跌倒防護(hù)氣囊研發(fā)方法探究

陳淑娟 劉衛(wèi)東 姚俊 楊威* 毛龍 潘世云 賀芷薇

（1.湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所 湖北襄陽(yáng) 441003；2.應(yīng)急救生與安全防護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室湖北襄陽(yáng) 441003）

被動(dòng)安全技術(shù)［1-2］最早用于汽車領(lǐng)域，其核心是要在汽車碰撞事故中最大限度地保護(hù)乘員安全。隨著生活水平的提高，人們對(duì)自身的安全問(wèn)題越來(lái)越關(guān)注，在長(zhǎng)期的思考與實(shí)踐中，被動(dòng)安全技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域被不斷擴(kuò)展和發(fā)展?，F(xiàn)如今，基于汽車安全氣囊為核心的被動(dòng)安全技術(shù)被廣泛應(yīng)用于把包括賽車［3］、登山、馬術(shù)、滑雪［4］、跌倒［5-10］等場(chǎng)景中。

人體防護(hù)技術(shù)源于國(guó)外。早在2000年時(shí)，意大利的騎行用品制造商Dainese 就已著手將安全氣囊應(yīng)用于摩托車服裝，并于2014年取得突破，一旦系統(tǒng)被激發(fā)，安全氣囊可在45ms 內(nèi)彈出，為騎手的脖頸和肩膀提供保護(hù)。2015年，瑞典安全配件生產(chǎn)商POC和法國(guó)的初創(chuàng)公司IN&MOTION 聯(lián)合開(kāi)發(fā)了滑雪防護(hù)氣囊產(chǎn)品，并面向市場(chǎng)進(jìn)行銷售。法國(guó)的Helite 公司也在同一時(shí)期推出了馬術(shù)氣囊服及腰帶氣囊Hip′Safe產(chǎn)品。

由于跌倒現(xiàn)象最常發(fā)生，跌倒防護(hù)氣囊是一種專門針對(duì)人體跌倒保護(hù)而研發(fā)的產(chǎn)品，因此，對(duì)跌倒防護(hù)氣囊產(chǎn)品應(yīng)用和推廣有著廣闊的市場(chǎng)前景。目前，對(duì)于跌倒產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)在國(guó)內(nèi)也日漸興起。湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所作為國(guó)內(nèi)安全氣囊氣體發(fā)生器的生產(chǎn)廠商，在應(yīng)急救生與安全防護(hù)領(lǐng)域有著多年的研究基礎(chǔ)。本文主要論述在跌倒防護(hù)氣囊研發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)和方法，加快跌倒防護(hù)氣囊產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)的相關(guān)發(fā)展。

1 產(chǎn)品組成及工作原理

與汽車安全氣囊的組成及功能類似，跌倒防護(hù)氣囊主要是跌倒預(yù)先識(shí)別模塊、充氣模塊、氣袋及衣服構(gòu)成，具體產(chǎn)品組成圖如圖1所示。

圖1 跌倒防護(hù)氣囊產(chǎn)品組成圖

如圖2所示，跌倒防護(hù)氣囊的工作原理為跌倒預(yù)先識(shí)別模塊預(yù)先判斷人體是否發(fā)生跌倒動(dòng)作，傳遞及發(fā)送點(diǎn)火信號(hào)。充氣模塊根據(jù)信號(hào)指示產(chǎn)生點(diǎn)火動(dòng)作，儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)的高壓氣體或產(chǎn)氣藥瞬間釋放，向氣袋充氣，使氣袋迅速膨脹，氣袋可將撞擊力均勻地分布在所防護(hù)的部位，防止脆弱的髖部及頭部等區(qū)域與硬地面產(chǎn)生直接碰撞，大大降低受傷的可能性。

圖2 跌倒防護(hù)氣囊工作原理圖

2 研發(fā)思路及方法

2.1 跌倒預(yù)先識(shí)別模塊

跌倒預(yù)先識(shí)別模塊類似汽車安全氣囊中的ECU，是跌倒防護(hù)氣囊的重要組成模塊之一，該模塊用以預(yù)先判斷是否跌倒、傳遞及發(fā)送信號(hào)，其研發(fā)流程如圖3所示。

圖3 跌倒預(yù)先識(shí)別模塊的研發(fā)流程圖

跌倒預(yù)先識(shí)別模塊的研發(fā)主要分為硬件設(shè)計(jì)和算法設(shè)計(jì)兩部分。

在硬件設(shè)計(jì)中，根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際的功能需要，跌倒預(yù)先識(shí)別模塊需具有跌倒預(yù)先識(shí)別功能、點(diǎn)火觸發(fā)功能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、一鍵拔插開(kāi)關(guān)、電池電量檢測(cè)、聲光指示等功能。跌倒預(yù)先識(shí)別模塊采用鋰電池為系統(tǒng)電源，通過(guò)電源控制單元，將鋰電池電壓轉(zhuǎn)換為各單元工作所需電壓，并可通過(guò)充電管理模塊對(duì)鋰電池供電。主控單位為控制模塊的數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制單元，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和對(duì)系統(tǒng)其他單元控制功能。系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，用于記錄人體運(yùn)動(dòng)重要數(shù)據(jù)，同時(shí)具有電量檢測(cè)單元、外部通信單元、聲光指示單元和開(kāi)關(guān)檢測(cè)單元。

在算法設(shè)計(jì)中，為提高識(shí)別的準(zhǔn)確率，需要對(duì)人體的日常活動(dòng)和跌倒動(dòng)作開(kāi)展深入研究，分析日常生活事件與跌倒動(dòng)作特征信號(hào)的規(guī)律，進(jìn)而建立跌倒識(shí)別模型。跌倒預(yù)先識(shí)別模塊采用MEMS運(yùn)動(dòng)感傳感器檢測(cè)人體加速度、角速度等信號(hào)，經(jīng)算法建模，提取跌倒特征信號(hào)，通過(guò)閾值對(duì)比，識(shí)別出人體的跌倒動(dòng)作，進(jìn)而判斷是否跌倒。

在硬件及算法初步設(shè)計(jì)完成后，需對(duì)其基本性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，具體包括待機(jī)時(shí)間、跌倒動(dòng)作的特異度和靈敏度。需要指出的是，特異度和靈敏度的計(jì)算需要積累大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)滿足指標(biāo)要求后，可認(rèn)為跌倒預(yù)先識(shí)別模塊滿足實(shí)際使用要求，若準(zhǔn)確率太低，則需要重新更改硬件中的電路板設(shè)計(jì)及算法修正，直至準(zhǔn)確率和誤報(bào)率滿足要求。

2.2 充氣模塊

充氣模塊的主要作用是為氣袋提供高安全性快速充氣氣源，也是跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，充氣模塊的研發(fā)流程圖如圖4所示。

圖4 氣袋的研發(fā)流程圖

在充氣模塊組件研發(fā)過(guò)程中，首先，應(yīng)根據(jù)氣袋的容積范圍（氣袋分為大、中、小號(hào)）、最佳工作壓力范圍及工作的環(huán)境溫度范圍，確定充氣模塊所能提供的最大氣量，它可由式（1）中的理想氣體狀態(tài)方程確定：

式中：P表示氣袋的工作壓力，單位為Pa；V表示氣袋的體積，單位為m3；n為氣體的摩爾量，單位為mol；T為環(huán)境溫度，單位為K。

最大充氣量確定后，就需要對(duì)充氣氣源進(jìn)行選擇。目前廣泛使用的充氣氣源主要分為3 種，即儲(chǔ)氣瓶式氣體發(fā)生器、煙火式氣體發(fā)生器和混合式氣體發(fā)生器，3種充氣氣源的特點(diǎn)如表1所示。

由表1可知，從實(shí)用效果來(lái)說(shuō)，混合式氣體發(fā)生器是最佳的選擇，它可同時(shí)兼具充氣速度快、氣體溫度低及穿戴舒適性好等特點(diǎn)。

表1 3 種氣源充氣方式的對(duì)比

充氣氣源確定后，需要進(jìn)行氣體發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的因素包括發(fā)生器外形尺寸、瓶口尺寸及厚度。由于發(fā)生器具有一定重量，為保證穿戴舒適感，應(yīng)將其尺寸設(shè)計(jì)得盡可能小。當(dāng)氣量一定時(shí)，容積越小，其內(nèi)部壓強(qiáng)將增加，這又將影響發(fā)生器殼體的強(qiáng)度，進(jìn)而通過(guò)增加壁厚以保證安全，最終導(dǎo)致重量增加。因此，外形尺寸設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮舒適性及安全性。其次，瓶口尺寸的設(shè)計(jì)將影響氣瓶的放氣速度，這也是發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮的因素。

為保證可靠的點(diǎn)火性能，電爆管是最常使用的電點(diǎn)火器，它利用瞬時(shí)釋放的壓力刺穿儲(chǔ)氣瓶式氣體發(fā)生器，或利用點(diǎn)火能量點(diǎn)燃煙火式氣體發(fā)生器、混合式氣體發(fā)生器內(nèi)的產(chǎn)氣藥，進(jìn)而釋放氣體，為氣袋充氣。市場(chǎng)上常用的電爆管按照點(diǎn)火藥量的不同分為60mg、110mg、180mg 及260mg 等幾種規(guī)格，大藥量的電爆管工作時(shí)可建立更大的壓強(qiáng)，理論上可更迅速刺破瓶口封片，但其產(chǎn)生的噪音也將成倍增加，選擇時(shí)需要兼顧。

參照汽車安全氣囊壓力容器試驗(yàn)［11-13］，在充氣模塊的結(jié)構(gòu)尺寸、充氣量、電爆管等參數(shù)確定后，即可對(duì)充氣模塊進(jìn)行壓力容器試驗(yàn)，考察其高低常溫下不同時(shí)刻氣體壓強(qiáng)。充氣模塊在壓力容器中的壓力曲線和其在氣袋中的壓力存在一定關(guān)系，可以利用氣袋正常工作時(shí)的壓力來(lái)對(duì)充氣模塊的性能提出要求。人體在發(fā)生不受控跌倒動(dòng)作到接觸地面的時(shí)間約為300～500ms，這就要求氣袋內(nèi)部的壓力在落地前達(dá)到正常工作壓力。因此，可通過(guò)考察充氣模塊在壓力容器中500ms 時(shí)刻的壓力值判斷是否滿足防護(hù)要求，充氣速度過(guò)慢則無(wú)法達(dá)到防護(hù)效果。

氣袋內(nèi)部的壓力和壓力容器中壓力同樣滿足式（1）中的理想氣體狀態(tài)方程：

(p氣袋+ 101)V氣袋=nRT

p罐壓V容器=nRT

由于方程右端的充氣模塊的氣量是固定的，因此，最終可得氣袋內(nèi)部的壓力和壓力罐內(nèi)部的壓力如式（2）：

式中：P氣袋表示氣袋內(nèi)部的壓力，單位為kPa；V氣袋表示氣袋的容積，單位為L(zhǎng)；N表示充氣模塊的個(gè)數(shù)；P罐壓為壓力容器內(nèi)的壓力，單位為kPa；V容器為壓力容器的體積，單位為L(zhǎng)。

例如，當(dāng)氣袋內(nèi)部的工作壓力設(shè)計(jì)為30kPa時(shí)，可通過(guò)氣袋的容積、壓力罐的容積及充氣模塊的個(gè)數(shù)，得到充氣模塊在壓力罐內(nèi)的500ms時(shí)刻達(dá)到的最低壓力值。若實(shí)際測(cè)試結(jié)果超過(guò)計(jì)算的設(shè)計(jì)壓力值時(shí)，則滿足要求，后續(xù)將繼續(xù)完成氣袋與充氣模塊的聯(lián)合充氣試驗(yàn)；若不滿足，則需要重新修改充氣模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等參數(shù)，重復(fù)進(jìn)行后續(xù)步驟，直至滿足要求為止。

2.3 氣袋

氣袋是跌倒防護(hù)氣囊的重要組成模塊之一，它將直接為人體提供安全保護(hù)。圖5所示為氣袋的研發(fā)流程圖。

圖5 氣袋的研發(fā)流程圖

在氣袋組件研發(fā)過(guò)程中，首先應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品保護(hù)對(duì)象及跌倒導(dǎo)致的易損傷部位進(jìn)行科學(xué)判斷。經(jīng)過(guò)醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)調(diào)查顯示，老年人身體機(jī)能的退貨程度隨著年齡的增長(zhǎng)而加深，骨質(zhì)疏松導(dǎo)致跌倒后的損傷程度較年輕人更為嚴(yán)重。老年人跌倒后發(fā)生骨折的最常見(jiàn)部位有股骨頸、股骨粗隆間，股骨頸骨折與股骨粗隆間骨折都屬于髖部骨折，這與Youm T［14］等學(xué)者報(bào)道的90%的股骨近端骨折由跌倒引起的結(jié)論相一致。因此，跌倒防護(hù)氣囊的適用對(duì)象為老年人，防護(hù)部位為髖部。

在人體防護(hù)部位確定后，根據(jù)人體工程學(xué)原理，參考GB 10000-88中國(guó)成年人人體尺寸中腰圍尺寸及文獻(xiàn)［15］中髖骨尺寸數(shù)據(jù)，可將氣袋形狀設(shè)定至覆蓋受傷范圍，尺寸設(shè)計(jì)為不同型號(hào)，例如，成年男女的腰圍總體尺寸在50～106cm。氣袋髖部尺寸如表2所示，以覆蓋不同人群。

表2 各型號(hào)髖部氣袋設(shè)計(jì)尺寸

氣袋的形狀及尺寸確定后，即可初選氣袋的材料。氣袋材料選擇原則如下。（1）強(qiáng)度高：需要滿足氣袋瞬間造成的氣流沖擊及承受人體跌倒后與地面之間的撞擊力。（2）材料輕薄柔軟：接近于衣服面料，穿戴后不引起異物感。（3）氣密性好：在氣袋與地面撞擊前材料的泄漏率不宜過(guò)大，否則沒(méi)有保護(hù)效果。目前，較常用于氣囊織物［16］的原料包括聚酰胺纖維和聚酯纖維兩大類。

初選材料后，即可加工制作小樣。通過(guò)對(duì)小樣進(jìn)行爆破試驗(yàn)，測(cè)試得到氣袋材料所能承受的極限壓力，并與氣袋最佳設(shè)計(jì)壓力［5］進(jìn)行對(duì)比，加上經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)后，判斷初選材料是否滿足設(shè)計(jì)要求。若滿足，即可進(jìn)一步進(jìn)行氣袋的充氣試驗(yàn)，測(cè)試氣袋在工作狀態(tài)下的防護(hù)效果；若不滿足氣袋強(qiáng)度指標(biāo)要求，則需重新更換氣袋材料，重復(fù)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證工作。

氣袋研發(fā)的最后一步是測(cè)試防護(hù)效果。參考作者之前的研究結(jié)果［5］，采用仿真結(jié)合試驗(yàn)的方法，即可得到人體所受的峰值沖擊力。如圖6所示，沖擊力的測(cè)試在跌倒沖擊臺(tái)上進(jìn)行，將峰值沖擊力與人體骨折閾值［17］進(jìn)行對(duì)比，若沖擊力低于閾值，則氣袋研發(fā)工作結(jié)束；若沖擊力較高，則適當(dāng)調(diào)整工作壓力及排氣孔大小等參數(shù)，重新測(cè)試氣袋的防護(hù)效果，直至滿足要求為止。

圖6 跌倒沖擊臺(tái)

圖7所示為研發(fā)過(guò)程中在跌落沖擊臺(tái)測(cè)試得到的峰值沖擊力對(duì)比圖，相比于沒(méi)有氣袋的情況，峰值沖擊力已降低至可接受的范圍，氣袋對(duì)被保護(hù)人群的防護(hù)效果作用明顯。

圖7 峰值沖擊力對(duì)比圖

2.4 衣服

衣服作為功能模塊的載體，在實(shí)際中可適當(dāng)弱化其作用，重點(diǎn)突出功能模塊，將跌倒預(yù)先識(shí)別模塊、充氣模塊、氣袋完美融合即可。衣服在研發(fā)過(guò)程中需要注意與其他各模塊的接口連接關(guān)系，具體如圖8所示。

圖8 衣服研發(fā)流程圖

在衣服與氣袋的連接中，考慮拆洗及安裝的方便性，通常可采取拉鏈、魔術(shù)貼或者連接帶的方式。在衣服與充氣模塊的連接中，通?？刹扇≡谝路喜贾每诖姆绞?。跌倒預(yù)先識(shí)別模塊則可采用可調(diào)節(jié)魔術(shù)貼的形式。固定方式多種多樣，唯一的要求就是保證系統(tǒng)連接的可靠性和穩(wěn)定性。

當(dāng)然，從美學(xué)的角度出發(fā)，外觀將直接影響消費(fèi)者的購(gòu)買意愿。在此不做過(guò)多論述。

2.5 系統(tǒng)布局及工作可靠性

上文分別從分模塊出發(fā)，論述各個(gè)模塊的研發(fā)思路。作為一個(gè)直接面向消費(fèi)者的產(chǎn)品，需要保證整個(gè)系統(tǒng)的高安全性及高可靠性，這就需要從總體出發(fā)，全面、科學(xué)、客觀地分析產(chǎn)品的總體性能，跌倒防護(hù)氣囊產(chǎn)品的研發(fā)流程圖如圖9所示。

圖9 跌倒防護(hù)氣囊的研發(fā)流程圖

在跌倒氣囊系統(tǒng)研發(fā)中，跌倒預(yù)先識(shí)別模塊、充氣模塊、氣袋及衣服4 個(gè)模塊之間相互交叉，密不可分。在分模塊各項(xiàng)性能滿足要求后，可進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)，最后考察總體性能指標(biāo)?？傮w性能指標(biāo)包括系統(tǒng)待機(jī)時(shí)間、跌倒預(yù)先識(shí)別模塊的特異度和靈敏度、系統(tǒng)的防護(hù)效果、系統(tǒng)工作噪音及氣袋的充氣展開(kāi)時(shí)間等。當(dāng)所有指標(biāo)完全滿足要求后，即完成整個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)工作；若不滿足，則將根據(jù)結(jié)果繼續(xù)對(duì)分模塊的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整，直至產(chǎn)品進(jìn)行聯(lián)試試驗(yàn)后所有指標(biāo)均滿足要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在介紹跌倒防護(hù)氣囊的基礎(chǔ)上，分別從跌倒預(yù)先識(shí)別模塊、充氣模塊、氣袋及衣服4個(gè)組成部分詳細(xì)討論了各個(gè)模塊在研發(fā)過(guò)程中的方法和流程。對(duì)如跌倒預(yù)先識(shí)別、氣體發(fā)生器快速充氣、壓力容器與氣囊壓力的換算、氣袋的防護(hù)效果評(píng)價(jià)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。由于國(guó)外的公司在相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了長(zhǎng)期的技術(shù)積累，國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)才剛剛起步，在跌倒算法及快速充氣等核心領(lǐng)域還需要重大突破。隨著中國(guó)人口老齡化的加快，希望相關(guān)的從業(yè)人員能就此積極探索，為“健康中國(guó)2030”保駕護(hù)航。