基于穿戴式傳感技術(shù)的老年人主動式防摔鞋的設(shè)計

陳強(qiáng) 閆瑾 蔣鑰瑩

摘 要：針對目前老年人防摔功能產(chǎn)品存在功效差、設(shè)計感不足、服用性不強(qiáng)等弊端，在充分了解老年人跌倒的原因、預(yù)防措施、防摔用具的對象需求與設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計一款幫助老年人步行時防止摔倒的穿戴設(shè)備——主動式防摔鞋。本設(shè)計基于MEMS （ Micro-Electro Mechanical System）慣性傳感器來實現(xiàn)，監(jiān)測機(jī)構(gòu)能夠控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動插鉤伸出，起到防滑的效果。同時注重形態(tài)創(chuàng)新及審美設(shè)計，使老年人與防摔鞋進(jìn)行人機(jī)交互時產(chǎn)生良好的體驗，并希望為今后適老化防護(hù)裝置的研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：主動式防摔鞋;老年人;步行;傳感

作者簡介：陳強(qiáng)（1999-），男，漢族，山東威海人，山東中醫(yī)藥大學(xué)2018級康復(fù)治療專業(yè)本科在讀。通訊作者：*閆瑾（2000-），女，山東中醫(yī)藥大學(xué)2018級康復(fù)治療專業(yè)本科在讀。

基金項目：本文為山東中醫(yī)藥大學(xué)省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目資助，項目號：S202010441040。

一、老年人跌倒的預(yù)防

2019年12月，中國疾病監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示，跌倒已經(jīng)成為我國65歲以上老年人因傷致死的首位原因[1]。因受傷到醫(yī)療機(jī)構(gòu)就診的老年人中，一半以上是因為跌倒，而在這其中，有一半以上都是發(fā)生在滑濕路面的。據(jù)統(tǒng)計，美國每年約有30%的65歲以上的老年人發(fā)生跌倒[2]，而且跌倒的發(fā)生比例隨著年齡的增長而增加，80歲以上的老年人跌倒的年發(fā)生率可高達(dá)50% [3] ，可見跌倒是是威脅老年人健康和獨(dú)立生活的主要原因。

但是，跌倒是可以預(yù)防的[2]。提升對于老年人跌倒風(fēng)險的評估認(rèn)知是預(yù)防工作的第一步。風(fēng)險因素可分為生物、行為、環(huán)境風(fēng)險因素三大類。生物因素主要為老年人視力變化與缺失、肌肉力量下降、平衡功能障礙、足部感覺障礙以及受服用抗高壓藥、降糖藥等藥物產(chǎn)生的副作用影響，是經(jīng)常出現(xiàn)的;行為風(fēng)險因素如長期臥床或因疾病原因制動、酗酒等;環(huán)境因素最為普遍，路面滑濕、不平整，沒有扶手等等均會增加跌倒的機(jī)會。對于骨質(zhì)疏松癥高發(fā)的老年人群體，一旦摔倒相較于年輕人群更易發(fā)生骨折或?qū)е赂鼑?yán)重的后果[4]。老年人群龐大，除了鼓勵老年人通過堅持體育鍛煉提高身體素質(zhì)、提高安全意識、改造居家環(huán)境外，防護(hù)裝置的設(shè)計發(fā)明對于保證老年人擁有健康安全的日常生活活動越來越重要。

根據(jù)評估結(jié)果采取相應(yīng)的干預(yù)措施，才可有效降低老年人跌倒的發(fā)生率，減輕老年人跌倒的損傷程度。主動式防摔鞋，可以幫助老年人群在步行過程中進(jìn)行有效的健康管理，構(gòu)建健康、安全、幸福的老年生活。在進(jìn)行該產(chǎn)品設(shè)計時，不僅需要關(guān)注了老年人群生理機(jī)能衰退對產(chǎn)品尺度、材質(zhì)、加工方式等的特殊需求，也要盡量尊重老年人心理需求，給予老年人更多的人文關(guān)懷，引導(dǎo)老年人自主鍛煉，給他們樹立一個健康生活的理念，在一定程度上減輕子女與社會的負(fù)擔(dān)，對于老年人健康和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

目前市場上往往通過在鞋底設(shè)置防滑紋、防滑釘?shù)确阑Y(jié)構(gòu)以增加鞋底的抓地力，但是其防滑效果有限，尤其是在使用一段時間后，防滑效果容易下降。采用了防滑釘?shù)男?，使用者在行走時，防滑釘始終與地面接觸，防滑釘容易損壞，在鞋子不容易打滑時，還會增加使用者在行走時的阻力。伴隨著科技發(fā)展，傳統(tǒng)原始的老年人防摔產(chǎn)品已經(jīng)不能滿足人們?nèi)找嬖龆嗟男枨骩5]。為了解決上述技術(shù)問題，設(shè)計主動式防摔鞋。老年人在正常行走時，插鉤不影響使用者行走;使用者在有腳滑的趨勢時，監(jiān)測機(jī)構(gòu)能夠控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動插鉤伸出，起到防滑的效果，有效的解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。并結(jié)合人體工學(xué)原理，以防摔功能性為前提，不斷加強(qiáng)功能研發(fā)，提高舒適性、靈活性與輕便性。將來可以針對多功能、實效性進(jìn)行研發(fā)，通過不同科技手段的創(chuàng)新運(yùn)用，結(jié)合創(chuàng)新設(shè)計理念，服務(wù)于更多的老年人群。

二、老年人防摔鞋的設(shè)計

1.機(jī)械設(shè)計

本研究的主動式防摔鞋總體結(jié)構(gòu)有：鞋體，包括鞋底和后幫;防摔機(jī)構(gòu)，包括上連桿、下連桿、插鉤，上連桿的一端與后幫鉸接、另一端與插鉤的上段鉸接，下連桿的一端與后幫鉸接、另一端與插鉤鉸接，插鉤與上連桿、下連桿、后幫共同組成連桿結(jié)構(gòu);驅(qū)動機(jī)構(gòu);監(jiān)測機(jī)構(gòu)，包括MEMS壓力傳感器、加速度傳感器和處理器，壓力傳感器小于設(shè)定閾值、且加速度傳感器大于設(shè)定閾值時，處理器能夠控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動插鉤向下伸出鞋底的下側(cè)。本設(shè)計的有益效果在于，老年人在使用其在正常行走時，插鉤不影響使用者行走，插鉤與路面不接觸，既可以減少材料本身的損耗，還可減少插鉤與路面之間接觸導(dǎo)致的使用者行走不便的情況發(fā)生。其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖如圖1，（為了更好的展示本技術(shù)原理結(jié)構(gòu)，附圖中未繪出鞋子的幫面等結(jié)構(gòu)，在優(yōu)選的實施例中，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠根據(jù)設(shè)計需求選擇幫面等結(jié)構(gòu)部件的安裝。）使用者在有腳滑的趨勢時，監(jiān)測機(jī)構(gòu)能夠控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動插鉤伸出，起到防滑的效果，有效的解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

2.2 機(jī)構(gòu)特征

防摔機(jī)構(gòu)，由能夠變形的連桿結(jié)構(gòu)組成，位于鞋后幫的兩側(cè)，分別設(shè)有一個上連桿、一個下連桿、一個插鉤，兩插鉤之間通過一個連接桿相連，使用時，所述插鉤在收縮狀態(tài)和伸出狀態(tài)之間切換，當(dāng)插鉤處于伸出狀態(tài)時，其下端伸出所述鞋底的下側(cè)，插鉤處于收縮狀態(tài)時，其下端縮回至所述鞋底底面的上側(cè)。

驅(qū)動機(jī)構(gòu)，包括電機(jī)、與電機(jī)相連的驅(qū)動桿、從動桿，作為主動式防摔鞋控制系統(tǒng)的核心實現(xiàn)帶動插鉤在伸出狀態(tài)和收縮狀態(tài)之間切換，驅(qū)動機(jī)構(gòu)還包括彈性伸縮件（氣彈簧），彈性伸縮件的一端與后幫鉸接、另一端與插鉤鉸接，此彈性伸縮件能夠向所述插鉤提供向外的彈性力;彈性伸縮件利用上側(cè)設(shè)有的限位部控制向插鉤提供的彈力方向，限位部為設(shè)置于氣彈簧上側(cè)的限位板。當(dāng)插鉤處于收縮狀態(tài)時，彈性伸縮件向插鉤提供斜向上的彈力，限位部限制插鉤向上移動;當(dāng)插鉤處于收縮狀態(tài)時，彈性伸縮桿向所述插鉤提供向下的彈力。

根據(jù)設(shè)計思路，處理器為Arduino單片機(jī)，監(jiān)測機(jī)構(gòu)包括供電單元，可采用鋰電池供電，由鞋底包括底面和與相連的頂面之間構(gòu)成容納所述監(jiān)測機(jī)構(gòu)的空間?？紤]到下肢行走動作過程中，腳掌對行走狀態(tài)的感應(yīng)，分別在鞋底的后跟和前腳掌處設(shè)有兩個壓力傳感器，避免整個機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大。

2.3 安全性設(shè)計

主動式防摔鞋作為監(jiān)測和保護(hù)老年人步行的設(shè)備，為避免使用過程中對本身就生理功能較弱的使用者造成二次傷害，其安全性設(shè)計尤為重要。本主動式防摔鞋的研究分別從防摔機(jī)構(gòu)、監(jiān)測機(jī)構(gòu)等幾個方面對安全性進(jìn)行設(shè)計。

首先是防摔機(jī)構(gòu)，對于圖1所示的實施例中，連桿機(jī)構(gòu)可以便于對插鉤5的移動進(jìn)行控制，尤其是插鉤向下伸出以防止鞋體滑動時，插鉤5會整體的受到向后的推力，通過上連桿3和下連桿4與插鉤5連接，上連桿3和下連桿4均大致的沿插鉤5受力的方向延伸，能夠向插頭在水平方向上提供充足的約束力，進(jìn)而可以提高插鉤5在受力時的穩(wěn)定性。進(jìn)一步具體的說，在所述后幫2的兩側(cè)分別設(shè)有一個上連桿3、一個下連桿4、一個插鉤5，兩所述插鉤5之間通過一個連接桿9相連，如圖2。如圖所示，由此可以使得插鉤5和連桿更加穩(wěn)定，尤其是在鞋體側(cè)滑時，能夠通過連桿提高對于插鉤5在側(cè)向上的約束力。

其次，通過設(shè)置了彈性伸縮件，在插鉤5處于收縮狀態(tài)時，彈性伸縮桿斜向上提供對于插鉤5的抵接力，可以在使用者正常行走時，能夠保證插鉤5不落下，不影響使用者正常的行走。在使用時鞋底1打滑時，電機(jī)帶動插鉤5克服彈性伸縮見的彈力向下移動一定程度后，彈性伸縮件開始向插鉤5提供斜向下的彈性力，此時，插鉤5可以快速的伸出，縮短插鉤5的響應(yīng)時間，能夠快速的起到防滑的效果。

監(jiān)測機(jī)構(gòu)的前后兩個壓力傳感器可以同時監(jiān)測使用者腳后跟和腳掌處的壓力，以在處理器8監(jiān)測到其中任何一個壓力傳感器6大于設(shè)定閾值且加速度傳感器7大于設(shè)定閾值時，判斷使用者有滑到的危險，如圖3。從而可以防止出現(xiàn)監(jiān)測的準(zhǔn)確性問題。

2.4形態(tài)設(shè)計

作為功能性福祉用具，其第一要素是功能性，防摔作為首要功能。研究表明，防摔護(hù)具佩戴舒適性欠佳，負(fù)擔(dān)感很重，患者不愿意在日常生活中佩戴，護(hù)具臨床依從性差，從而使護(hù)具防摔效果得不到證實[6]。老年人感覺自身被捆綁束縛、著裝異于常類[7]，有悖于“通用設(shè)計原理”。因此兼顧美觀和舒適性的考量是款式設(shè)計中的重點(diǎn)。主動式防摔鞋外觀與普通鞋類款式類似，鞋幫后部添加輕材料插鉤，原理結(jié)構(gòu)固定，作為老年人穿戴設(shè)備，其外觀設(shè)計應(yīng)遵循老年人的喜好并與設(shè)備功能和需求相符合。考慮到老年人的審美情趣、消費(fèi)取向、生理及心理特征等因素，本產(chǎn)品從材質(zhì)、色彩、結(jié)構(gòu)與功能等方面進(jìn)行綜合性設(shè)計[8]。

人性化設(shè)計強(qiáng)調(diào)“以人為本”的理念，老年福祉用具更加關(guān)注老年人的生活方式，給予人文關(guān)懷?？紤]到老年人足弓在長期負(fù)重的壓力下， 一般都變小，且足部血液循環(huán)不暢， 腳部浮腫，所以鞋腔結(jié)構(gòu)需要留有一定的松量，不能過窄，最好可以讓老年人根據(jù)自身尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于老年人身體靈活度差的問題，首選魔術(shù)貼或彈性帶“一腳蹬”式結(jié)構(gòu)，

材質(zhì)方面，以柔軟透氣、吸濕性較好的材質(zhì)為最佳選擇， 可以最大程度的保持足部的干爽舒適， 有利于老年人腳部的健康，對老年人足部與其關(guān)節(jié)保護(hù)方面具有一定的意義。如山羊皮、粒面革、純棉布等材料。

色彩搭配具有特定的科學(xué)內(nèi)涵，適度轉(zhuǎn)向色調(diào)明快的生態(tài)色，暖色系，既帶來愉悅、舒適的穿著感受，有助于心理健康，還具有安全性。

三、結(jié)語

隨著社會的不斷發(fā)展，人類的平均壽命不斷延長，老年人在整個社會中的人口比率也在不斷的增長。“含飴弄孫，頤養(yǎng)天年”一直是中國人傳統(tǒng)中對老年人美好的祝福，智能產(chǎn)品正愈加融入我們的生活，醫(yī)療模式需要從以往的治療向預(yù)防的方向轉(zhuǎn)化。本文主要對一款以老年人為主體的主動式防摔鞋進(jìn)行設(shè)計和分析，為老年智能化防護(hù)裝置的的研究提供了一種新思路和新方法，尤其在如今老齡化程度不斷加深的現(xiàn)代社會中，對于幫助改善和消除疾病引起的身體功能和結(jié)構(gòu)障礙，提高老年人的獨(dú)立生活能力，提升老年人社會參與度具有重要意義。但主動式防摔鞋的控制算法仍需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，后續(xù)研究需要同時考慮慣性力矩、離心力矩等非線性力矩，利用控制算法，提高系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確性。

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