改进的照明式步行辅助装置的制作方法

本发明总体上涉及用于帮助个人步行的装置，且更特别地涉及这样的装置，其在装置的紧邻区域中提供一般照明，并且还提供可以由用户为了各种目的例如用信号通知其他人、找到想要的物品以及帮助用户在黑暗中找到该装置而激活的附加照明。

现有技术的描述

现有技术公开了许多设备，其中具有自包含的照明装置，照明装置或者用于帮助人看得更清楚，或者用作向其他人指明用户的位置的信号灯或诸如此类。光源被合并到设备的细长轴内或者以投射光的方式被附着到设备，用于由用户使用。

现有技术中最相关的是申请人的已发布的美国专利6,394,116，其公开了以棍的形式的照明式步行辅助装置，该棍具有在其下部中的光管，该光管在装置的紧邻区域中提供漫射照明，且同时提供在相当长的距离内是可见的以警告或发信号通知其他人但基本上对用户来说不是过度可见的亮光。

2000年11月14日提交的Filippino的美国专利号6,145,993公开了用光源、电池、开关和导线形成的由硬透明或半透明丙烯酸材料制成的集成单元，该集成单元可以或者通过结或者通过滑动装置附着到手杖，以用于用信号向其他人通知视障用户的需求。

1998年9月22日提交的Yung的美国专利号5,810,466公开了一种步行手杖，其具有向前投射光以照亮用户的行进路径的在手柄中的手电筒和用于在手杖的区域周围的一般照明的在棍中的细长的充有气体的管式灯。

1996年11月26日提交的Leffingwell等人的美国专利号5,577,827是具有警报器和发亮端的手杖设备。

1994年7月26日提交的Hall等人的美国专利号5,331,990是还连接到电话报警系统的安全手杖设备。在手杖的杆中的发亮窗口有助于用户的视力。

1994年10月4日提交的Hunnicutt,Jr等人的美国专利号5,351,704提供了具有主体和由透明橡胶材料组成的接地末端(ground tip)的发亮步行手杖，接地末端带有反射装置以在特定方向上提供光。照明装置和电路安放在手杖的不同部分中。

1993年3月30日提交的Ragatz的美国专利号5,197,501是安放两个光源和警报器的发亮手杖。开关和电池与灯单元分开地被安放。在Ragatz的发明的传统不透明接地末端部分中的灯被定位成沿着杆纵向地引导反射光。

1986年1月7日提交的Earley等人的美国专利号4,562,850将开关安放在手柄中，而照明装置在手杖的底部附近。

1986年12月2日提交的Phillips的美国专利号4,625,742是一种手杖，其用于照亮用户的走道以及用于使其他人看到用户的信号灯。发光端部(接地末端)是半透明或透明的。光源和电池与开关分开地被安放。

1978年7月11日提交的Hubachek的美国专利号4,099,535是白天或夜晚可见的针对盲人的步行手杖；在接地末端上方的手杖杆的一部分具有用于光的发射的窗口。磨损的末端或地面接合构件由传统的不透明材料制成。开关在手柄中。

1976年10月26日提交的Varnell的美国专利号3,987,807具有由手柄中的开关操作的在手杖的末端的端部处的灯。它的目的是允许用户在黑暗的角落和周围区域中看见。

1949年6月27日提交的Caustin的美国专利号2,642,519允许汽车驾驶人和车辆的驾驶员能够看到并识别用户的痛苦。光穿过杆长度行进。接地末端由阻挡来自杆的端部的光的材料制成。

1940年6月8日提交的Giaimo的美国专利号2,271,190用于照亮手杖将被放置于的区域。

Sargent的美国专利号4,013,881公开了闪光灯装置由用户通过开关控制以及穿过杆的直射光束也由安放在手柄区段中的用于指尖操作的开关控制。

Bolen的美国专利号4,062,371公开了用于由盲人使用的步行手杖，其包括通过操作控制开关而通电的灯和产生电流以给存储在手杖的中空内部部分内的电池再充电的太阳能电池。

Hae等人的美国专利号5,582,196公开了具有中空手柄的多用途手杖，该手柄限定用于保存个人附件的储存室，并保持由开关控制以产生用于照明和/或警告的光的灯和电池组件。

Pasch等人的美国专利号5,595,434公开了用于附着到手柄构件或手电筒的灯罩的手电筒棒附件。

Yang的美国专利号6,267,481公开了伞的照明组件，其具有透明管状构件，透明管状构件包括在可拆卸地安装到管状构件的套筒内接纳的LED，使得来自LED的照明从透明管状构件向外反射以增加使用伞的安全性。

尽管所公开的现有技术设备为了所预期的目的而起作用，但是仍然需要不仅提供照明以帮助用户的照明式步行辅助装置、用于用信号通知或警告目的的明亮的信标型灯，而且还需要提供额外的灯装置以帮助用户的照明式步行辅助装置。

发明概述

照明式步行辅助装置包括：细长棍，其在一端处具有手柄和在另一端处具有地面接合末端，并且所述棍包括光管，光管具有相邻于末端部分而布置的漫射区段并且具有布置在其中的高强度发光构件以在用户的脚周围产生光；电能源，其通过控制电路被耦合以使发光构件通电；耦合到控制电路的运动传感器构件，其当装置在使用中时自动打开发光构件；以及在控制电路中的超时构件，其当装置在预定时间段内处于静止时自动关闭发光构件；以及耦合到控制电路的环境光检测器，其当环境光足以使用户在没有光辅助的情况下步行时阻止发光构件打开。

附图简述

图1是根据本发明原理构造的步行辅助装置的示意表示；

图2是图1所示的装置的下部的不完整视图，其示出光管和LED照明构件；

图3是布置在如图2所示的装置的下部中的LED阵列的俯视图；

图4是示出如图1所示的装置的模拟控制电路的示意图；以及

图5是用于控制如图1所示的装置的发光构件的数字电路的示意图。

优选实施例的详细描述

本发明的步行辅助装置可以采取许多形式，例如由徒步旅行者或徒步者使用的手杖，并且可以用于各种目的，然而为了容易说明，下面的描述使用步行手杖作为合并本发明的特定装置而被呈现，然而，这样的描述不应被视为关于权利要求的范围的限制。本发明的照明式装置提供足够的照明以在夜间或减少的光情况期间照亮手杖用户的路径，并且还包括由用户控制的开关可激活的附加光源以用各种方式帮助用户。例如，提供了指示灯，其总是被保持在点亮状态中以帮助用户找到该装置，尤其是在夜间。还提供了由用户激活的开关所控制的附加高强度LED以提供用于阅读、找到钥匙孔、照亮菜单或在黑暗的剧院中找到座位或诸如此类的附加光。由用户可激活的附加开关还将使在装置的末端处的主照明LED闪烁，以从而警告其他人手杖的用户的存在或者引起注意，例如向出租车打招呼或诸如此类。除了帮助用户之外，还提供了当手杖在实际使用中时自动点亮在手杖的末端处的主LED的运动传感器，并且还提供了环境光传感器，当有足够的光用于使用户在没有照明帮助的情况下利用手杖时，环境光传感器阻止手杖使主LED灯被激活。

现在参考附图且更特别地参考图1，在10处大体示出了根据本发明的原理构造的照明式手杖的示意图。本发明可以作为伞、徒步旅行棒或其他类似装置的一部分被合并。手杖10包括细长棍12，其具有在其一端处的地面接合末端14和在其另一端处的手柄16。地面接合末端也可以是提供独立式手杖的功能的三脚架或大底座。细长棍12包括相邻于末端部分14而布置的光管18。光管18包括磨砂或漫射区段和透明或抛光区段。在红色透明或半透明塑料29的滑动管上的红色过滤器被提供用于可选的夜间使用。红光为在一般卧室环境中导航提供足够的照明，同时减少由白光对众所周知的REM睡眠周期中断的现象的影响。已知红光明显减少这个中断影响。手杖的细长棍12是中空的，并且在其中在内部接纳电池20。手杖也如用户可能需要的可调节到不同的高度。如本领域中的技术人员充分认识到的，这样的调节是通过利用多个制动孔22和制动球24。被包含在装置内的主照明构件是高强度LED 26，其由适当的接线28连接到在电路板30内包含的控制电路，电路板30布置在手柄16的内部。如将在下面更全面地描述的，电路板包括控制电路和USB端口32。如本领域中的技术人员所公知的，手柄16包括泡沫把手34。尽管手柄被示为垂直于细长棍12的纵轴布置，但是本领域中的技术人员将理解，棍可以是连续的直棍，手柄布置在其端部处。然而，根据本发明的优选实施例，利用如图1所示的垂直于细长棍布置的手柄。对于此的主要原因是使用户能够容易地接近布置在细长棍上的各种控制开关。

如布置在细长棍上的开关包括接通开关36。该开关是接通开关，其激活定时器，打开灯，在时间耗尽之后，除非开关保持在接通位置否则灯熄灭。当松开时，在定时器停止之后，灯熄灭。开关38被包括来控制阅读灯40的照明。还公开了开关42，其当被用户激活时将使LED 26闪烁，以便引起注意或警告其他人手杖的用户的存在。也布置在手杖上的是环境光传感器44。环境光传感器的目的是当有足够的环境光使用户能够在不需要照明的情况下使用手杖时防止高强度LED 26的照明。接通开关36优先于光传感器、运动传感器和闪烁功能。还提供了指示灯41，其总是亮着以帮助用户找到手杖。

电路板包含将在下面更全面地描述的运动传感器，其当手杖在使用中时将自动点亮高强度LED 26，并且电路板还包括超时装置，使得当手杖不再处于运动中时，高强度LED 26将在预定时间段之后被自动熄灭。

如本领域中的技术人员将很好地理解的，带状电线被布置成与各种开关和各种灯以及在电路板上包含的控制电路以及电池接触，以提供对控制电路和对开关以及对如用户期望的被激活的各种灯的适当访问。

现在更特别地参考图2，额外详细地公开了光管组件。如在其中所示的，光管包括埋头孔46，接线28通过埋头孔46延伸到LED阵列26。光管18的下部48可以是漫射的以提供漫射照明用于由用户使用，且同时还可以具有透明区段，使得亮光将从区段48发出以警告其他人用户的存在，或者当高强度LED闪烁时发射高强度LED以警告其他人或向出租车打招呼或诸如此类。

根据本发明的优选实施例，LED阵列包括如图3所示的四个LED芯片50、52、54和56，其安装在布置在光管18的内部的基板58上。LED芯片50至56具有到其的如由引线60和62所示的适当电连接，以将电能从电池20提供到LED以激活它们，以使高强度光从LED 26发出。

现在更特别地参考图4，其示出了模拟电路的示意图，该模拟电路用于控制在手杖的末端处的高强度LED 26。下文将是电路操作的方式的描述。电池B1向电路中的各种部件提供电能。在主开关36(SW-2)处于所示位置的黑暗房间中，由于电阻器R7将Q2的基极保持为正而光敏电阻器LDR-1接近于无穷大电阻，场效应晶体管Q2在导通状态中。当运动开关SW-1由于手杖的运动而暂时闭合时，正电压通过电阻器R1被施加，使得电阻器R3将电容器C1充电到通过开关SW-4A施加的电压，该电压使场效应晶体管Q1导通，因而完成使电流流过Q1、Q2、R2和主LED阵列26的电路，主LED阵列26在图中被示为LED-3。这也将使二极管D-3和D-4正向偏置。电阻器R3与电容器C1并联，并在预定的时间段内使电容器C1缓慢地朝着地放电，此时主灯缓慢变暗，且然后熄灭。典型的超时时段可以是大约15到30秒或者如可能需要的其他方便的时间。如果手杖在超时时段期间感测到任何进一步的运动，它将电容器C1再充电回到电源电压，因而只要手杖在运动中就保持主LED-3开着。一旦手杖被置于静止，在超时时段到期之后灯将自动熄灭。如果有足够的光用于使用户安全地使用手杖，自动开启功能在手杖被移动时将不运行，因而节省电池功率。当环境光落到某个水平之下时，自动开启功能被启用。LDR-1是光敏电阻器，其当环境光增加时减小它的电阻，使场效应晶体管Q2的基极连接到地，因而阻止场效应晶体管Q2传导电流。这中断流经Q1、R3和LED-3的电流。当有足够的环境光时，光敏电阻器的电阻减小，使Q1的栅极变低，因而甚至在有来自运动检测开关的输入的情况下也阻止Q1导通。

如果用户需要手动地开启高强度LED 26(LED-3)，这利用将场效应晶体管Q1的栅极直接连接到正电压总线的按钮开关36(开关-4A)来实现。Q2的栅极由电阻器LDR-1和到正总线Vcc的连接保持为正。通过向场效应晶体管Q1和Q2的栅极都施加电压，来自任何其他源的任何其他输入信号都没有影响。当用户想要使用主手杖灯来阅读菜单或节目单、在床下搜索、找到在活动时的座位位置、朝壁橱里看或其他用途时，该功能是有用的。当开关被松开时，灯或者在黑暗房间中的超时时段之后熄灭或者立即在有灯光的房间中熄灭。

用户也可以使用主灯作为紧急或引人注意的闪光灯。通过将闪光开关42(SW-4B)操作到备用位置来激活内置功能。它是推进/推出交替动作开关，其不需要用户按住它。该操作由LDR-2和LED-4完成。当开关被操作时，Q1的栅极从它的正常连接移动到LDR-2和LED-4的接合点。当开关被操作时，Q1的栅极从它的正常连接移动到LDR-2和R6的接合点。该开关还经由R4连接闪烁的LED-4，使它反复地闪烁。大约每秒六次的速率可能是典型的。它光学地耦合到光敏电阻器LDR-2。当闪光灯开启时，LDR-2的电阻下降到非常低的值，使Q1的栅极的电压上升。这导致主LED 26(LED-3)与闪烁的LED同步地点亮。当闪光灯关闭时，电阻上升，因而减少流到Q1的栅极的电流。R6通过使电路板上的所分布的电容放电来确保栅极在闪烁之间被保持在公共电位附近。用户必须再次操作开关42以停止闪烁并使系统返回到正常操作条件。为了两个原因而采用这个定时方法：1)它不需要使用更昂贵的有源开关设备，以及2)它不引起任何FCC许可或标记要求。可选地，电子多谐振荡器可以用于向Q1和Q2的栅极发送开启/关闭信号，并且可以由本领域中的任何技术人员实现。

指示灯41(LED-1)通过电阻器R5连接在正电压总线和地之间，且因此总是开着的，只要电池被充电。指示灯的功能是帮助用户在黑暗房间中找到手杖。操作电流是额定的1.5毫安。它将不使电池放电，除非手杖在相当长的时间段例如三到五个月内不被使用。

阅读灯40(LED-2)如图1所示位于手杖的头端部附近，且因此给用户提供方便的光源用于找出门钥匙的位置、阅读菜单、地图、在活动时的节目单，或者是便于使用的床边光源。它用瞬时按钮开关38(SW-3)来操作，迫使电流通过电阻器R6和LED-2。

电池20使用工业供应的充电器64被充电，充电器64在容器豆荚(container pod)的内部。充电器从位于手杖的手柄上的工业标准5伏USB端口32得到它的电压。因此，可以经由手机充电器、计算机端口或从独立的USB电源得到电压。

现在参考图5，光传感器由施密特触发器U1A、R111、C1以及光敏电阻器(LDR)和R18组成，后两者位于开关模块中。该电路充当具有迟滞的阈值电压检测器。远程光敏电阻器LDR、R18(开关模块)和R111形成分压器网络。LDR在黑暗中展示非常高的电阻，且在亮的条件中在电阻方面降低。灵敏度调节由R18提供，R18作为与LDR串联的可变电阻器被连接，返回到在下文中被称为地的电路公共端。如果LDR和R18的组合的电阻高于R111，则U1A的输入变为正的，且在引脚2上的输出转向地，因为它是反相设备。如果LDR和R17的电阻变得低于R111，则在引脚2处的输出变为正的并通过二极管D1施加到U1B的引脚3，将U1B的输出驱动到地。C1充当平滑滤波器以避免噪声，例如如在荧光照明中的环境光闪烁或在环境光条件中的其他非周期性变化。U1B也具有一些迟滞，因为一旦它在一个方向上被触发，输入就必须明显地改变以引起在另一个方向上的变化。这个功能是本领域中的技术人员所公知的，并且是施密特触发器设备的固有特征。

在运动传感器区段中，R31将C2充电到VCC，通过R41将VCC施加到U1B的引脚3。D1和D2被反向偏置，阻止电流向后流到U1A和U1E/F。这在没有任何其他信号的情况下将引脚4驱动到地。当运动开关通过手杖的移动被激活时，内部触头瞬间闭合，使C2放电到地，使U1B的输出变为正的，这通过D3向MOS晶体管Q1的栅极施加正电压，MOS晶体管Q1又通过R11和位于手杖的末端处的LED灯阵列从 VCC施加电流。然而，如果LDR和R17的电阻由于高光条件而低于(在存在光的情况下)R111的值，则该动作被推翻，高光条件使U1A的输出变为正的，将U1B的输出驱动到地，移除了到Q1的正信号。电阻器R41防止由运动开关引起的任何信号从U1A克服来自光传感器的较高电流信号。如果LDR和R17电阻由于低光水平而是较高的，这使U1B的输出变为负的。同时，C2以根据R111和C1的值的时间常数被充电。如果D1和D2的电压源在地处，D1和D2可以防止任何反向电流泄漏。在这些条件下，手杖的移动将使运动传感器间歇地向U1B的输入赋予负信号。这使U1B的输出变为正的并使Q1导通。净效应是，如果光水平是低的，则手杖的移动将使U1B的引脚3变低。当在C1上的电压低于触发水平时，U1B的正输出使Q1导通。当C1的电压达到触发阈值时，U1B的输出转向地，使Q1不导通。这两个电路的目的是确保当照明是低的且手杖在运动中时手杖末端被点亮。相反，当光水平是高的时，尽管手杖运动Q1也被阻止导电。在低光条件下，在运动停止之后，灯将在大约15-20秒内熄灭。如果手杖在定时器完成其循环之前被移动到亮的位置，灯将熄灭，且定时循环终止。R21保护运动传感器的触头免受来自C2的高浪涌电流，延长了运动传感器的寿命，并降低了触头的高电流“焊接”的可能性，并增加了运动传感器的使用期。

提供了闪烁功能用于紧急或信号通知情况，例如向出租车打招呼或在人行横道上的额外注意。闪烁功能独立于照亮功能和运动功能而操作，并优先于照亮功能和运动功能。该功能通过交替地按下在开关模块上的红色闪光开关来操作。

U1E和U1F与C5、C6、R8和R9连接以形成双稳态“触发器”——本领域中的技术人员所公知的电路。闪光触头/1\\、/2\\的交替闭合使双稳态交替地从状态0变为状态1。在状态0中，在U1E的引脚11和U1F的引脚12上的电压是正的以及在U1E的引脚10上的电压接近地。因此，在状态0中，U1B的引脚3的输入通过D2从U1E和U1F的引脚11和12的电压被驱动为正的。这将U1B的引脚4驱动到地，基本上禁止来自光传感器和运动传感器功能的所有动作。在状态0中，U1E的引脚10接近地，允许由C4、R61、R71、U1D和D7组成的张弛振荡器操作。振荡器的输出通过D5驱动电压，使Q1以振荡器的频率交替地导电。对于所示的值，这大约是每秒2次闪烁，但是可以通过C4、R61、R71和D7的值的适当选择来改变。当双稳态在状态1中时，在U1F和U1E的引脚11和12处的电压接近地，因而移除了到U1B的信号。在状态1中，在U1E的引脚9处的电压是正的，将U1D的引脚8的电压驱动到接近地，因而禁用振荡器。

当振荡器的输出为正的时，C4通过R61被充电。当振荡器的输出为负的时，C4通过R61以及R71和D7的串联阻抗并联组合放电。这在振荡器的正和负时间中产生不对称性，对于所示的值，正输出(灯开着)比负周期(灯熄灭)长。这是向观看者提供增加的亮度感同时保持闪光灯的引起注意的特征所需的。大约2Hz的频率低于引起大多数人的空间定向力障碍的频率。R10为Q1的栅极的残余输入电容提供放电路径，确保栅极在来自振荡器的下一个正脉冲之前返回到地。电池电压可以达到超过4.05伏的电压，使振荡器“锁”在正输出中。为了减轻这种情况，D6与VCC和U1D的电源输入端串联连接，因而将U1D的电压降低了约0.5伏，确保振荡器不自锁。

如果用户想要在原本亮的条件中打开手杖的末端灯，例如在充分照明的房间的黑暗壁橱中找寻放错地方的物品或者自行需要光增强，则接通控制开关功能被提供。位于开关模块中的绿色接通开关是瞬时常开开关。C3通过电阻器R51被充电到 VCC。当接通开关被瞬间闭合并松开时，U1C的引脚5转向地且U1C的引脚6变为正的。电压通过D4被耦合，使Q1导通，打开末端灯。在由C4和R51的值确定的一段时间之后，UC1的引脚5转向地，移除到Q1的基极的信号。接通开关的每次瞬时按下使定时器重置。考虑C3和R51的迟滞和值的组合，接通时间为约15-20秒，但是可以由本领域中的技术人员修改。如果接通开关被保持接通，灯保持点亮，并且当在定时器按常规运行之后开关被松开时灯熄灭。接通功能优先于所有其他功能，包括光传感器功能和运动传感器功能。D3和D5防止信号反向馈送到电路的其余部分。

从通过R16到开关模块上的小LED灯的“始终开启”连接提供指示灯功能，为在黑暗环境中的使用提供定位帮助，例如在床边。

通过将开关模块上的黄色瞬时开关按到安装在开关模块的头部处的LED来提供阅读灯功能。这给用户提供阅读菜单、音乐会节目单或其他要求的光源。功率通过R17从VCC被提供。

在开关模块中的可选的自动禁用备用动作开关允许用户在手杖在飞机、高低不平的道路上的车辆中被携带、运送或长期存放的情况下禁用运动传感器功能。这通过将U1A的引脚1连接到地、使U1A的引脚2是正的以及U1B的引脚4变为负的来实现。该功能仅禁用运动开关功能。所有其他功能在用户的选择下保持激活。

使用工业标准Li离子(U2)充电器电路来提供电池充电器功能。到充电电路的输入功率是经由如在图1中描绘的在手杖手柄的后部处的USB连接器。在USB连接器旁边的具有电阻器R13和R14的单个双色LED指示如在图1中描述的位于手杖主体中的Li离子电池的充电状态。C7和R12用于减少在外部充电设备中的高频噪声和其他乱真伪影。外部标准5伏USB充电器为电池充电器电路供应功率。R15设定从电池充电器电路被输送的最大电流。对于该电路，2.7K值将典型充电电流设置为约400毫安的最大值。C8进一步向电池提供过滤和无噪声充电电流。