老人防摔腰帶的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

河南理工大學(xué) 史晨琛 李浩楠 王子洋 李致川 李 揚(yáng) 包佳鵬

為守護(hù)老人身體健康，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種能夠提前預(yù)測老人摔倒的腰帶，以緩沖氣囊為主，緩解摔倒后對人體的沖擊力從而起到保護(hù)作用。其憑借輕便美觀及全自動(dòng)工作過程在降低操作難度的同時(shí)保證了穿戴的舒適性，為保障老年人的健康安全提供了全新角度的解決方案。

1 老人防摔腰帶總體設(shè)計(jì)

1.1 功能設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品是一款基于單片機(jī)和氣囊的老人防護(hù)產(chǎn)品。通過傳感器預(yù)測摔倒的發(fā)生，由控制器觸發(fā)電磁閥使壓縮氣體充入氣囊，在摔倒前及時(shí)彈出來保護(hù)老人的安全。緩沖氣囊經(jīng)折疊后固定在人體的腰間，彈出后用于保護(hù)佩戴者的臀部、后腰以及大腿兩側(cè)，以此來大大減少摔倒后受到的傷害。與此同時(shí)，我們的產(chǎn)品采取用戶和家屬實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)的理念，在腰帶上安裝有警報(bào)裝置，在老人摔倒后發(fā)出警報(bào)聲來吸引周圍人的注意，并且設(shè)有相關(guān)手機(jī)APP與地圖導(dǎo)航軟件關(guān)聯(lián)，可將老人摔倒位置信息發(fā)送給監(jiān)護(hù)人，以此保障老人的安全，給予第一時(shí)間的救護(hù)。

圖1 防摔腰帶主體結(jié)構(gòu)

1.2 產(chǎn)品組成部分

主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，老人防摔腰帶的主要組成部分有：高彈力腰帶、壓縮氣瓶、尼龍材質(zhì)的緩沖氣囊、摔倒檢測模塊。

動(dòng)力源：小型蓄電池。

控制與信息處理裝置：微控制器、ESP8266WiFi模塊、STM32ZET6單片機(jī)。

呼救裝置：GPS模塊、警報(bào)模塊。

1.3 充氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

充氣系統(tǒng)主要由電磁閥、耐壓管，壓縮氣瓶與折疊狀態(tài)的緩沖氣囊組成。當(dāng)摔倒發(fā)生時(shí)，在接收到單片機(jī)傳來的信號(hào)后，電磁閥打開使得壓縮氣瓶中的氣體經(jīng)由耐壓管進(jìn)入折疊狀態(tài)的緩沖氣囊，最終氣囊在0.11s內(nèi)展開，完成彈出過程。氣囊展開后將包裹老人的腰部、臀部以及大腿兩側(cè)，緩沖地面對于腰部、臀部的沖擊，最大限度地減輕摔倒帶來的損傷。

2 摔倒檢測模塊工作原理

2.1 摔倒檢測機(jī)理

根據(jù)研究資料顯示，摔倒分為4個(gè)階段，即初態(tài)、失衡態(tài)、觸地態(tài)、觸地平衡態(tài)。通過查閱資料以及多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由失衡態(tài)到觸地平衡態(tài)往往須耗時(shí)1.2～2.9s。所以，本項(xiàng)目須在1s內(nèi)完成由摔倒檢測至氣囊展開。

我們在實(shí)驗(yàn)人員面對方向建立右手系坐標(biāo)，以腰部為坐標(biāo)原點(diǎn)，將繞x、y、z軸的角度變化分別看作正彎程度、側(cè)彎程度和自轉(zhuǎn)角度。通過標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)值變化計(jì)算加速度與角速度，判斷是否摔倒。

根據(jù)調(diào)查顯示，不同劇烈程度的行為表現(xiàn)出的標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)變化幅度也相應(yīng)的不同。實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行日常的活動(dòng)時(shí)，標(biāo)記點(diǎn)變化幅度較??；當(dāng)實(shí)驗(yàn)人員模擬跌倒過程時(shí)，標(biāo)記點(diǎn)變化幅度較大。圖2中包括了站姿、坐姿、行走和摔倒四種狀態(tài)。

圖2 日常行為標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)變化曲線

觀察圖2得出數(shù)據(jù)如表1所示：根據(jù)行為的劇烈程度，可通過加速度變化值以及角速度幅值區(qū)分為靜態(tài)行為與動(dòng)態(tài)行為。當(dāng)實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行摔倒行為模擬時(shí)，加速度變化值以及角速度幅值較行走與坐姿狀態(tài)有明顯區(qū)別，具有幅值大，頻率高，變化速度快等特點(diǎn)。

表1 加速度以及角速度的變化與實(shí)驗(yàn)員狀態(tài)的關(guān)系

基于圖2的分析，項(xiàng)目組進(jìn)行了200次摔倒模擬試驗(yàn)，采集歸納每一組的標(biāo)記點(diǎn)加速度以及角速度幅值數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行分析，得出在摔倒?fàn)顟B(tài)時(shí)加速度變化范圍，經(jīng)過算法處理后存入數(shù)據(jù)庫中。在檢測系統(tǒng)工作時(shí)，將傳感器傳回的數(shù)據(jù)，同數(shù)據(jù)庫中的既存數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，從而判斷摔倒是否發(fā)生。

圖3 人體偏轉(zhuǎn)角示意圖

當(dāng)人體在站立狀態(tài)時(shí)，x，y軸平行于地面，z軸垂直于地面，合加速度a的算法如下式所示：

式中：當(dāng)摔倒發(fā)生時(shí)，a＞0。人體偏轉(zhuǎn)角如圖3所示，θ1為側(cè)向角，繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)；θ2為俯仰方向角，繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)；θ3為身體自轉(zhuǎn)角，繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)人體發(fā)生摔倒時(shí)，θ1、θ2、θ3的值均不為0。但是當(dāng)老人做出與摔倒類似的動(dòng)作，例如走路，上樓梯，跑步等動(dòng)作時(shí)，均會(huì)使標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)生改變。

2.2 摔倒檢測系統(tǒng)整體方案

人體摔倒檢測系統(tǒng)主要包含三個(gè)部分：

（1）收集日常活動(dòng)標(biāo)記點(diǎn)加速度和角速度的陀螺儀模塊：我們將微型陀螺儀模塊安裝于腰部兩側(cè)，在用戶日常生活中對加速度以及角速度進(jìn)行測量，并將數(shù)據(jù)傳回控制模塊。

（2）接受和處理信息并發(fā)出指令的控制模塊：將傳感器傳回的數(shù)據(jù)利用內(nèi)置的算法處理，當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)處于摔倒判斷區(qū)間時(shí)，判定為摔倒發(fā)生并啟動(dòng)氣囊觸發(fā)裝置。

（3）報(bào)警和定位的手機(jī)APP：當(dāng)檢測到摔倒發(fā)生，控制模塊將蜂鳴器的使能引腳置高，觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。通過通訊模塊向預(yù)設(shè)的監(jiān)護(hù)人手機(jī)APP發(fā)送警報(bào)信息與摔倒位置。

2.3 程序設(shè)計(jì)

如圖4流程圖顯示，首先通過加速度傳感器和角速度傳感器收集人體在日常生活中以及摔倒時(shí)的數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)模塊工作時(shí)，將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)通過Kalman濾波算法處理后同數(shù)據(jù)庫中收集的日常數(shù)據(jù)作比較，來判斷摔倒是否發(fā)生。

圖4 摔倒檢測程序流程圖

結(jié)論：我們通過傳感器預(yù)測摔倒的發(fā)生，由控制器觸發(fā)電磁閥使壓縮氣體充入氣囊，在摔倒前及時(shí)彈出來保護(hù)老人的安全。該產(chǎn)品具有智能化程度高、易于操作、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，較好地滿足日益增長的老人防護(hù)用品市場需求，同時(shí)考慮了人體自身的舒適度需求。