基于三軸加速度傳感器的老年人摔倒防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

史峰 彭雪鵬 付饒

[摘 ? ?要]隨著老齡化社會(huì)的發(fā)展進(jìn)程，老年人摔倒問(wèn)題已經(jīng)成為影響老年人身體的重要因素。跌倒是老年人意外事故的第二大主因，中國(guó)每年因跌倒造成的直接醫(yī)療費(fèi)用在50億元以上，社會(huì)代價(jià)約為160～180億元。根據(jù)老年人跌倒時(shí)的常見(jiàn)狀態(tài)，研究了一種老年人摔倒防護(hù)裝置，包含ESA吸能殼體、多室氣囊、鋁蜂窩緩沖管、檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。檢測(cè)系統(tǒng)中的三軸加速度傳感器檢測(cè)到跌倒信號(hào)后，控制系統(tǒng)激發(fā)鋁蜂窩緩沖管彈出，實(shí)現(xiàn)瞬間復(fù)合防護(hù)。

[關(guān)鍵詞]老年人;加速度傳感器;摔倒防護(hù)

[中圖分類(lèi)號(hào)]TP212 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）01–00–03

[Abstract]With the development of aging society， the problem of falling of the elderly has become an important factor affecting the health of the elderly. Falls are the second major cause of accidents among the elderly. The direct medical cost caused by falls in China is more than 5 billion yuan every year， and the social cost is about 16-18 billion yuan. According to the common state of the elderly falling， this paper studies a fall protection device for the elderly， including ESA energy absorption shell， multi chamber air bag， aluminum honeycomb buffer tube， detection system and control system. After the three-axis acceleration sensor in the detection system detects the fall signal， the control system excites the aluminum honeycomb buffer tube to pop up to realize instantaneous composite protection.

[Keywords]the elderly; Acceleration sensor; Fall protection

在影響健康的因素中，跌倒由于發(fā)生率高、后果嚴(yán)重及其導(dǎo)致誘發(fā)其他疾病已成為老年人傷害致死的首位死因，青壯年人跌倒時(shí)，能主動(dòng)用手掌、手臂、手肘、身體側(cè)面來(lái)緩沖跌倒的力量，避免身體受到傷害;老年人跌倒時(shí)往往來(lái)不及反應(yīng)，跌倒的姿勢(shì)不正確，加之鈣流失造成的骨質(zhì)疏松，受沖擊后，在尾椎部位、髖部部位，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的身體創(chuàng)傷。研究一種低成本、便于老年人操作使用的智能穿戴防護(hù)裝置，對(duì)于降低或者消除老年人的跌倒傷害有著積極的意義，在我國(guó)逐步進(jìn)入老齡化社會(huì)的背景下意義尤為

重要。

1 智能穿戴防護(hù)裝置發(fā)展概況

近幾年智能穿戴設(shè)備技術(shù)發(fā)展較快，檢測(cè)老年人跌到并提示報(bào)警的產(chǎn)品很多，跌倒時(shí)進(jìn)行主動(dòng)防護(hù)的產(chǎn)品較少。

1.1 跌倒檢測(cè)方法分類(lèi)

（1）利用視頻圖像信息檢測(cè)老人跌倒

用攝像頭捕捉人體動(dòng)作，跌倒情況下，身體會(huì)以非正常速度移動(dòng)，將其速度特性界定為摔倒。此方法優(yōu)點(diǎn)是老年人可以不穿戴檢測(cè)設(shè)備，缺點(diǎn)是使用場(chǎng)合受限，缺乏隱私，容易造成老年人的抵觸。

（2）利用跌倒時(shí)的振動(dòng)檢測(cè)老人跌倒

在地板上安裝振動(dòng)傳感器或聲波傳感器，跌倒情況下會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)或聲波，將其特性值界定為摔倒。該方法優(yōu)點(diǎn)是老年人可以不穿戴設(shè)備，隱私保護(hù)較好;缺點(diǎn)是使用場(chǎng)合有局限，不同地面對(duì)于聲音、沖擊的誤判概率較大。

（3）基于可穿戴技術(shù)的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)

使用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體的動(dòng)作，跌倒情況下的人體加速度、傾斜角度會(huì)偏大，可將超過(guò)一定數(shù)值的加速度、傾斜角度界定為摔倒。通過(guò)測(cè)量老人行走、坐下-起立、蹲下-起立、跌倒的常規(guī)動(dòng)作的角速度、加速度，可以得到一個(gè)跌倒?fàn)顟B(tài)下的加速度、傾角閾值，然后用傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量的加速度、傾角與閾值比較，判斷跌倒沖擊是否發(fā)生。

該方法不受地點(diǎn)的限制，使用范圍廣，且設(shè)備便于攜帶。缺點(diǎn)是選取加速度和身體的傾斜角這兩個(gè)特征作為判別跌倒行為具有局限性。老年人的身體素質(zhì)不同，生活中各種身體姿態(tài)各異，加速度、傾角閾值的確定有困難，正常動(dòng)作被誤判斷為摔倒和慢速摔倒而沒(méi)有檢測(cè)出來(lái)的可能性都存在。

1.2 跌倒防護(hù)方法分類(lèi)

1.2.1 氣囊防摔

氣囊防摔裝置是利用氣體形成的保護(hù)區(qū)，減少碰撞的沖擊，有發(fā)生化學(xué)氣體、內(nèi)置高壓氣瓶?jī)煞N類(lèi)型。氣囊防摔的缺點(diǎn)有三個(gè)，①成本問(wèn)題，每次激發(fā)需要跟換氣體發(fā)生器或氣瓶，成本都不低于500元;老人摔倒的姿勢(shì)過(guò)多，建模困難較大，存在誤判的可能性。老人日常的行動(dòng)和無(wú)意識(shí)摔倒之間的加速度和角度差別很大，有些動(dòng)作容易引發(fā)誤判，如老人迅速坐在沙發(fā)上與老人臀部先著地的摔倒，傳感器就容易產(chǎn)生誤判而激發(fā)氣體，提高了使用成本。②更換難度問(wèn)題，很多老人不具備更換氣體發(fā)生器或重新替換氣瓶的能力，需要把裝置寄回廠家復(fù)原。③防摔氣囊的位置一般只設(shè)置在腰部，防護(hù)位置有限。

1.2.2 防護(hù)墊防摔

國(guó)內(nèi)多家機(jī)構(gòu)就老年人的骨折機(jī)制研究了防護(hù)墊的設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)由氣墊、海綿、泡沫、硬質(zhì)高分子、凝膠材料等組成，可有效地減少摔倒造成的傷害。防護(hù)墊防摔的缺點(diǎn)：防護(hù)墊一般比較厚重，增加了老人的負(fù)擔(dān)，尤其是夏季，防護(hù)墊導(dǎo)致老人過(guò)于悶熱。

2 老年人摔倒防護(hù)裝置原理及組成

老年人摔倒防護(hù)裝置由尾椎部位防護(hù)墊、腕部防護(hù)墊、肘部防護(hù)墊、肩部防護(hù)墊、膝部防護(hù)墊、髖部防護(hù)墊組成，如圖1所示。

2.1 摔倒防護(hù)裝置各部位減振方案

老年人摔倒時(shí)，腕部、肘部、肩部、膝部受沖擊相對(duì)較小，采用ESA吸能殼體+多室氣囊二級(jí)復(fù)合減振方案;髖部、尾椎部位受沖擊較大，采用ESA吸能殼體+多室氣囊+鋁蜂窩緩沖管三級(jí)復(fù)合減振方案。

2.2 髖部、尾椎部位防護(hù)墊減振原理

髖部防護(hù)墊、尾椎部位防護(hù)墊復(fù)合減振方案第一級(jí)為鋁蜂窩緩沖管減振，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，可安裝于空間狹小的防護(hù)墊內(nèi)。第二級(jí)為多室氣囊減振，在氣囊側(cè)壁有排氣孔，當(dāng)瞬時(shí)沖擊力作用于氣囊時(shí)，氣囊中的空氣由排氣孔排出，利用氣體在流動(dòng)腔和容納腔間流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)減振。第三級(jí)為ESA沖擊吸能片材制作的殼體減振，ESA吸能殼體在使用時(shí)，通過(guò)在ESA吸能殼體背面粘接膠層與人體各個(gè)關(guān)節(jié)防護(hù)部位的服裝進(jìn)行粘接固定，ESA吸能殼體起到減吸能的作用，ESA材料在正常情況下保持松弛的狀態(tài)不會(huì)影響人的正常活動(dòng)，當(dāng)遭到劇烈撞擊的時(shí)候迅速收緊變硬，形成一層防護(hù)層，從而減少撞擊對(duì)使用者身體的傷害。

2.3 三級(jí)減振吸能情況

老年人摔倒受沖擊時(shí)，股骨處所產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊力為3 300～3 700 N，ESA吸能殼體能將摔倒時(shí)的沖擊力吸收800～500 N，多室氣囊能將摔倒時(shí)的沖擊力吸收800～1 000 N，ESA吸能殼體內(nèi)部圓周陣列設(shè)有鋁蜂窩緩沖管，鋁蜂窩被壓潰產(chǎn)生吸能作用，能將摔倒時(shí)的沖擊力吸收1 500～2 000 N。經(jīng)過(guò)三級(jí)減振，瞬時(shí)沖擊力由3 700 N減少到小于1 000 N，老年人因?yàn)楣趋览匣肮琴|(zhì)酥松的原因，股骨所能抵抗的沖擊力平均在2 100 N左右，小于1 000 N左右的沖擊基本不會(huì)導(dǎo)致骨折。

3 尾椎、髖部部位防護(hù)墊組成及工作原理

3.1 尾椎、髖部部位防護(hù)墊組成

尾椎、髖部部位防護(hù)墊（圖2）由ESA吸能殼體、控制裝置、通電裝置、三軸加速度傳感器、多室氣囊、鋁蜂窩緩沖管等部件組成。

3.2 尾椎部位防護(hù)墊工作原理

老年人跌倒的行為通常發(fā)生在2 s以?xún)?nèi)。在跌倒的過(guò)程中，瞬間移動(dòng)的身體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)加速度，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生身體偏離豎直方向的角度。在老年人正常行走過(guò)程中，軀干偏離的傾斜角一般不多于45°，跌倒后，軀干偏離的傾斜角接近90°。因此選取加速度和身體的傾斜角這兩個(gè)特征作為判別跌倒與其他日?；顒?dòng)的依據(jù)。

加速度傳感器能夠測(cè)量由于重力引起的加速度，通過(guò)分析動(dòng)態(tài)加速度，可以測(cè)算出設(shè)備移動(dòng)的方式。本文使用的三軸加速度傳感器，基于重力原理，可測(cè)試雙軸正負(fù)90°或雙軸0～360°的傾角，三軸加速度傳感器已被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子、微電子等領(lǐng)域，技術(shù)上比較像成熟。隨著三軸加速度傳感器的微型化，各種MEMS陀螺儀、加速度傳感器在醫(yī)療可穿戴智能設(shè)備上運(yùn)用的越來(lái)越廣闊。

尾椎、髖部部位防護(hù)墊里的三軸加速度傳感器，檢測(cè)出加速度與人體傾斜角度，判斷出跌倒事件，在預(yù)判出跌倒后人體是處于俯臥、側(cè)臥或仰臥的狀態(tài)。在側(cè)臥的狀態(tài)，髖部防護(hù)墊部位的鋁蜂窩緩沖管彈出;在仰臥的狀態(tài)，尾椎部位防護(hù)墊部位的鋁蜂窩緩沖管彈出;減小老人受到直接的力沖擊。在俯臥的狀態(tài)，沖擊主要發(fā)生在腕部、肘部、肩部、膝部，相應(yīng)的部位均有防護(hù)墊，鋁蜂窩緩沖管不彈出。

防護(hù)墊控制裝置內(nèi)部設(shè)有三軸加速度傳感器和通電裝置，采用基于三軸加速度傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)人體狀態(tài)，根據(jù)檢測(cè)出的沖擊量與人體傾斜角度，判斷出跌倒事件，鋁蜂窩緩沖管底端螺紋連接設(shè)有螺紋連接座，螺紋連接座兩側(cè)貫穿設(shè)有支撐轉(zhuǎn)軸，支撐轉(zhuǎn)軸表面設(shè)有旋轉(zhuǎn)彈簧，旋轉(zhuǎn)彈簧端部與螺紋連接座內(nèi)部固定，鋁蜂窩緩沖管頂面開(kāi)設(shè)有限位槽，且限位槽為盲槽，限位槽內(nèi)部設(shè)有限位銷(xiāo)，限位銷(xiāo)頂部設(shè)有電磁鐵，電磁鐵兩端固定設(shè)有支撐架，支撐架遠(yuǎn)離電磁鐵的一端與ESA吸能殼體內(nèi)壁固定，限位銷(xiāo)兩側(cè)對(duì)稱(chēng)設(shè)有導(dǎo)向件，導(dǎo)向件遠(yuǎn)離限位銷(xiāo)的一端與ESA吸能殼體內(nèi)壁固定。

常規(guī)狀態(tài)下，限位銷(xiāo)插入鋁蜂窩緩沖管頂部的限位槽內(nèi)部，在導(dǎo)向件的作用下對(duì)鋁蜂窩緩沖管進(jìn)行限位，防止鋁蜂窩緩沖管在旋轉(zhuǎn)彈簧的作用下彈出，鋁蜂窩緩沖管在控制裝置檢測(cè)人體加速度異常時(shí)，控制裝置通過(guò)通電裝置對(duì)電磁鐵進(jìn)行通電，通電后的電磁鐵對(duì)限位銷(xiāo)進(jìn)行吸附，使限位銷(xiāo)沿導(dǎo)向件上移，向電磁鐵靠近，使限位銷(xiāo)底端脫離鋁蜂窩緩沖管頂部的限位槽，鋁蜂窩緩沖管在沒(méi)有限位銷(xiāo)的限制時(shí)，在旋轉(zhuǎn)彈簧與支撐轉(zhuǎn)軸的作用下，旋轉(zhuǎn)彈出，鋁蜂窩緩沖管受到外部沖擊力后壓潰變形，吸收老人摔倒時(shí)的絕大多數(shù)的沖擊力。

3.3 鋁蜂窩緩沖管壓潰后的更換

鋁蜂窩緩沖管在被壓潰后，通過(guò)底端繞螺紋連接座旋轉(zhuǎn)卸下，更換新的鋁蜂窩緩沖管與螺紋連接座進(jìn)行連接，通過(guò)手動(dòng)將支撐轉(zhuǎn)軸表面的螺紋連接座繞旋轉(zhuǎn)彈簧旋轉(zhuǎn)恢復(fù)至初始位置，控制裝置的通電裝置對(duì)電磁鐵進(jìn)行斷電，電磁鐵對(duì)限位銷(xiāo)停止吸附，限位銷(xiāo)沿導(dǎo)向件掉落至鋁蜂窩緩沖管頂部的限位槽內(nèi)部，繼續(xù)對(duì)鋁蜂窩緩沖管進(jìn)行限位，采用ESA吸能殼體對(duì)使用者的腕部、肘部、肩部、膝部、髖部和尾椎進(jìn)行固定。

4 老年人摔倒防護(hù)裝置優(yōu)點(diǎn)

設(shè)計(jì)了一套老年人摔倒防護(hù)系統(tǒng)，針對(duì)老年人發(fā)生跌倒時(shí)的狀況，將老年人在日常生活中所穿著的衣物和具有保護(hù)功能的電子器具結(jié)合起來(lái)，利用已經(jīng)成熟的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低成本防護(hù)的目的。

現(xiàn)有的技術(shù)在人體發(fā)生跌倒行為時(shí)第一時(shí)間檢測(cè)出并發(fā)出警報(bào)求助等方面比較成熟，但能主動(dòng)防護(hù)的產(chǎn)品不多，具備主動(dòng)防護(hù)功能的防摔倒安全氣囊的產(chǎn)品也已經(jīng)出現(xiàn)，由于老人摔倒的姿態(tài)過(guò)多，建模困難較大，存在誤判的可能性，誤判后恢復(fù)、使用成本偏高。

5 結(jié)束語(yǔ)

本裝置利用現(xiàn)有成熟技術(shù)，制造了一組老年人摔倒防護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)了操作簡(jiǎn)單、體積小、使用方便、成本低、便于攜帶、減振防護(hù)效果優(yōu)良。本裝置在傳感器出現(xiàn)誤判后，將鋁蜂窩緩沖管壓回控制器即可，老年人可自主完成，減少了不必要的成本。鋁蜂窩緩沖管受沖擊后，如沖擊力較大，產(chǎn)生壓潰，則更換鋁蜂窩緩沖管，更換較為方便，老年人可自主完成;如沖擊力較小未產(chǎn)生壓潰，將鋁蜂窩緩沖管壓入控制器繼續(xù)使用即可，其使用成本比現(xiàn)有的主動(dòng)防護(hù)成品降低50%以上。減少老年人跌倒受傷帶來(lái)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和精神負(fù)擔(dān)。有效減輕社會(huì)和子女的壓力，讓老年人更加放心的走出家門(mén)，提高老年人晚年生活的品質(zhì)。

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