基于无线网络的可调节智能康复拐杖设计

钟鹏程

摘 要：为了提高肢体伤病残群体使用拐杖的康复效果，提出一种基于无线网络的可根据康复需求进行调节的智能康复拐杖总体设计方案，详细设计了可调节智能康复拐杖的本体结构及各模块的相互关系，分析了基于无线网络的可调节智能康复拐杖的基本原理和使用过程。主控计算机通过无线网络收集拐杖中压力传感器的相关数据，经过数据分析，医护人员可以根据分析结果，向使用者提出康复建议，或根据使用者的身体状态调节拐杖，从而提高使用者的康复效果。

关键词：智能康复拐杖；无线网络；主控计算机；压力传感器

中图分类号：TP311 文献标志码：A

0 引言

目前，我国已进入老龄化时代，老年人逐渐增多，老年人的出行安全问题也逐渐提上日程。老年人和肢体伤病残群体依赖和康复的工具有下肢康复机器人、肢体康复训练器等，但更常用的是拐杖。许多拐杖要么设计复杂、价格昂贵且不实用；要么过于简陋、功能单一，不能根据使用者身体情况的变化进行调整，也不易通过拐杖来间接反应使用者的身体情况；现有的各种调节功能的拐杖往往只能根据使用者的需要来调节，没有科学依据，不能较好地适应使用者的身体状况。该文针对老年人和肢体伤病残群体设计了一种根据使用过程中拐杖的受力情况确定使用者存在的问题，并提出康复建议的拐杖。

1 基于无线网络的可调节智能康复拐杖总体方案

该文利用无线网络技术，提出一种基于无线网络的可调节智能康复拐杖的总体方案，如图1所示，主要包括主控计算机和康复拐杖，并通过无线网络连接起来进行数据传输。通过无线网络，主控计算机主要负责收集拐杖在使用过程中产生的压力数据等信息，并进行数据整理和病情分析，根据分析结果，给出康复建议和采取的措施等。康复拐杖主要包括结构本体、压力模块、定位模块、无线网络模块和控制模块等，控制模块定时采集压力模块产生的压力信息，并通过无线网络将压力信息和位置信息等传送给主控计算机。智能康复拐杖根据康复建议进行调整以适应使用者的身体情况，并反映使用者对拐杖的依赖程度，为使用者的康复过程提供决策依据。

2 智能康复拐杖结构设计

该文设计的智能康复拐杖的结构简图如图2所示。智能康复拐杖包括把手、主杆和辅杆，把手和多个辅杆分别固定连接于主杆的两端，辅杆与主杆通过辅杆调节装置相连。辅杆调节装置主要由连杆、滑套、上定位块、下定位块和套筒组成，上定位块、下定位块分别与主杆可拆卸连接，上定位块与辅杆、辅杆与连杆、连杆与滑套分别采用铰链连接，辅杆的上端连接在上定位块上，其下端安装有压力传感器，连杆一端连接在辅杆上，另一端连接在滑套上，套筒套在主杆上，套筒上端与上定位块接触，套筒下端与滑套接触，滑套安装在主杆上并由下定位块固定。主杆上还装有无线网络模块、GPS定位模块和控制模块，压力传感器、定位模块通过传输线与控制模块相连接，主杆还内置有为各模块供电的可充电电池。

3 工作原理

在使用智能康复拐杖时，使用者所需的支撑力主要通过拐杖的主杆获得，并通过压力传感器实时测得，可调节智能康复拐杖的工作原理如图3所示。当使用者的身体出现某种问题时，拐杖的主杆会发生倾斜，拐杖倾斜一侧的辅杆所承受的力就会增大，另一侧的辅杆所承受的力就会减少，并通过压力传感器实时测量。所测得数据通过传输线传送到控制装置，控制装置将压力传感器所测数据进行处理并通过无线网络传输到主控计算机，同时将定位信息和数据也一并传送。

医护人员通过计算机终端对拐杖的主杆和各个辅杆所受的力进行分析，如果主杆所受的力越大，说明使用者对拐杖的依赖程度越大，各辅杆的压力分布是否均匀和压力的大小可判定使用者的康复情况。如果某个辅杆所受的力大于另一侧的辅杆所受的力，说明使用者不能控制拐杖主杆与地面垂直，存在侧滑的风险，此时需要调节拐杖的主杆和辅杆之间的夹角和拐杖的高度。微调主杆和辅杆之间的夹角可通过更换不同规格的套筒来实现，调节拐杖高度可通过更换不同规格的把手来实现。当拐杖主杆的受力较小，而且各辅杆的受力较均匀，使用者就可以逐渐减少拐杖的使用次数，直到摆脱拐杖。

4 控制系统设计

智能康复拐杖控制系统主要包括主控制器、压力传感器、定位模块、无线网络模块、LCD显示控制和主控计算机等，如图4所示。主控制器定期收集压力传感器和GPS定位模块的信息，通过无线网络模块传送到主控计算机。

该文针对基于无线网络的可调节智能康复拐杖的输入输出控制要求，选用STM32F103C8T6单片机作为控制模块的主控制器。主控制器电路主要由系统时钟电路、实时时钟电路、JTAG调试接口电路、复位电路和启动模式选择电路组成。

该文在Keil 4下编写了相应的控制程序，基于VS2016开发了主控程序，主控程序通过Wi-Fi与智能康复拐杖的控制模块进行信息传递。通过软件调试，实现了主控计算机通过无线网络收集拐杖中压力传感器的相关数据，经过主控计算机数据分析，医护人员可以根据分析结果，为使用者提出康复建议，或根据使用者的身体状态调节拐杖，指导使用者更好地使用智能康复拐杖加快了使用者的康复速度。

5 结语

相比现有技术，该文设计的基于无线网络的可调节智能康复拐杖，可以通过测量主杆和辅杆下端的压力传感器所受压力的大小，经过主控计算机的分析可以判断使用者对拐杖的依赖程度，提出合理使用智能康复拐杖等康复建议，通过辅杆调节装置调节主杆与辅杆之间的夹角、更换不同规格的把手以适应不同使用者的康复需要，最终加快康复速度，取得令人满意的效果。

参考文献

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