智能化老年人防摔倒安全氣囊研究

楊鵬程?孫健?劉暢

摘 要：隨著我國老年人口問題的關(guān)注度不斷上升，各類科技助老產(chǎn)品開始出現(xiàn)。智能化老年人防摔倒安全氣囊就是一種新型的防止老年人摔倒受到傷害的防護(hù)設(shè)備，它的主要功能是摔倒預(yù)測、摔倒防護(hù)及其他輔助功能。本文闡述了智能化老年人防摔倒安全氣囊的研究現(xiàn)狀，并結(jié)合防摔倒氣囊的研究現(xiàn)狀對(duì)其發(fā)展趨勢進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：老年人防摔倒安全氣囊;摔倒監(jiān)測;摔倒防護(hù)

中圖分類號(hào)：TH789文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）05-0051-03

Abstract： With the increasing attention to the issue of the elderly in China， various types of technology to help the elderly begin to appear. The? intelligent anti-fall airbag is a new type of protective equipment to prevent the elderly from falling down. Its main functions are fall prediction， fall protection and other auxiliary functions. This paper described the research status of intelligent anti-fall airbags for the elderly， and analyzed its development trend combined with the research status of fall air bag.

Keywords： intelligent anti-fall airbags for the elderly;fall prediction;fall protection

我國人口年齡分布特征可知，我國已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會(huì)，顯著特征就是老年人口占我國總?cè)丝诘谋壤龃蟆?shù)量增多、老齡化所帶來的問題也日益嚴(yán)重[1]。老年人由于身體老化，極易發(fā)生摔倒，造成跌傷、骨折，并且極易誘發(fā)急性病癥影響生命健康。因此，研究降低老年人摔倒所造成傷害的防護(hù)設(shè)備對(duì)老年人的養(yǎng)護(hù)工作具有極大的意義[2]。

智能化老年人防摔倒安全氣囊是一種新型的交互式科技設(shè)備，涉及電子技術(shù)、服裝設(shè)計(jì)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。它是防摔倒功能服的衍生產(chǎn)物，設(shè)計(jì)理念延續(xù)了防摔功能服的可穿戴性以及保護(hù)性。智能化老年人防摔倒安全氣囊主要包括摔倒監(jiān)測系統(tǒng)、摔倒防護(hù)系統(tǒng)以及其他功能系統(tǒng)三大系統(tǒng)（見圖1），分別實(shí)現(xiàn)了摔倒預(yù)測、摔倒防護(hù)及其他功能。基于可穿戴性的要求，設(shè)備的外形設(shè)計(jì)為腰帶形式，使用時(shí)佩戴于腰間[3]?；谒さ狗雷o(hù)的要求，設(shè)備內(nèi)置安全氣囊，并且在相關(guān)傳感器及其他硬件的作用下觸發(fā)保護(hù)?；谄渌δ艿囊?，腰帶能夠集成眾多的功能模塊，如實(shí)現(xiàn)定位功能的GPS模塊、實(shí)現(xiàn)心率測量的模塊等。

摔倒預(yù)測和摔倒防護(hù)是防摔倒腰帶的關(guān)鍵功能。人體摔倒往往發(fā)生在極短時(shí)間內(nèi)，根據(jù)相關(guān)研究可知，老年人摔倒過程往往發(fā)生在1～3 s內(nèi)。接下來，將從摔倒監(jiān)測、摔倒防護(hù)及其他功能三方面展開分析梳理，并結(jié)合智能化老年人防摔倒安全腰帶的研究現(xiàn)狀對(duì)其發(fā)展趨勢進(jìn)行分析。

1 防摔倒安全氣囊摔倒監(jiān)測技術(shù)

智能化老年人防摔倒安全氣囊是在現(xiàn)有防摔倒預(yù)測技術(shù)背景下產(chǎn)生的輔助設(shè)備。防摔倒預(yù)測技術(shù)的關(guān)鍵是對(duì)人體運(yùn)動(dòng)中相關(guān)特征的監(jiān)測。由于防摔倒安全腰帶使用時(shí)需要穿戴在使用者身上，設(shè)計(jì)要保持較高的便捷性，所以在監(jiān)測技術(shù)方面采用體積小、靈活性高的可穿戴式監(jiān)測技術(shù)[4]。

國外對(duì)于可穿戴式監(jiān)測技術(shù)的研究早于我國?？纱┐魇奖O(jiān)測技術(shù)廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中，其主要特征是可穿戴式傳感器的使用。一般的可穿戴傳感器包括陀螺儀、加速度計(jì)、3D傳感計(jì)、壓力計(jì)、傾角傳感器等，傳感器是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)。在全球范圍內(nèi)防摔倒功能服的研究中，有許多基于可穿戴檢測技術(shù)的防摔倒監(jiān)測系統(tǒng)。其中一種監(jiān)測系統(tǒng)是通過在人體某部位設(shè)置單個(gè)或多個(gè)傳感器以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測功能。例如，來自韓國首爾大學(xué)的防摔倒監(jiān)測系統(tǒng)在胸部設(shè)置加速度傳感器、傾角傳感器以及陀螺儀，它在三個(gè)傳感器的作用下對(duì)人身體相對(duì)于地面的角度變化以及身體加速度變化的劇烈程度進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)人體傾角超過70°且加速度劇烈變化時(shí)，則可以判斷發(fā)生摔倒。愛爾蘭的Bourke等使用設(shè)置于胸部的兩軸陀螺儀監(jiān)測人體多個(gè)方向的角速度，并且通過將所測角速度與實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比對(duì)來實(shí)現(xiàn)摔倒監(jiān)測，如果所測數(shù)據(jù)超過閾值，則可以判斷發(fā)生摔倒。在國內(nèi)也有關(guān)于防摔倒監(jiān)測系統(tǒng)的研究，來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)的閆俊澤和來自重慶大學(xué)的謝開明都設(shè)計(jì)了一款基于三軸加速度計(jì)的跌倒監(jiān)測系統(tǒng)，通過三軸加速度計(jì)對(duì)人體和加速度的變化進(jìn)行監(jiān)測，通過特定的判斷依據(jù)進(jìn)行判斷。

此外，還有部分監(jiān)測系統(tǒng)通過在人體不同位置設(shè)置多個(gè)傳感器進(jìn)行多重監(jiān)測，從而達(dá)到提高監(jiān)測效率的目的。美國Stankovic J A等開發(fā)了一種基于三軸加速度傳感器和陀螺儀的摔倒監(jiān)測系統(tǒng)，兩傳感器分別佩戴于胸部和腳踝，用于監(jiān)測人體三軸加速度和角速度，并且通過預(yù)設(shè)閾值判斷摔倒，準(zhǔn)確性較高。美國的Li等設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)由三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀組成，兩傳感器分別佩戴于胸部和大腿部，通過不同位置、不同運(yùn)動(dòng)信息的雙重監(jiān)測使監(jiān)測系統(tǒng)獲得較高的準(zhǔn)確性。我國電子技術(shù)網(wǎng)曾發(fā)表過一篇關(guān)于防摔倒報(bào)警手環(huán)的文獻(xiàn)，文中提到的監(jiān)測系統(tǒng)主要在手腕部、腰部及腳踝部設(shè)置多個(gè)傳感器進(jìn)行監(jiān)測。除此之外，我國研究人員薛源還研發(fā)了一種基于三種傳感器的摔倒監(jiān)測系統(tǒng)，包括加速度傳感器、磁傳感器和壓力傳感器。傳感器分別監(jiān)測加速度、人體傾角以及足底壓力，將加速度作為一重判斷，人體傾角作為二重判斷，足底壓力作為三重判斷。相關(guān)研究表明，通過多種傳感器、多個(gè)部位監(jiān)測的系統(tǒng)預(yù)測，準(zhǔn)確性更高。

當(dāng)把可穿戴監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用到智能化老年人防摔倒安全腰帶的研究中時(shí)，需要對(duì)現(xiàn)有的防摔監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。在防摔倒安全腰帶的設(shè)計(jì)中，腰帶外形特征使傳感器的安裝位置受到一定限制。目前的防摔腰帶都是使用安裝于腰部的監(jiān)測系統(tǒng)。

法國Helite公司專門為老年人研發(fā)了一款名為Hip Air的安全氣囊腰帶，通過腰帶內(nèi)置的陀螺儀和加速器對(duì)使用者的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行監(jiān)測，通過閾值法預(yù)測到摔倒時(shí)就會(huì)觸發(fā)保護(hù)。美國賓夕法尼亞Active Protective公司也開發(fā)了一款可穿戴式安全氣囊，其通過內(nèi)置的3D動(dòng)作傳感器對(duì)使用者動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)3D動(dòng)作傳感器監(jiān)測到異常動(dòng)作時(shí)就會(huì)觸發(fā)保護(hù)。近年來，我國市場上也相繼出現(xiàn)了防摔倒安全腰帶產(chǎn)品。我國現(xiàn)有的安全腰帶產(chǎn)品大多以加速度計(jì)和陀螺儀作為傳感器或者配合使用的監(jiān)測系統(tǒng)。中國科學(xué)院深圳技術(shù)研究院開發(fā)了新一代穿戴式跌倒防護(hù)安全氣囊系統(tǒng)，基于低功耗MIK電子硬件方案，嵌入獨(dú)有的防跌倒精準(zhǔn)識(shí)別算法以及多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的囊體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)控制和快速充氣等核心技術(shù)，可在老人跌倒過程中有效保護(hù)髖關(guān)節(jié)，最大限度降低髖關(guān)節(jié)骨折發(fā)生率。

2 防摔倒安全氣囊摔倒防護(hù)技術(shù)

防摔倒安全腰帶的主要防護(hù)原理是在摔倒瞬間安全氣囊打開[5]?；谙冗M(jìn)的電子控制技術(shù)，安全氣囊一般采用電控充氣，通過電子控制系統(tǒng)控制相關(guān)硬件功能的實(shí)現(xiàn)。防摔倒安全腰帶中監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測人體相關(guān)變量的運(yùn)動(dòng)特征。一旦系統(tǒng)預(yù)測到人體將發(fā)生摔倒，就會(huì)發(fā)出指令到電子控制系統(tǒng)，控制設(shè)備產(chǎn)生氣體，在短時(shí)間內(nèi)充滿氣囊，實(shí)現(xiàn)保護(hù)[6]。

一般通過氣體發(fā)生裝置或者便攜式氣泵產(chǎn)生氣體。美國賓夕法尼亞Active Protective公司開發(fā)的安全氣囊就是通過冷氣泵產(chǎn)生氣體，進(jìn)行氣囊填充。除了利用氣泵以外，通常還采用壓縮氣瓶來產(chǎn)生氣體。日本千葉大學(xué)的相關(guān)研究人員設(shè)計(jì)的穿戴式跌倒防護(hù)氣囊的充氣機(jī)構(gòu)采用點(diǎn)燃火藥熔穿氣瓶，從而使氣體釋放為氣囊充氣。該方式能在120 ms內(nèi)將氣囊充滿。雖然充氣速度較快，但火藥具有一定的危險(xiǎn)性。目前，使用最廣泛的是通過壓縮氣瓶將氣囊充滿，但由于壓縮氣瓶不能主動(dòng)放氣，所以該類系統(tǒng)往往都設(shè)計(jì)有氣瓶觸發(fā)機(jī)構(gòu)。香港中文大學(xué)的研究者設(shè)計(jì)的髖關(guān)節(jié)保護(hù)氣囊系統(tǒng)采用舵機(jī)帶動(dòng)閥門將壓縮彈簧的彈性勢能釋放來刺穿氣瓶，其能在33 ms充滿氣囊，而且更為安全。此外，還有其他的氣瓶觸發(fā)結(jié)構(gòu)，如基于凸輪和刺針的觸發(fā)機(jī)構(gòu)。凸輪在舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，刺針在凸輪旋轉(zhuǎn)下發(fā)生向前的位移，刺破氣瓶。之后，刺針上設(shè)有的復(fù)位彈簧會(huì)被壓縮，在彈力作用下刺針復(fù)位。與香港中文大學(xué)的觸發(fā)機(jī)構(gòu)相比，該機(jī)構(gòu)具有可重復(fù)利用的特點(diǎn)。

安全氣囊是防摔倒安全氣囊的主要防護(hù)部件。對(duì)于安全氣囊的設(shè)計(jì)，主要考慮氣囊的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等問題。目前用于生產(chǎn)安全氣囊的材料主要有尼龍（聚酰胺）、硅膠材料等。一般的氣囊生產(chǎn)以尼龍為主要材料。尼龍是聚酰胺纖維的一種說法，英文名稱是Polyamide，簡稱PA。通過改變分子結(jié)構(gòu)或者加入其他物質(zhì)可以生產(chǎn)出數(shù)量眾多的具有不同性質(zhì)的PA材料。

3 防摔倒安全氣囊的其他功能

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化老年人防摔倒安全氣囊集成了各種輔助功能。以國內(nèi)已經(jīng)市售的兩款設(shè)備為例，信安智囊的防摔倒安全氣囊腰帶集成了老年人運(yùn)動(dòng)計(jì)步功能以及定位功能;衣帶保的安全氣囊腰帶增加了電子圍欄功能，當(dāng)老年人超出活動(dòng)范圍后，子女端的APP就會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒子女。

所有功能的集成都得益于功能模塊的設(shè)計(jì)，單個(gè)的功能模塊嵌入控制系統(tǒng)中就能實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。隨著設(shè)備性能不斷提升，未來的智能化老年人防摔倒安全氣囊還會(huì)集成心率監(jiān)測功能、血糖、血脂實(shí)時(shí)測量功能等。

4 防摔倒安全氣囊的發(fā)展趨勢

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化防摔倒安全氣囊將會(huì)不斷進(jìn)行技術(shù)革新。除了在核心技術(shù)方面不斷提升外，還應(yīng)該注意防摔倒安全氣囊在服裝性方面的設(shè)計(jì)[7]。本文結(jié)合對(duì)摔倒預(yù)測、摔倒防護(hù)以及其他功能的研究，分析防摔倒安全氣囊產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。

第一，不斷提高摔倒監(jiān)測效率。在摔倒預(yù)測方面，可在多個(gè)部位安裝傳感器，使多個(gè)傳感器共同進(jìn)行監(jiān)測，在不影響使用者正常運(yùn)動(dòng)和穿戴的基礎(chǔ)上，提高監(jiān)測的效率和準(zhǔn)確性。

第二，重視服裝性設(shè)計(jì)。作為一款可穿戴性設(shè)備，防摔倒安全氣囊在研發(fā)時(shí)一定要注意設(shè)備的外觀和舒適性設(shè)計(jì)[8]。對(duì)于外觀設(shè)計(jì)，除了要考慮顏色的多樣性外，還要結(jié)合人體工學(xué)專業(yè)知識(shí)，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)服裝結(jié)構(gòu)。對(duì)于舒適性，一要保證面料舒適，要選用透氣性能較好、對(duì)皮膚無刺激性的面料;二要保證設(shè)備輕便、穿脫方便。

第三，重視輕量化設(shè)計(jì)。一方面可以簡化設(shè)備結(jié)構(gòu);另一方面，可以選用更為輕質(zhì)的材料。老年受身體特征的影響，更適合穿脫方便、負(fù)載較小的防摔倒安全氣囊。

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