穿戴式老年人跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)設(shè)計

張文龍 屈 純 付文斌 陳 樊 姚 俊

(湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，湖北 襄陽 441003)

跌倒已經(jīng)成為影響人類特別是老年人生命健康的重要誘因〔1〕，在中國每年約有4 000萬65歲以上的老年人意外跌倒，而跌倒會造成嚴(yán)重的肢體和心理傷害，若傷及髖骨，有可能喪命〔2〕。

在現(xiàn)有的跌倒檢測系統(tǒng)中，絕大部分為跌倒后的檢測，然后通過聲光報警、通話與定位通知外界進(jìn)行協(xié)助與救護(hù)，并沒有從根本上對老年人的跌倒進(jìn)行防護(hù)。本文屬于撞擊前跌倒識別與防護(hù)的研究，提出一種針對老年人的跌倒防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計，以電子技術(shù)為核心，并運用汽車安全氣囊的防護(hù)原理和技術(shù)，設(shè)計出一種老年人跌倒防護(hù)氣囊，在跌倒落地之前充氣展開，可在人體與地面撞擊時起到緩沖作用，避免或減輕傷害〔3〕。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

目前，針對老年人跌倒的自動檢測方法主要有三大類：一是基于視頻圖形的檢測系統(tǒng)，主要通過相機捕捉視頻圖像信號，通過跌倒動作的圖像特征進(jìn)行判斷；二是基于音頻、震動、移動軌跡的檢測系統(tǒng)，通過獲取某個或多個與跌倒密切相關(guān)的特征信號的有無判定跌倒動作的發(fā)生；三是基于各類運動傳感器的人體姿態(tài)檢測系統(tǒng)，實時檢測身體的加速度、角速度等信號特征，通過識別算法判定跌倒動作〔4〕。

跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成易穿戴形式，輕便、美觀、實用，不能影響人體的正?；顒?；由于是主要為老年人跌倒防護(hù)設(shè)計，更不能因為該系統(tǒng)對老年人的日?；顒赢a(chǎn)生不利影響〔5〕，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 穿戴式老年人跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1處理器 處理器選用德州儀器公司的16位低功耗MSP430F149單片機，其架構(gòu)先進(jìn)，片上外圍資源豐富，包含16位ADC和各種高速總線接口，可滿足數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的要求。

1.2傳感器 人體活動時，會有加速度、角速度、沖擊、振動和旋轉(zhuǎn)姿態(tài)信息的變化，而在發(fā)生跌倒時，這些姿態(tài)信息通常會反映出不同于正?；顒訒r的劇烈變化，加速度的變化可以反映出人體運動狀態(tài)的變化。慣性傳感器是測量物體加速度、角速度、沖擊、振動、旋轉(zhuǎn)和多自由度運動的傳感器。目前的慣性傳感器通常基于微機電系統(tǒng)(MEMS)，利用MEMS技術(shù)設(shè)計和加工的傳感器一般都具有尺寸小、質(zhì)量輕、功耗低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，在醫(yī)學(xué)、電子、軍事等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，也為人體跌倒檢測系統(tǒng)提供更為小巧、更為精確的傳感器，使得易穿戴跌倒氣囊系統(tǒng)的控制檢測模塊的小巧性、精細(xì)性、易穿戴性都有了質(zhì)的提升〔6〕。

在本文設(shè)計的易穿戴老年人跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)中，采用MPU6050整合性六軸運動組件，可以測量三軸加速度和三軸角速度，并且傳感器的測量范圍都可控可調(diào)整。在該系統(tǒng)中使用陀螺儀的測量范圍為±2 000°/s(dps)，加速度測量范圍設(shè)置為±2 g。傳感器使用自有的I2C將測量信號數(shù)字化輸出，與處理器相互通信。

1.3電源與脈沖點火模塊 穿戴式老年人跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)采用3.7 V可充電鋰離子電池供電，鋰離子電池重量輕、容量大、安全可靠，被廣泛應(yīng)用在目前大多數(shù)的消費電子產(chǎn)品中。3.7 V的直流電源經(jīng)過升降壓處理后給傳感器和處理器等電子元器件供電，保證跌倒檢測電路的正常運行。

在保證跌倒檢測電路日常運行正常供電的同時，3.7 V的電源還要提供一個跌倒時的脈沖點火信號，該點火信號不但需要有足夠的能量激發(fā)點火器，還需要保證在觸發(fā)瞬間其他電路的正常工作。

由于電池的放電能力有限，在激發(fā)點火器瞬間，若直接將電源的供電供給點火器，其瞬間放電電流無法絕對保證點火器觸發(fā)和其他電路的正常工作。因此設(shè)計了脈沖點火模塊〔7〕，使用1 000 μF電容。該設(shè)計可以保證在日常情況下點火電容處于滿電荷狀態(tài)，也同時保證電源給系統(tǒng)其他電路的正常供電；且在跌倒瞬間，收到點火信號后，直接將點火電容里的能量由MOS場效應(yīng)管電子開關(guān)控制，釋放給點火器，該過程不對其他電路的運行有任何干擾和影響。

1.4充氣模塊與氣囊 充氣模塊采用筒狀煙火式氣體發(fā)生器，如圖2所示，發(fā)生器內(nèi)部裝有化學(xué)產(chǎn)氣藥粒，用電點火器引燃后，產(chǎn)氣藥粒迅速分解反應(yīng)，可瞬間產(chǎn)生大量氣體，氣體經(jīng)過過濾冷卻消聲裝置后釋放出來，通過導(dǎo)氣管進(jìn)入氣囊，將預(yù)先折疊好的氣囊展開，氣囊的展開示意圖如圖3所示，充氣模塊和氣囊的整個充氣過程可在極短時間內(nèi)完成〔8〕。

圖2 充氣模塊結(jié)構(gòu)圖

2 跌倒特征提取與識別算法

依據(jù)該系統(tǒng)的使用范圍和防護(hù)功能，特別提出了適用于此系統(tǒng)的跌倒識別算法。該易穿戴老年人跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)主要用于防止70歲以上老年人意外跌倒可能造成的尾骨和髖骨粉碎而帶來永久性傷害〔9〕，作出以下假設(shè)和范圍限定：(1)考慮到使用人群的范圍限定，70歲以上老年人的日?；顒泳徛?，且不包括劇烈的彈跳；(2)考慮到氣囊保護(hù)范圍限定，跌倒檢測和識別主要為人體向后跌倒和側(cè)傾。

基于以上的假設(shè)和范圍限定，提出一種適用于老年人跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)的跌倒檢測識別算法，其涉及的特征值有如下幾個：

2.1加速度向量幅值 人體加速度向量幅值(SVM)判斷法是研究人體跌倒的常見方法〔10,11〕。SVM通過計算加速度幅度反映人體運動的劇烈程度，其值越大說明運動越劇烈。定義公式如下：

圖3 氣囊展開示意圖

在本文提出的跌倒識別算法里，SVM值只用來區(qū)分老年人跌倒動作與日?；顒觿幼?，且將設(shè)定的SVM值作為跌倒動作的預(yù)警，是真正的跌倒識別算法開始運算的一個前提。

2.2角速度即時滑動窗口值 滑動窗口(sliding window)方法，就是采用一個滑動的窗口提取時間序列。首先需要定義一個窗口長度n，該跌倒識別方法里，將該窗口長度里的所有值作為時間序列〔12〕，系統(tǒng)采樣頻率為f，且在t1時刻，采集系統(tǒng)采集的即時值為ωt1，則t1時刻的即時滑動窗口為：

{ωt1-(n-1),…,ωt1-2,ωt1-1,ωt1}

其中，t1-1代表t1的上一時刻，t1-2代表t1-1的上一時刻，以此類推。

對于滑動窗口里的數(shù)據(jù)，可以通過特征抽取的方法提取其特征，用一種或多種表征方法表示該滑動窗口的信息。

(1)角速度即時滑動窗口單調(diào)性:表示在一個即時滑動窗口里的所有角速度檢測值的時間序列的單調(diào)性。有關(guān)跌倒的行為研究數(shù)據(jù)表明，大部分的跌倒時間為1～6 s〔13〕。而在人體傾斜到一定角度后，達(dá)到無法控制的程度時，跌倒落地，人體軀干處于一個角速度逐漸變大的過程。按照此原理，陀螺儀檢測到的人體某軸的角速度是單調(diào)的。

對于上述的即時滑動窗口，定義角速度即時滑動窗口單調(diào)性D：D=k0·k1·…·kn-3，若D=1則角速度即時滑動窗口單調(diào)，若D=0則角速度即時滑動窗口不單調(diào)。其中，

(2)角速度即時滑動窗口變化率：表示在一個即時滑動窗口里角速度變化的快慢，該特征可以將跌倒動作和其他角姿態(tài)變化引起的正?；顒訁^(qū)分開來，比如彎腰、坐下和臥倒時，陀螺儀所能檢測到的人體某軸的角速度在某個滑動窗口內(nèi)也會是單調(diào)變化的，但是這種緩慢的動作行為產(chǎn)生的角速度變化率通常也是很緩慢的，而人體在不受控跌倒的時候，角速度的變化是很劇烈的。

對于上述的即時滑動窗口，定義角速度即時滑動窗口變化率K=|ωt1-ωt1-(n-1)|·f。

(3)角速度即時滑動窗口和值：顧名思義就是即時滑動窗口中所有角速度檢測值的時間序列的和，可以認(rèn)為是在某個時間段內(nèi)角速度的積分，也可以認(rèn)為在該時間段內(nèi)角度的變化。因為人體跌倒必然帶來軀干角度的變化，該信息可反映出人體的角姿態(tài)信息。

2.3跌倒識別算法 根據(jù)上文中分析得到的SVM、角速度即時滑動窗口單調(diào)性、角速度即時滑動窗口變化率和角速度即時滑動窗口和值等跌倒特征，提出的閾值判別跌倒的識別算法〔14〕，其判別流程如圖4所示。

圖4 跌倒識別的流程圖

依據(jù)上述流程圖，跌倒識別首先判定SVM，即首先判斷身體加速度；人體正常活動的SVM處于一個較平穩(wěn)且較低的水平，一旦有跌倒發(fā)生，SVM會發(fā)生劇烈變化，當(dāng)然老年人的一些正常的劇烈運動也會造成SVM值的波動。因此，在本文提出的跌倒識別算法里，設(shè)定的SVM閾值作為跌倒動作的預(yù)警，是真正的跌倒識別的前提。如果上述閾值滿足，則繼續(xù)判定角速度即時滑動窗口是否單調(diào)，若單調(diào)變化初步判定人體在跌倒過程中，繼續(xù)下一個閾值的判斷，判定角速度即時滑動窗口變化率，依次將跌到動作和其他角姿態(tài)變化引起的正?；顒訁^(qū)分開，若該閾值滿足則進(jìn)行最后一步的判斷，即角速度即時滑動窗口和值，若該閾值達(dá)到，可以認(rèn)為在該時間段內(nèi)人體軀干的角度已經(jīng)發(fā)生了較大傾斜，綜合之前的判斷，識別為跌倒動作已經(jīng)產(chǎn)生。若其中的任意一個閾值沒有達(dá)到，跌倒識別的流程重新開始。

3 結(jié)果與討論

將跌倒檢測控制電路，氣體發(fā)生器模塊和氣囊燈部件組裝，并按照文中所述的跌倒識別算法，進(jìn)行了假人跌倒試驗，并用高速攝像機拍攝了人體傾斜、發(fā)生器充氣和氣囊展開的聯(lián)合工作效果。其中，跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)的人體佩戴如圖5所示，圖中同樣展示了人體跌倒時氣囊展開的示意圖。整套跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)的工作流程如圖 6所示。試驗中將整套跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)按照圖 5所示的形態(tài)穿戴在假人身上，并實際模擬人體的跌倒，驗證氣囊系統(tǒng)的實際防護(hù)能力。

圖5 跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)的佩戴與展開示意圖

在假人模擬人體跌倒的試驗中，采用的模特身高約為175 cm，其重心處于腰部(距離腳部80 cm)，氣囊系統(tǒng)圍繞系在腰部，跌倒檢測控制電路部分固定在假人的腹部，由其引出的觸發(fā)信號線與充氣模塊連接，充氣模塊與氣囊連接。假人首先處于站立狀態(tài)，然后開啟跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)，使用外力將假人輕輕后推，以此來模擬人體的向后跌倒行為，整個過程用高速攝像機記錄下來，其中高速攝像速度為2 000 fps。跌倒檢測數(shù)據(jù)采集頻率為500 Hz，經(jīng)過跌倒檢測系統(tǒng)與假人的匹配；設(shè)定跌倒檢測閾值SVM=0.8 g，滑動窗口長度n=10；角速度即時滑動窗口變化率K=0.25；角速度即時滑動窗口和值θ=2.3°。實驗的高速攝像如圖 7所示，其中圖(a)是實驗開始前，人體處于站立狀態(tài)，此時開啟跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)電源，并可推動假人，圖(b)是假人在向后跌倒的某一個瞬間狀態(tài)，圖(c)是充氣裝置啟動的一瞬間，此時是跌倒檢測系統(tǒng)已經(jīng)檢測到人體的跌倒動作，并將觸發(fā)信號輸出到了充氣裝置，圖中可以看見電點火裝置在引爆的一瞬間有火光出現(xiàn)，圖(d)是氣囊已經(jīng)完全打開的瞬間。從圖(c)充氣裝置啟動到圖(d)氣囊充氣完全展開的全過程是跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)的核心之一，要求該過程必須出現(xiàn)在人體跌倒落地之前，否則防護(hù)系統(tǒng)就失去了防護(hù)效果。

圖6 跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)的工作流程圖

圖7 跌倒實驗高速攝像圖

從多次假人試驗的高速攝像中可以得到跌倒防護(hù)系統(tǒng)的性能數(shù)據(jù)，見表1。

表1 實驗結(jié)果

從實驗數(shù)據(jù)中可以看出，跌倒防護(hù)系統(tǒng)中檢測到跌倒并啟動充氣裝置的人體角度約在50°，氣囊完全打開時人體的角度約在30°，整個氣囊系統(tǒng)的充氣時間穩(wěn)定在約200 ms，而每次試驗氣囊都會在跌倒落地前190 ms左右打開，提供人體與地面撞擊的緩沖，可大大避免或減輕硬著地帶來的傷害。

總之，本文設(shè)計了一種穿戴式老年人跌倒防護(hù)系統(tǒng)，使用MSP430單片機和MPU6050構(gòu)成的跌倒檢測模塊，并特別針對老年人設(shè)計了可穿戴的充氣模塊與氣囊。經(jīng)過模擬跌倒實驗，驗證系統(tǒng)的硬件設(shè)計和算法設(shè)計保證了跌倒檢測模塊的高識別率，且預(yù)先識別時間早，配以能夠快速充氣并展開的充氣模塊和氣囊，整個老年人跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)可以保證在人體落地前完全充氣展開，在人體落地瞬間起到緩沖防護(hù)作用，避免或減輕由于跌倒沖擊給老年人帶來的傷害，具有很好的跌倒防護(hù)作用，對老年人的健康有著極其重要的意義。