可智能識別溺水并自動充氣的便攜式救生裝置設(shè)計

別凱文

摘 要：本文針對現(xiàn)有救生裝置體積較大、不便攜帶及不夠智能等缺點，對人體溺水的核心特征進行調(diào)研，對智能識別溺水技術(shù)和自動充氣技術(shù)進行文獻綜述和方案優(yōu)選，在此基礎(chǔ)上提出了一種可智能識別溺水并自動充氣的便攜式救生裝置。其中，智能識別溺水技術(shù)選擇反射光電法監(jiān)測脈搏或血氧，自動充氣技術(shù)選擇“壓縮氣瓶+針刺”方案?！皦嚎s氣瓶+針刺”方案具有螺紋旋入結(jié)構(gòu)、六角頭配合設(shè)計、刺針中空設(shè)計的特點。

關(guān)鍵詞：溺水識別；脈搏光電監(jiān)測；自動充氣；刺針中空

中圖分類號：TM415 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

溺水是人體呼吸道進水后導(dǎo)致肺部吸水引起缺氧窒息的現(xiàn)象，可導(dǎo)致呼吸衰竭乃至死亡的嚴(yán)重后果。近年來，溺水導(dǎo)致的傷亡人數(shù)增加，尤其是當(dāng)夏季，人們接觸水的機會變多，這一問題變得更加嚴(yán)重。據(jù)世界衛(wèi)生組織提供的數(shù)據(jù)，2015年世界各地每年溺水死亡數(shù)估計為36萬例，占所有與傷害有關(guān)死亡的7%。而對于防范溺水的設(shè)備或裝置（如救生圈等）大多體積較大、不方便攜帶且不智能。因此，可以設(shè)想，如果救生裝置同時具備可智能識別溺水、自動充氣且方便攜帶的特性，那么戲水樂趣和生命安全將統(tǒng)一起來，在一定程度上減少溺水傷亡事故。該裝置設(shè)計的核心是智能識別溺水技術(shù)和自動充氣技術(shù)。

1 人體溺水癥狀監(jiān)測

人體溺水的核心特征在于呼吸、心跳和血壓。對呼吸、心跳和血壓的常見監(jiān)測方法和原理列于表1，考慮到防溺水裝置的使用環(huán)境和便攜式要求，呼吸道位置監(jiān)測法較適用于對呼吸特征的監(jiān)測；脈搏光電監(jiān)測法和血氧監(jiān)測法較適用于對心跳特征的監(jiān)測；電子腕式血壓計測量法較適用于對血壓特征的監(jiān)測。本文第2部分將對呼吸道位置監(jiān)測法、脈搏光電監(jiān)測法、血氧監(jiān)測法、電子腕式血壓計測量法結(jié)合設(shè)計應(yīng)用場合對智能識別溺水技術(shù)進行詳細論述。

2 關(guān)鍵技術(shù)綜述

本論文研究的關(guān)鍵技術(shù)包括智能識別溺水技術(shù)和自動充氣技術(shù)兩部分。前文將智能識別溺水技術(shù)研究聚焦到呼吸道位置監(jiān)測法、脈搏光電監(jiān)測法、血氧監(jiān)測法、電子腕式血壓計測量法。呼吸道位置監(jiān)測法是利用壓力傳感器集成于泳鏡上，通過監(jiān)測水壓變化來判斷口鼻在水中的深度，間接判斷是否溺水，缺點是該方法判斷是否溺水不夠直接，誤判可能性較大。脈搏光電監(jiān)測法通過光電傳感器對脈搏信號進行監(jiān)測，具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷及可重復(fù)好等優(yōu)點。血氧監(jiān)測法利用光電傳感器對血氧飽和度進行監(jiān)測，具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、易佩戴和低功耗等優(yōu)點。電子腕式血壓計測量法利用氣體壓力傳感器識別血壓，可克服傳統(tǒng)汞柱式血壓計測量法的測量結(jié)果主觀性的缺點，且便攜性更佳，但是相對于脈搏光電監(jiān)測法和血氧監(jiān)測法仍體積較大（某款電子腕式血壓計主機體積67mm×78mm×62mm，便攜性仍相對較差）。綜上所述，脈搏光電監(jiān)測法和血氧監(jiān)測法較適用于本課題研究的智能識別溺水技術(shù)，這兩種方法均基于光電法，又可分為透射法和反射法，其中透射法適用于手指、耳朵等身體較薄的部位，應(yīng)用有一定的限制，反射法適用性更強，故本論文擬采用反射光電法監(jiān)測脈搏或血氧。

目前救生裝置相關(guān)的自動充氣技術(shù)研究較少，現(xiàn)有自動充氣技術(shù)主要集中于汽車安全氣囊裝置、穿戴式跌倒預(yù)警防護系統(tǒng)等領(lǐng)域?？紤]到時效性，汽車安全氣囊裝置主要采用爆炸充氣方法，原理為將炸藥和疊氮化鈉在一定密封空間內(nèi)，通過劇烈化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生爆炸的方法，在極短時間內(nèi)充氣完畢，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪聲大，作為穿戴裝置有一定危險性。穿戴式跌倒預(yù)警防護系統(tǒng)主要采用“壓縮氣瓶+針刺”進行自動充氣，危險發(fā)生時用刺針扎破含有壓縮氣體的氣瓶封口處，從而迅速釋放大量氣體，起到跌倒緩沖的作用，該方法比較安全便捷，結(jié)構(gòu)簡單。綜上所述，“壓縮氣瓶+針刺”的自動充氣方法也適用于溺水自動救生裝置。

3 設(shè)計內(nèi)容

所設(shè)計的可智能識別溺水并自動充氣的便攜式救生裝置包括反射式血氧/脈搏監(jiān)測裝置和“壓縮氣瓶+針刺” 自動充氣上浮裝置。參考圖1，自動充氣上浮裝置由舵機、舵機輸出軸（舵機一部分）、中空且側(cè)有孔洞的刺針、六角槽（刺針的一部分）、接頭、壓縮氣瓶和救生氣囊組成。當(dāng)溺水現(xiàn)象發(fā)生時，反射式血氧/脈搏監(jiān)測裝置監(jiān)測到血氧值/脈搏異常，將電信號傳給自動充氣上浮裝置，觸發(fā)舵機輸出軸（外六角結(jié)構(gòu)）轉(zhuǎn)動，通過六角槽帶動與輸出軸配合的刺針旋轉(zhuǎn)，借助接頭螺紋，旋入接頭直筒深處，當(dāng)刺針鉆入氣瓶的封口，壓縮氣體順著刺針中空孔釋放并通過接頭豎筒充入壓縮氣囊中，達到增大浮力和救生的目的。

“壓縮氣瓶+針刺” 自動充氣上浮裝置的創(chuàng)新點為螺紋旋入結(jié)構(gòu)、六角頭配合設(shè)計、刺針中空設(shè)計。其中，螺紋旋入結(jié)構(gòu)省去了連桿凸輪機構(gòu)，直接將舵機旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，結(jié)構(gòu)簡單；六角頭配合設(shè)計可以將轉(zhuǎn)矩從舵機傳遞到刺針，但不限制刺針的直線運動；刺針中空設(shè)計避免刺針刺破氣瓶后堵塞開口，且省去了拔針動作。

結(jié)論

針對現(xiàn)有救生裝置體積較大、不便攜帶和不夠智能等缺點，本文設(shè)計了一種可智能識別溺水并自動充氣的便攜式救生裝置，可將戲水樂趣和生命安全將統(tǒng)一起來，研究中取得了如下主要結(jié)論：

（1）脈搏光電監(jiān)測法和血氧監(jiān)測法較適用于本課題研究的智能識別溺水技術(shù)，本論文采用反射光電法監(jiān)測脈搏或血氧。

（2）考慮到安全性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、噪聲，本論文采用“壓縮氣瓶+針刺” 自動充氣方法用于溺水自動救生裝置。

（3）自動充氣上浮裝置由舵機、舵機輸出軸（舵機一部分）、中空且側(cè)有孔洞的刺針、六角槽（刺針的一部分）、接頭、壓縮氣瓶和救生氣囊組成，創(chuàng)新點在于螺紋旋入結(jié)構(gòu)、六角頭配合設(shè)計、刺針中空設(shè)計。

本文設(shè)計結(jié)果將為便攜式、智能救生設(shè)備的設(shè)計提供參考，減少溺水傷亡事故。

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