智能坐便椅式助行器功能优化设计研究

徐含沁　李弘隆　邵彦奇　邵彦廷　魏玲

摘  要：目前市面上的坐便椅式助行器大多较为简易，更新迭代周期较长，在安全性、智能化方面仍存在许多问题。该产品以ESP32开发板结合Arduino编程实现夜间可视功能与体温感应功能，设计中使用GPS卫星定位模块对使用者进行实时定位;实现语音录音、联系人通话功能;紧急报警时可轮流呼叫多位联系人。同时，产品具有遮阳避雨功能，能够方便使用者出行。

关键词：智能;坐便椅式助行器;优化设计;功能

中图分类号：TP212                   文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）20-0178-03

Research on Function Optimization Design of Intelligent Toilet Chair Walking Aid

XU Hanqin， LI Honglong， SHAO Yanqi， SHAO Yanting， WEI Ling

（1.Zhejiang University City College， Hangzhou  310015， China;2.Dalian University of Technology， Dalian  116024， China）

Abstract： At present， most of the toilet chair walking aid on the market are relatively simple and have a long update cycle. There are still many problems in safety and intelligence. This product uses ESP32 development board combined with Arduino programming to realize night visual function and temperature sensing function. GPS satellite positioning module is used in the design for real-time positioning of users. Voice recording and contact call functions are realized; it can call multiple contacts in turn during emergency alarm. At the same time， the product has the function of shading from the sun and rain， which can be convenient for users to travel.

Keywords： intelligent; toilet chair walking aid; optimization design; function

0  引  言

据2019年国家统计局数据显示，我国老年人与残疾人占比逐年升高，家庭结构逐渐缩小的同时，老人独居比例不断增加[1]。相应的护理人员比例小[2]、素质参差不齐[3]、护理市场收费高[4]使得护理质量很难得到有效保障。因此，相关护理辅助设备的功能设计需不断完善。本文针对护理辅助设备——坐便椅式助行器进行相关研究。该产品集如厕与助力行走功能于一体，可协助行动不便的人群在无人照料的情况下实现自行如厕。此外，还可作为助行器帮助使用户者进行有效的康复训练。经文献查阅及用户调研，目前市面上的坐便椅式助行器仅限于用户如厕、助力行走的基本需求，在使用的多功能及安全性方面存在缺陷，发现该产品功能多仅限于如厕和助力行走，更新迭代周期较长，在安全性、智能化方面存在不足，如：使用者发生意外时不能快速报警;夜间使用坐便器不便;作为助行器夜间行走易发生交通事故;缺少遮阳避雨功能等。本文针对该产品存在的问题增加了智能定位、日常通话及紧急报警、夜间可视、体温感应、遮阳避雨等功能，提升产品的功能和实用体验。

本产品的应用领域主要集中于醫疗护理及养老服务业，使用群体主要为术后恢复者及行动不便人群。护理行业方面，世卫组织发布的《2020年世界护理状况报告》显示，全球护理从业人员已达2 790万，但仍面临护士短缺问题，如不采取措施，到2030年，护士人数将比预计需求短缺570万。随着体弱多病、残障人士数量的增加，我国护理人员短缺、护理质量不高现象将愈发突出[5]。养老服务业方面，近十年来，我国老龄化问题愈发严重，家庭护理能力较弱。因此，老年人的护理问题面临严峻的挑战。由于我国老年人和残疾人的占比日趋增长，有关护理辅助设备和生活用具的精细化、人性化要求日益迫切。

经文献搜索，目前有关坐便椅式助行器的论文较少，国内关于护理领域的研究论文也十分缺乏。通过对医生、行动不便人群及其护理人员进行走访调研后我们发现，该产品在使用过程中仍存在诸多不足，无法满足使用者的特殊需求。该产品功能的完善有助于用户的身心健康，能提高其生活自理能力，并维护了使用者的自尊心。只有使用者的生活自理能力得到提高，护理人员的护理压力才能得到相应减轻，进而减轻社会压力。因此，该产品向安全、智能化方向发展是必然趋势。同时，该产品设计的人性化及使用的舒适性也将得到社会的关注。

1  模型

1.1  设计方法及依据

通过调研、试验、对比分析等主要方法解决技术问题和实际应用。数据传输与处理通过ESP32开发板进行。运用芯片处理，对开发板进行编程，通过传感器数据转化为对应需执行的功能。多样便携式供电则通过可充电循环使用的锂电池、电源管理芯片、太阳能发电板配合ESP32芯片完成，实现USB和太阳能充电。

产品通过Arduino或C语言编程，将写好的程序烧录于ESP32开发板，从而实现数据的处理和对硬件的控制。通过WIFI串口将收集到的数据传输到手机。

产品使用到的传感器有光敏传感器、红外传感器。光敏电阻具有环境光的感知功能，输出的电信号配合芯片处理数据，就可以实现环境光不足时补光的功能。通过利用某些绝缘物质会因温度变化引起极化状态改变的热释电效应，可以将人体移动信号转化为电信号，配合芯片进行数据处理，就能控制电机工作，实现人靠近时桶盖自动打开的功能。

产品利用太阳能电池板将太阳能直接转化为电能的光电效应可以实现太阳能充电功能，節能环保。

产品通过北斗、卫星、基站、Wi-Fi、LBS进行精准定位，实时反映至监护人手机。

1.2  智能部分

1.2.1  ESP32开发板

ESP32开发板专为移动设备、可穿戴电子产品和物联网应用而设计，具有业内高水平的低功耗性能，包括精细分辨时钟门控、省电模式和动态电压调整等。它将天线开关、RF balun、功率放大器、接收低噪声放大器、滤波器、电源管理模块等功能集于一体，只需极少的外围器件，便可实现强大的处理性能和可靠的安全性能。

1.2.2  Arduino编程

Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，一则容易掌握，二是同时兼具一定的灵活性。Arduino语言基于wiring语言开发，是对 avr-gcc库的二次封装，无须太多的单片机基础、编程基础。

现摘选部分 Arduino程序源代码为：

#include

#define speeds 200

#define steps 600

#define TurnOff 1200

#define TurnOn 2000

#define Opening 1480

#define Closing 1530

uint t;

uint dark;

enum {opened，closed}door，lit;

Stepper stepper（32，22，25，32，26）;

void setup（） {

Serial.begin（9600）;

stepper.setSpeed（speeds）;

pinMode（16，OUTPUT）;

pinMode（17，OUTPUT）;

door=closed;

lit=closed;

digitalWrite（16，0）;

digitalWrite（17，0）;

……

2  功能实现

2.1  智能定位功能

产品通过北斗、卫星、基站、WIFI、LBS对行动过程中的用户进行精准定位，实时通过APP更新至监护人手机。监护人可用配套APP一键导航到定位器，查看使用者的行动轨迹。当使用者走出设定范围时，APP给予提示。

2.2  日常通话及紧急报警功能

产品具有语音录音功能，支持联系人的双向电话拨打功能。紧急报警时可以轮流呼叫多位联系人。该功能导入通讯功能设备，从安全角度出发，避免用户独自一人出现意外时，保障用户第一时间联系到相关人员。

2.3  夜间可视功能

产品具有夜间自行发光的功能。产品通过Arduino的串口功能，使光敏传感器测得的电压值实时显示在串口监视器界面，以记录数据。将光敏传感器完全密闭，构造完全黑暗的环境，记录测得的电压值。之后将光敏传感器置于室内灯光下，模拟明亮环境，记录测得的电压值。由记录的数据可估计出光敏传感器临界光强对应的电压值约为1876。利用光敏传感器持续接收外界光强信号，当检测到外界光强小于阈值后，芯片发出命令使照明系统开启。开启状态下，光敏传感器继续检测外界光强，当大于阈值时，芯片发出命令以关闭照明系统，从而实现了照明系统的自动开闭，如图1所示。

2.4  体温感应功能

产品具有桶盖自动开合的功能。通过将温度传感器置于常温下，记录测得的电压值。之后用手捏住温度传感器，测得的电压值近似为人体温度。由此估计出温度传感器的临界电压值在1 400到1 500之间。利用温度传感器持续检测座椅上方温度，当有人使用时，传感器将检测到温度升高，到达阈值时芯片判定此时有人正在使用，于是通过步进电机驱动模块来驱动步进电机以给定的速率、给定的步长旋转，带动桶盖打开。当人离开后，温度传感器检测到温度降低，到达一定阈值时芯片判定人已离开，于是驱动步进电机以相同的速率和步长反向旋转，以控制桶盖关闭，从而实现了桶盖的自动打开和关闭，如图2所示。

2.5  遮阳避雨功能

产品具有遮阳避雨的功能。通过在助行器支架上加装可拆卸的晴雨伞。该功能更全面地考虑了用户在户外实际使用过程遇见的环境变化，以便用户在助行过程中，可以切换。

3  实验结果

3.1  模拟环境光线较暗

将光敏传感器直接置于暗处，可以看到开发板上自带的LED灯自动亮起。此时将光敏传感器移至明亮的环境，则可以观察到LED灯自动熄灭，如图3所示。

3.2  模拟使用者靠近坐垫和离开坐垫

用手捏住温度传感器探头，使温度升高，模拟人靠近坐垫的情形。可以观察到步进电机开始旋转，直至指定角度后停止，模拟桶盖自动打开。之后松开手，使温度降低，模拟人离开坐垫的情形，一段时间后可以观察到步进电机反向旋转相同的角度后停止，以模拟桶盖自动闭合，如图4所示。

4  结  论

随着社会的发展，社会对老年人和残疾人员的关爱逐渐增加，从老年人和残疾人员角度而言，则是希望通过自身的自助自立，跟着社会发展的脚步，坐便椅式助行器则是从一定意义上解决了这类人员的行走困难障碍，解脱了家庭照顾的人力困扰。而智能坐便椅式助行器功能优化设计则是在原来助行器的基础上，解决了目前市面上助行器的部分缺陷或不完善之处，更快速更便捷更优化地方便用户使用和体验。

总结起来，智能坐便椅式助行器在安全性、智能化方面进行了创新与改进，增加了智能定位功能、日常通话及紧急报警功能、夜间可视功能、体温感应功能，可提升使用者的生活质量和缓解护理人员的压力，有利于减轻社会压力。当然，即便是智能坐便式助行器，人与人之间的情感和关爱因素是不可替代的，故优化智能坐便式助行器设计是一个方面，另一方面我们积极倡导和呼吁社会、家庭、组织等对这些用户的关心关爱。

参考文献：

[1]何少妮. 老人坐便椅现存问题与优化设计评价分析[J]. 成都纺织高等专科学校学报，2016，33（3）：229-231+218.

[2]李爱仙，杨菁. 坐便椅式助行器的设计与应用[J]. 循证护理，2015，1（2）：94.

[3]黄诗展，余裕浩，杨瀚林，等. 多功能坐便椅的设计[J]. 机械设计与制造工程，2020，49（10）：53-58.

[4]何少妮. 老人坐便椅的优化设计研究[D]. 成都：西南交通大学，2013.

[5]邹正伟，薛菊兰，江小青，等. 经济实用型医用坐便椅的制作与应用[J]. 护理管理杂志，2012，12（11）：834.

作者简介：徐含沁（2001—），女，汉族，浙江宁海人，本科在读，研究方向：会展经济与管理。