基于物联网的360°可移动智能养老保健椅的研究设计

李燕玉 黄少敏

福建电力职业技术学院 福建 泉州 362000

作为现代社会的一种生活主张，养老保健椅是21世纪朝阳产品。为满足老年人对舒适环境的需要和对健康养老生活方式的追求，本项目积极打破传统保健按摩椅体积硕大、难以移动的痛点，研究设计出具备全方位麦克纳姆轮移动装置、自动摇椅、可升降靠背、按摩装置、语音交互系统、心率检测功能和血氧计算等多种功能的养老保健椅，来解决当前社会老年人面对的健康养老问题。

一、产品结构

基于物联网的360°可移动智能养老保健椅是由全方位移动装置、自动摇椅、可升降靠背、按摩装置、语音交互系统、心率检测功能和血氧计算等多种功能集于一体的自动化按摩椅，按摩椅整体由机械部分和控制系统两大部分组成。

(一)机械部分

1.总体构架。本保健椅总体设计参考人机工程学原理设计，人类的最佳坐姿是135度的坐姿，以能保持其脊椎形状，减轻脊椎压力；在没有调整按摩椅角度时，按摩椅以135度的角度去贴合人的脊柱，以减轻脊柱压力；右手扶手侧安置有相关控制面板、控制手柄等。底部转向部分采用麦克纳姆轮，可接收精度更高的转向、前进后退命令。

2.底盘机构。底盘采用麦克纳姆轮，麦克纳姆轮是种可全方位移动的特殊轮子，这种全方位移动方式是基于一个有许多位于机轮周边的轮轴的中心轮的原理上，这些成角度的周边轮轴把一部分的机轮转向力转化到一个机轮法向力上面。依靠各自机轮的方向和速度，这些力的最终合成在任何要求的方向上产生一个合力矢量从而保证了这个平台在最终的合力矢量的方向上能自由地移动，而不改变机轮自身的方向。在它的轮缘上斜向分布着许多小滚子，故轮子可以横向滑移。麦克纳姆轮结构紧凑，运动灵活，是很成功的一种全方位轮。有4个这种新型轮子进行组合，可以更灵活方便的实现全方位移动功能。

3.摇摆机构。采用的摇椅轨道为齿轮式轨道结构，采用数控铣床加工，在轨道下方安放同步带，在轴上安装同步带轮与之配合，其优点在于齿轮之间相互咬合，结构紧密，在齿轮移动的过程中既可以防滑，又可以带动按摩椅呈弧形移动。

4.腿部升降和靠背升降装置。采用电动伸缩杆来控制靠背/腿部的升降高度，电动伸缩杆可以精确控制靠背/腿部的高度，升降过程中平稳轻缓，使用方便，安全可靠。在需要时可整体伸展到180°满足日常生活休息的需求。

在连接处采用特殊设计合页，可以使其的连接处灵活转动，也拥有较高的安全性能，以免对人体的伤害。

5.按摩机构。整体按摩机构采用新型仿生手法，深究中医穴位知识，对头部、腰部等多个部位进行深度的、全方位的按摩。

头部按摩由5个按摩转盘组成，中部按摩转盘附着3个指压突出物，四周按摩转盘以弧度圆形设计。下部两个按摩装置对头部风池穴，风府穴，天柱穴等穴位进行按摩，可以清窍明目，通脑活络有效缓解疲劳和疲劳带来的头疼等症状，上部和中部按摩装置对头皮进行按摩，能刺激头皮上的毛细血管，使它们扩张交粗，血液循环旺盛，供给大脑组织更多的养料和氧气。

(二)控制系统部分

1.程序构架

2.主控芯片。采用的芯片为STM32F4，STM32F4 是由 ST(意法半导体)开发的一种高性能微控制器。此芯片计算能力强，提升了计算能力，可以进行一些复杂的计算和控制。采用此芯片可以对按摩椅产生更好的智能控制效果，不会出现数据卡死等状况，并且此核心板功耗低，用电量少，使用此核心板可以大大延长按摩椅的使用时间，增强续航能力。

3.移动控制系统。保健椅需要载人运行，对于电机的要求较高，经过计算分析和各种型号电机对比发现，底盘采用M3508 P19直流无刷减速电机为最优方案。M3508直流无刷减速电机是专为中小型移动平台和保健椅等量身打造的高性能伺服电机，可搭配C620 电调实现正弦驱动，相比传统方波驱动具有更高的效率、机动性和稳定性。可以通过程序控制它改变速度以及可以精准的控制按摩椅的移动距离，因此使用此电机可以使按摩椅拥有多种速度模式和自动定位移动模式。

4.语音识别系统。语音芯片主要功能为：(1)具备 USB 接口，TF 卡读取 U 盘功能，直接修改数据。(2)具备支持最大 256G mini TF 卡。(3)可实现人机对话，播放 MP3 功能，播放歌曲，播放对话。

可以利用互联网端口对接的API语音识别系统实现人和保健椅系统的交互，实现一些基本功能的控制，例如：说“向前”，“左转”，“右转”，“停止”，椅便会向前走，左转，右转，停止；说“我想听音乐”，系统便会询问并播放音乐。还可以与老人进行一些简单的对话，同时还利用该模块实现了一种报警功能。

5.心率监控系统。心率监控系统是通过MAX30100来实现心率数据的采集，MAX30100是-款集成有脉搏血氧仪和心率监测传感器的模块。可检测脉搏血氧及心率信号。可通过软件来关断电源，待机模式下的电流消耗量可忽略不计，因而可以始终保持电源连接。我们通过程序控制此模块将数据传输到我们的显示屏上并且可通过语音模块进行不正常时的心率报警。

6.四维摇杆控制系统。四维摇杆控制系统通过四维摇杆电位器实现控制，我们结合摇杆的输出特性通过芯片与电机结合可以通过控制摇杆的幅度和旋转方向来控制电机的速度和移动方向控制精准且灵活，给人以舒适的体验。

7.按摩控制系统。按摩系统由涡轮蜗杆减速直流电机和震动电机一起驱动组成，我们将两种电机与直流驱动模块相连接，再将此模块与单片机相连接，通过程序发送pwm波给直流驱动来电机的转速和震动频率，以达到使用者在不同的身体状体下的按摩舒适程度。

8.环境监控系统。环境监控系统由位于按摩椅后部的摄像头和触摸液晶屏组成。

通过单片机程序读取摄像头模块采集图像后方并在液晶屏上显示，方便使用者实时了解后方情况。可以通过触摸屏幕控制车的移动和按摩系统的启动和模式选择。

二、产品的创意

本产品创意体现在以下四方面：1.辅助移动；2、仿人工按摩系统；3.语音交互系统；4.靠背智能调节系统。

1.辅助移动。四维摇杆可以360°无死角的转动，内部装有电位器，在移动四维摇杆的时候，电位器的电阻值也在发生变化，在连接上电源后，阻值的变化可以转变成电压值得变化，通过信号线把电压值发送给芯片，经过程序处理后，可以使按摩椅地盘电机根据遥感的倾斜幅度大小和方向来改变按摩椅的移动速度和方向，比起按钮遥控，四维遥感控制可以使按摩椅移动更加灵活简单，给客户更舒适愉悦的体验。

2.仿人工按摩系统。该按摩装置实现了仿人工按摩手法，可以精准的对人体的穴位进行按摩，该按摩装置可以实现从人体头部、背部、臀部以及腿部进行全身按摩。经常使用按摩装置可以增强人体免疫力、促进血液循环、消除身体疲劳感以及腰腿疼痛等不适症状、调理肠胃功能改善消化不良、提高睡眠质量使人精神更加饱满。

3.语音交互系统。在人肢体被占用时，或者不方便进行手动控制时，可以采用语音交互系统进行控制根据使用者的语音命令进行音乐播放、讲故事等功能。控制方式如下：1.语音指令激活2.根据不同的语音指令控制语音模块发送对应的数据给芯片3.根据语音模块发出的数据来控制各种装置的启动与关闭。

4.智能调节系统。靠背智能调节系统可根据不同的位置进行按摩，根据人体所需按摩部位进行靠背的智能调节，调节到一定的角度时，既可以当按摩椅又可以当按摩床，实现按摩椅的双重利用，可以分别控制两个伸缩杆进行调节，根据使用者的需求自行调节，已达到使用者一个最佳舒适的按摩位置。

三、产品的市场前景

由于社会经济的发展，人口老龄化的压力的增加，老年人们对健康的关注越来越广泛，对按摩器具的需求也越来越高。养老保健椅以其显著的功能得到广大消费者的喜爱，养老保健椅市场存在巨大的商业潜力，许多企业已经把目光投放在了这块诱人的蛋糕上。

据统计，随着全球经济复苏以及新兴经济体的快速发展，全球家庭座椅市场容量将按12%的增长率增长，预计2022年世界家庭座椅市场容量将达到224亿美元。

我国是养老保健椅的生产大国，却不是消费大国。但随着我国经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，养老保健椅的市场发展潜力巨大。根据统计，我国18到50岁人群对休闲康体相关产品和服务有需求的消费者人数已超过4亿，中国已成为世界上最大的休闲康体市场。中国的休闲康体产业得到了蓬勃发展，而休闲康体市场作为朝阳产业更是被越来越多的投资者所看好。