结构简单、成本低廉、样式多样、重量轻便等优点，是最常见的助行器。此外为满足出行需求，无动力式助行器也增加有自主锁死固定、组件替换、坐下倚靠等功能，使用更为方便。但是无动力式助行器在功能多样性、应用智能化、功能扩展性等方面存在不足，无法满足现阶段对于安全性等方面的需求。有动力式助行器安装有动力模块，可满足无法行走或无法长时间行走的老人的出行辅助功能，具有功能多样、可操纵性强的特点，但是其续航能力弱、成本造价高昂、智能化程度低等方面的不足，限制了其进一步扩展。

传统助行器应用场景较为单一，且无法满足老年人意外摔倒、疾病发作等突发情况时的急救需求，且无法服务于老年人对于健康管理方面的需求，亟需基于现阶段的技术发展方向研发新式助行器，弥补传统助行器的不足，同时满足未来的功能需求。

本文开展新型老年人智能助行器设计，针对老年人的不同身体条件下的出行需求开展设计，更好地应用于多种场景，满足老年人不同状况下的助行需求[4]。此外新型助行器配备有呼救系统、身体检测系统，实现老年人意外情况时的应急处理，使得老年人的出行更加便利、安全，减轻社会与子女负担，提升老年人的生活质量。

1 新型助行器方案设计

图1 新型助行器方案框图

新型助行器按照功能划分包括机械结构、控制系统、身体监测系统、运动监测系统、紧急情况报警系统及功能扩展系统，各功能模块详情如下。

■1.1 机械机构

新型助行器的机械结构与目前的有动力助行器结构相似：拥有四脚支架，起到支撑、助行作用；支架下端安装由电力驱动的轮轴，实现助力和自动行走；设计有缓冲垫覆盖的弧形区域，方便老人站立及倚靠；配备折叠椅，以供老人休息或控制助行器；支架上配属手柄及刹车握把，实现老人行走时的安全控制；助行器高度可调，关键模块可替换，以适应不同应用场景需求。

此外，新型助行器为适应新的功能及组件，设计有针对性的结构，用于安装各类传感器、控制中枢系统、导航模块、报警模块和图像收集设备。

■1.2 控制系统

控制系统主要完成助行器的自动/手动移动控制与全系统功能的控制[5]。助行器可由老人主动控制或助行器自主完成运动，以实现代步和助力功能。其中老人的主动控制由控制手柄完成，手柄可实现走停、方向、速度等参数控制；在上坡或路面不平时，助行器可自主完成助力，以方便老人在路况较差环境下自由移动。运动控制系统的执行机构是安装在轮轴上的电动机，电动机在控制系统的控制下转动，实现移动与助力功能，具有安全环保、控制简单、方案成熟、成本低廉、可实现智能化控制的优点。

■1.3 身体监测系统

新型助行器的身体监测系统主要用于监视老人使用助行器运动时的身体各项指标状态，如心率、呼吸、血压、温度等，以便及时感知老人的各种身体状态变化，且身体监测搜集的数据可用于对老人的身体运动状态进行管理。

心率监测主要由安装在手柄或胸带的外带式心率传感器完成数据收集[6]，其作用是实时监测老人的心跳状况，用于健康评估，如评估心脏跳动是否处于正常状态。评估原理是通过检测脉搏跳动的频率和正常频率作比较进行分析评测。

呼吸监测主要由穿戴式胸带检测胸腔和腹部振动完成收据收集，其作用是检测老人的呼吸频率[7]，通过与正常状态比对，监测老人的呼吸是否处于异常状态。

血压监测的作用是检测老年人血压情况，当血压处于异常状态时及时警报。血压检测的难点在于实时或准实时地检测血压状态[8]。检测原理是依靠套在上臂袖的检测设备，间歇性自动充气加压，传感器不断地拾取压力波信号完成检测。或者可以采用指套式动态血压监护仪，在指套上安装一个压力传感器，实现实时血压监测。

温度检测的作用是检测老年人身体温度状态，其数据可用于合理安排穿着，同时反应老人在运动时的身体状态，为身体健康管理提供数据支撑。温度检测可基于穿戴式温度传感器或红外传感器，基于精度需求，优先选择穿戴式红外传感器，传感器与呼吸检测一体集成于胸带。

身体监测系统硬件以穿戴式形态安装在老人的胸前与上臂，实现心率、呼吸、血压、温度的检测，数据以无线的形式传输到助行器控制系统，实现数据的存储，这样身体检测设备操作更简单、携带更方便。

■1.4 运动监测系统

运动监测系统主要完成老人出行时的身体运动状态监测。监测的指标包括运动轨迹、运动频率、实时图像等，其数据可用于实现老人的健康管理。

运动监测系统硬件包括北斗卫星导航系统、图像记录仪等，同时内置陀螺仪和加速度计。北斗导航系统主要用于记录运动轨迹，并实时反馈老人位置，以应对可能出现的迷路状况；陀螺仪与加速度计主要用于检测老人的运动状态，包括运动步幅、运动频率、肢体动作等；图像记录仪主要用于监视老人出行时的状态与环境，同时可作为辅助设备检测老人面部表情，以便远程全面了解老人的身体状况。

■1.5 紧急情况报警系统

紧急情况报警系统由通信系统与紧急情况检测系统组成，其中通信系统是助行器与外界联系的媒介，基于5G构建，具有实时、快速、低廉的特点，可根据需求将信息传输给家人、警察或其他在线设备；紧急情况检测系统主要完成紧急情况的辨识，包括老人独自出行时突发疾病、歹徒行凶、交通事故、意外摔倒等，意外情况的检测主要由摄像头、红外传感器完成，且身体检测系统的数据可辅以判断。

■1.6 功能扩展系统

科技发展迅猛，助行器的功能也需要不断更新或增删功能，因而新型助行器具有功能扩展系统，依靠通用接口，如USB等，实现电子部件即插即用，依靠模块化可替换组件实现关键部件的物理替换。

基于潜在的应用需求，为满足行走困难或完全无法行走的老年人的出行需求，区别于传统轮椅，借鉴现代损伤恢复技术，设计辅助行走、代步行走等功能，两个功能的硬件系统有外骨骼动力系统、脑电波接口传输控制系统。

2 新型助行器应用场景

新型助行器功能多样、使用灵活，可实现传统的基本功能，并具备身体状态管理、紧急情况处理及未来潜在功能等，展望其应用场景如下。

■2.1 传统基本功能

新型助行器可实现传统助行器的基本功能，通过高度调节、模块替换等功能，协助各种高度、身体状态的老人在无外人帮助下的自主行走、倚靠休息等；配备滑轮和锁死装置，以满足老人在倾斜路面或上坡、路面不平时的出行需求；设计有电动助力系统，实现体弱老人的自主控制移动或自动移动。

■2.2 身体状态管理

随着人们对身体健康的关注，及穿戴式设备的成熟，身体健康管理逐渐从医学中扩展到人们的日常生活，而老年人也同样具有此需求。身体健康管理通过运动情况统计、运动身体状态统计，实现运动方案生成与身体状态评估，以便于老人合理进行运动规划，促进身体健康。新型助行器具有身体监测系统、运动监测系统等，其中身体监测系统可实现身体状态数据统计，运动监测系统可实现运动情况统计，具体实现如下：

运动状态统计。目的在于实时监测老人所处位置、行进速度、运动频率、动作幅度和运动地形等信息。基于北斗卫星导航定位系统装载芯片完成实时定位及导航功能，基于加速度计和陀螺仪完成老人运动速度及运动状态的检测。硬件检测的数据存储于助行器主板的存储器或在线传输至云端，经数据分析可得老人的运动状态。

身体状态统计。目的在于实时监测老人在出行时的各方面身体状态，在出现异常时及时进行报警、呼救等应急处理。基于准实时自动充压血压检测设备完成血压健康情况检测，基于胸戴试呼吸监测仪器设备完成持续性呼吸监测功能，基于胸戴式心率监测及握柄传感监测设备完成老人心率安全监测及评估功能，基于手柄传感及胸戴式温度检测计设备完成老人体温的持续性测量和评估。此外，基于摄像头检测老人面部状态，如眨眼频率、面部表情等，基于人工智能与事先存储的正常状态比对，检测老人的身体状态；基于脑电波监测设备，实时监测老人脑部状态及注意力集中程度，以辅助判断老人的身体状态。身体状态统计数据储存方案与运动状态统计原理相同。

综合分析一段时间后老人的运动状态与身体状态数据，可对老人的身体运动承受能力进行评估，进行定制化运动规划，并基于语音指导等方式进行运动推荐，以便老人进行身体恢复、身体状态保持，满足老人独特的需求。

■2.3 紧急情况处理

梳理老人独自出行的紧急情况，主要包括身体突发疾病、遭遇抢劫、交通意外事故、突然摔倒等。基于新型助行器的功能模块，各种紧急情况处理方案如下：

在突发疾病情况下，具备紧急呼救能力，通过通信系统将身体状况通报给最近医院，并告知亲属，此外通过自身语音播报系统指导路人施救或阻止路人的错误救助。

在遭遇抢劫、交通意外事故、摔倒情况下，具备应对及时报警呼救能力，基于电子报警及高分贝呼救装备可实现快速报警或向路人求助，此外助行器相机记录的实时状况可成为后续处理的依据。

■2.4 未来功能设想

基于脑机接口实现意念感应控制，配合外骨骼系统的应用，满足行动不便或丧失运动能力老人正常出行。使用时，老人穿戴外骨骼系统实现薄弱位置助力；进一步地，通过脑电波感应器收集老人产生想法时前额的微弱电流，预知老人下一步的行为，将数据传输给外骨骼系统带动老人行走，实现助行功能。

3 结语

针对老龄化社会老人出行的需求，基于现阶段助行器功能单一、智能化程度低的缺点，开展了新型助行器的方案设计，形成了包含机械结构、控制系统、身体监测系统、运动检测系统、紧急情况报警系统及功能扩展系统的设计方案，并对其应用场景开展了展望。新型助行器具有功能多样、智能化程度高、可扩展的优点，可满足现实及未来不同身体状态的老人独自外出时的出行辅助需求，及运动规划、身体状态评估等身体管理需求。本方案的设计可为助行器的升级提供参考，但囿于水平限制，目前的研究仅限于功能探讨，详细的方案设计还需开展进一步的工作，相信未来新型助行器将更好地服务老人出行，提升老人的生活质量。