基于無線網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)節(jié)智能康復拐杖設(shè)計

鐘鵬程

摘 要：為了提高肢體傷病殘群體使用拐杖的康復效果，提出一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的可根據(jù)康復需求進行調(diào)節(jié)的智能康復拐杖總體設(shè)計方案，詳細設(shè)計了可調(diào)節(jié)智能康復拐杖的本體結(jié)構(gòu)及各模塊的相互關(guān)系，分析了基于無線網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)節(jié)智能康復拐杖的基本原理和使用過程。主控計算機通過無線網(wǎng)絡(luò)收集拐杖中壓力傳感器的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，醫(yī)護人員可以根據(jù)分析結(jié)果，向使用者提出康復建議，或根據(jù)使用者的身體狀態(tài)調(diào)節(jié)拐杖，從而提高使用者的康復效果。

關(guān)鍵詞：智能康復拐杖；無線網(wǎng)絡(luò)；主控計算機；壓力傳感器

中圖分類號：TP311 文獻標志碼：A

0 引言

目前，我國已進入老齡化時代，老年人逐漸增多，老年人的出行安全問題也逐漸提上日程。老年人和肢體傷病殘群體依賴和康復的工具有下肢康復機器人、肢體康復訓練器等，但更常用的是拐杖。許多拐杖要么設(shè)計復雜、價格昂貴且不實用；要么過于簡陋、功能單一，不能根據(jù)使用者身體情況的變化進行調(diào)整，也不易通過拐杖來間接反應(yīng)使用者的身體情況；現(xiàn)有的各種調(diào)節(jié)功能的拐杖往往只能根據(jù)使用者的需要來調(diào)節(jié)，沒有科學依據(jù)，不能較好地適應(yīng)使用者的身體狀況。該文針對老年人和肢體傷病殘群體設(shè)計了一種根據(jù)使用過程中拐杖的受力情況確定使用者存在的問題，并提出康復建議的拐杖。

1 基于無線網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)節(jié)智能康復拐杖總體方案

該文利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)節(jié)智能康復拐杖的總體方案，如圖1所示，主要包括主控計算機和康復拐杖，并通過無線網(wǎng)絡(luò)連接起來進行數(shù)據(jù)傳輸。通過無線網(wǎng)絡(luò)，主控計算機主要負責收集拐杖在使用過程中產(chǎn)生的壓力數(shù)據(jù)等信息，并進行數(shù)據(jù)整理和病情分析，根據(jù)分析結(jié)果，給出康復建議和采取的措施等。康復拐杖主要包括結(jié)構(gòu)本體、壓力模塊、定位模塊、無線網(wǎng)絡(luò)模塊和控制模塊等，控制模塊定時采集壓力模塊產(chǎn)生的壓力信息，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將壓力信息和位置信息等傳送給主控計算機。智能康復拐杖根據(jù)康復建議進行調(diào)整以適應(yīng)使用者的身體情況，并反映使用者對拐杖的依賴程度，為使用者的康復過程提供決策依據(jù)。

2 智能康復拐杖結(jié)構(gòu)設(shè)計

該文設(shè)計的智能康復拐杖的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。智能康復拐杖包括把手、主桿和輔桿，把手和多個輔桿分別固定連接于主桿的兩端，輔桿與主桿通過輔桿調(diào)節(jié)裝置相連。輔桿調(diào)節(jié)裝置主要由連桿、滑套、上定位塊、下定位塊和套筒組成，上定位塊、下定位塊分別與主桿可拆卸連接，上定位塊與輔桿、輔桿與連桿、連桿與滑套分別采用鉸鏈連接，輔桿的上端連接在上定位塊上，其下端安裝有壓力傳感器，連桿一端連接在輔桿上，另一端連接在滑套上，套筒套在主桿上，套筒上端與上定位塊接觸，套筒下端與滑套接觸，滑套安裝在主桿上并由下定位塊固定。主桿上還裝有無線網(wǎng)絡(luò)模塊、GPS定位模塊和控制模塊，壓力傳感器、定位模塊通過傳輸線與控制模塊相連接，主桿還內(nèi)置有為各模塊供電的可充電電池。

3 工作原理

在使用智能康復拐杖時，使用者所需的支撐力主要通過拐杖的主桿獲得，并通過壓力傳感器實時測得，可調(diào)節(jié)智能康復拐杖的工作原理如圖3所示。當使用者的身體出現(xiàn)某種問題時，拐杖的主桿會發(fā)生傾斜，拐杖傾斜一側(cè)的輔桿所承受的力就會增大，另一側(cè)的輔桿所承受的力就會減少，并通過壓力傳感器實時測量。所測得數(shù)據(jù)通過傳輸線傳送到控制裝置，控制裝置將壓力傳感器所測數(shù)據(jù)進行處理并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街骺赜嬎銠C，同時將定位信息和數(shù)據(jù)也一并傳送。

醫(yī)護人員通過計算機終端對拐杖的主桿和各個輔桿所受的力進行分析，如果主桿所受的力越大，說明使用者對拐杖的依賴程度越大，各輔桿的壓力分布是否均勻和壓力的大小可判定使用者的康復情況。如果某個輔桿所受的力大于另一側(cè)的輔桿所受的力，說明使用者不能控制拐杖主桿與地面垂直，存在側(cè)滑的風險，此時需要調(diào)節(jié)拐杖的主桿和輔桿之間的夾角和拐杖的高度。微調(diào)主桿和輔桿之間的夾角可通過更換不同規(guī)格的套筒來實現(xiàn)，調(diào)節(jié)拐杖高度可通過更換不同規(guī)格的把手來實現(xiàn)。當拐杖主桿的受力較小，而且各輔桿的受力較均勻，使用者就可以逐漸減少拐杖的使用次數(shù)，直到擺脫拐杖。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

智能康復拐杖控制系統(tǒng)主要包括主控制器、壓力傳感器、定位模塊、無線網(wǎng)絡(luò)模塊、LCD顯示控制和主控計算機等，如圖4所示。主控制器定期收集壓力傳感器和GPS定位模塊的信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)模塊傳送到主控計算機。

該文針對基于無線網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)節(jié)智能康復拐杖的輸入輸出控制要求，選用STM32F103C8T6單片機作為控制模塊的主控制器。主控制器電路主要由系統(tǒng)時鐘電路、實時時鐘電路、JTAG調(diào)試接口電路、復位電路和啟動模式選擇電路組成。

該文在Keil 4下編寫了相應(yīng)的控制程序，基于VS2016開發(fā)了主控程序，主控程序通過Wi-Fi與智能康復拐杖的控制模塊進行信息傳遞。通過軟件調(diào)試，實現(xiàn)了主控計算機通過無線網(wǎng)絡(luò)收集拐杖中壓力傳感器的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過主控計算機數(shù)據(jù)分析，醫(yī)護人員可以根據(jù)分析結(jié)果，為使用者提出康復建議，或根據(jù)使用者的身體狀態(tài)調(diào)節(jié)拐杖，指導使用者更好地使用智能康復拐杖加快了使用者的康復速度。

5 結(jié)語

相比現(xiàn)有技術(shù)，該文設(shè)計的基于無線網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)節(jié)智能康復拐杖，可以通過測量主桿和輔桿下端的壓力傳感器所受壓力的大小，經(jīng)過主控計算機的分析可以判斷使用者對拐杖的依賴程度，提出合理使用智能康復拐杖等康復建議，通過輔桿調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)主桿與輔桿之間的夾角、更換不同規(guī)格的把手以適應(yīng)不同使用者的康復需要，最終加快康復速度，取得令人滿意的效果。

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