老人防摔腰帶的設計與實現

河南理工大學 史晨琛 李浩楠 王子洋 李致川 李 揚 包佳鵬

為守護老人身體健康，本項目設計了一種能夠提前預測老人摔倒的腰帶，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作用。其憑借輕便美觀及全自動工作過程在降低操作難度的同時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計

1.1 功能設計

本產品是一款基于單片機和氣囊的老人防護產品。通過傳感器預測摔倒的發生，由控制器觸發電磁閥使壓縮氣體充入氣囊，在摔倒前及時彈出來保護老人的安全。緩沖氣囊經折疊后固定在人體的腰間，彈出后用于保護佩戴者的臀部、后腰以及大腿兩側，以此來大大減少摔倒后受到的傷害。與此同時，我們的產品采取用戶和家屬實時關聯的理念，在腰帶上安裝有警報裝置，在老人摔倒后發出警報聲來吸引周圍人的注意，并且設有相關手機APP與地圖導航軟件關聯，可將老人摔倒位置信息發送給監護人，以此保障老人的安全，給予第一時間的救護。

圖1 防摔腰帶主體結構

1.2 產品組成部分

主體結構如圖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、尼龍材質的緩沖氣囊、摔倒檢測模塊。

動力源：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。

呼救裝置：GPS模塊、警報模塊。

1.3 充氣系統設計

充氣系統主要由電磁閥、耐壓管，壓縮氣瓶與折疊狀態的緩沖氣囊組成。當摔倒發生時，在接收到單片機傳來的信號后，電磁閥打開使得壓縮氣瓶中的氣體經由耐壓管進入折疊狀態的緩沖氣囊，最終氣囊在0.11s內展開，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，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 摔倒檢測機理

根據研究資料顯示，摔倒分為4個階段，即初態、失衡態、觸地態、觸地平衡態。通過查閱資料以及多次實驗發現，由失衡態到觸地平衡態往往須耗時1.2～2.9s。所以，本項目須在1s內完成由摔倒檢測至氣囊展開。

我們在實驗人員面對方向建立右手系坐標，以腰部為坐標原點，將繞x、y、z軸的角度變化分別看作正彎程度、側彎程度和自轉角度。通過標記點坐標數值變化計算加速度與角速度，判斷是否摔倒。

根據調查顯示，不同劇烈程度的行為表現出的標記點坐標變化幅度也相應的不同。實驗人員進行日常的活動時，標記點變化幅度較小；當實驗人員模擬跌倒過程時，標記點變化幅度較大。圖2中包括了站姿、坐姿、行走和摔倒四種狀態。

圖2 日常行為標記點坐標變化曲線

觀察圖2得出數據如表1所示：根據行為的劇烈程度，可通過加速度變化值以及角速度幅值區分為靜態行為與動態行為。當實驗人員進行摔倒行為模擬時，加速度變化值以及角速度幅值較行走與坐姿狀態有明顯區別，具有幅值大，頻率高，變化速度快等特點。

表1 加速度以及角速度的變化與實驗員狀態的關系

基于圖2的分析，項目組進行了200次摔倒模擬試驗，采集歸納每一組的標記點加速度以及角速度幅值數據樣本進行分析，得出在摔倒狀態時加速度變化范圍，經過算法處理后存入數據庫中。在檢測系統工作時，將傳感器傳回的數據，同數據庫中的既存數據進行比對，從而判斷摔倒是否發生。

圖3 人體偏轉角示意圖

當人體在站立狀態時，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：當摔倒發生時，a＞0。人體偏轉角如圖3所示，θ1為側向角，繞x軸轉動；θ2為俯仰方向角，繞y軸轉動；θ3為身體自轉角，繞z軸轉動。當人體發生摔倒時，θ1、θ2、θ3的值均不為0。但是當老人做出與摔倒類似的動作，例如走路，上樓梯，跑步等動作時，均會使標記點的坐標數據發生改變。

2.2 摔倒檢測系統整體方案

人體摔倒檢測系統主要包含三個部分：

（1）收集日常活動標記點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，在用戶日常生活中對加速度以及角速度進行測量，并將數據傳回控制模塊。

（2）接受和處理信息并發出指令的控制模塊：將傳感器傳回的數據利用內置的算法處理，當檢測到數據處于摔倒判斷區間時，判定為摔倒發生并啟動氣囊觸發裝置。

（3）報警和定位的手機APP：當檢測到摔倒發生，控制模塊將蜂鳴器的使能引腳置高，觸發蜂鳴器報警。通過通訊模塊向預設的監護人手機APP發送警報信息與摔倒位置。

2.3 程序設計

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的數據，并將其存儲在數據庫中，當模塊工作時，將實時采集的數據通過Kalman濾波算法處理后同數據庫中收集的日常數據作比較，來判斷摔倒是否發生。

圖4 摔倒檢測程序流程圖

結論：我們通過傳感器預測摔倒的發生，由控制器觸發電磁閥使壓縮氣體充入氣囊，在摔倒前及時彈出來保護老人的安全。該產品具有智能化程度高、易于操作、安全性能好等優點，較好地滿足日益增長的老人防護用品市場需求，同時考慮了人體自身的舒適度需求。