基于三軸加速度傳感器的老年人摔倒防護系統設計

史峰 彭雪鵬 付饒

[摘 ? ?要]隨著老齡化社會的發展進程，老年人摔倒問題已經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，中國每年因跌倒造成的直接醫療費用在50億元以上，社會代價約為160～180億元。根據老年人跌倒時的常見狀態，研究了一種老年人摔倒防護裝置，包含ESA吸能殼體、多室氣囊、鋁蜂窩緩沖管、檢測系統、控制系統。檢測系統中的三軸加速度傳感器檢測到跌倒信號后，控制系統激發鋁蜂窩緩沖管彈出，實現瞬間復合防護。

[關鍵詞]老年人;加速度傳感器;摔倒防護

[中圖分類號]TP212 [文獻標志碼]A [文章編號]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，跌倒由于發生率高、后果嚴重及其導致誘發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，能主動用手掌、手臂、手肘、身體側面來緩沖跌倒的力量，避免身體受到傷害;老年人跌倒時往往來不及反應，跌倒的姿勢不正確，加之鈣流失造成的骨質疏松，受沖擊后，在尾椎部位、髖部部位，會產生嚴重的身體創傷。研究一種低成本、便于老年人操作使用的智能穿戴防護裝置，對于降低或者消除老年人的跌倒傷害有著積極的意義，在我國逐步進入老齡化社會的背景下意義尤為

重要。

1 智能穿戴防護裝置發展概況

近幾年智能穿戴設備技術發展較快，檢測老年人跌到并提示報警的產品很多，跌倒時進行主動防護的產品較少。

1.1 跌倒檢測方法分類

（1）利用視頻圖像信息檢測老人跌倒

用攝像頭捕捉人體動作，跌倒情況下，身體會以非正常速度移動，將其速度特性界定為摔倒。此方法優點是老年人可以不穿戴檢測設備，缺點是使用場合受限，缺乏隱私，容易造成老年人的抵觸。

（2）利用跌倒時的振動檢測老人跌倒

在地板上安裝振動傳感器或聲波傳感器，跌倒情況下會產生振動或聲波，將其特性值界定為摔倒。該方法優點是老年人可以不穿戴設備，隱私保護較好;缺點是使用場合有局限，不同地面對于聲音、沖擊的誤判概率較大。

（3）基于可穿戴技術的跌倒檢測系統

使用傳感器實時監測人體的動作，跌倒情況下的人體加速度、傾斜角度會偏大，可將超過一定數值的加速度、傾斜角度界定為摔倒。通過測量老人行走、坐下-起立、蹲下-起立、跌倒的常規動作的角速度、加速度，可以得到一個跌倒狀態下的加速度、傾角閾值，然后用傳感器實時測量的加速度、傾角與閾值比較，判斷跌倒沖擊是否發生。

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

1.2 跌倒防護方法分類

1.2.1 氣囊防摔

氣囊防摔裝置是利用氣體形成的保護區，減少碰撞的沖擊，有發生化學氣體、內置高壓氣瓶兩種類型。氣囊防摔的缺點有三個，①成本問題，每次激發需要跟換氣體發生器或氣瓶，成本都不低于500元;老人摔倒的姿勢過多，建模困難較大，存在誤判的可能性。老人日常的行動和無意識摔倒之間的加速度和角度差別很大，有些動作容易引發誤判，如老人迅速坐在沙發上與老人臀部先著地的摔倒，傳感器就容易產生誤判而激發氣體，提高了使用成本。②更換難度問題，很多老人不具備更換氣體發生器或重新替換氣瓶的能力，需要把裝置寄回廠家復原。③防摔氣囊的位置一般只設置在腰部，防護位置有限。

1.2.2 防護墊防摔

國內多家機構就老年人的骨折機制研究了防護墊的設計，其結構由氣墊、海綿、泡沫、硬質高分子、凝膠材料等組成，可有效地減少摔倒造成的傷害。防護墊防摔的缺點：防護墊一般比較厚重，增加了老人的負擔，尤其是夏季，防護墊導致老人過于悶熱。

2 老年人摔倒防護裝置原理及組成

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

2.1 摔倒防護裝置各部位減振方案

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

2.2 髖部、尾椎部位防護墊減振原理

髖部防護墊、尾椎部位防護墊復合減振方案第一級為鋁蜂窩緩沖管減振，結構簡單緊湊，可安裝于空間狹小的防護墊內。第二級為多室氣囊減振，在氣囊側壁有排氣孔，當瞬時沖擊力作用于氣囊時，氣囊中的空氣由排氣孔排出，利用氣體在流動腔和容納腔間流動來實現減振。第三級為ESA沖擊吸能片材制作的殼體減振，ESA吸能殼體在使用時，通過在ESA吸能殼體背面粘接膠層與人體各個關節防護部位的服裝進行粘接固定，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不會影響人的正常活動，當遭到劇烈撞擊的時候迅速收緊變硬，形成一層防護層，從而減少撞擊對使用者身體的傷害。

2.3 三級減振吸能情況

老年人摔倒受沖擊時，股骨處所產生的瞬時沖擊力為3 300～3 700 N，ESA吸能殼體能將摔倒時的沖擊力吸收800～500 N，多室氣囊能將摔倒時的沖擊力吸收800～1 000 N，ESA吸能殼體內部圓周陣列設有鋁蜂窩緩沖管，鋁蜂窩被壓潰產生吸能作用，能將摔倒時的沖擊力吸收1 500～2 000 N。經過三級減振，瞬時沖擊力由3 700 N減少到小于1 000 N，老年人因為骨骼老化及骨質酥松的原因，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導致骨折。

3 尾椎、髖部部位防護墊組成及工作原理

3.1 尾椎、髖部部位防護墊組成

尾椎、髖部部位防護墊（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 尾椎部位防護墊工作原理

老年人跌倒的行為通常發生在2 s以內。在跌倒的過程中，瞬間移動的身體會產生一個加速度，同時會產生身體偏離豎直方向的角度。在老年人正常行走過程中，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特征作為判別跌倒與其他日?；顒拥囊罁?。

加速度傳感器能夠測量由于重力引起的加速度，通過分析動態加速度，可以測算出設備移動的方式。本文使用的三軸加速度傳感器，基于重力原理，可測試雙軸正負90°或雙軸0～360°的傾角，三軸加速度傳感器已被廣泛應用于汽車電子、微電子等領域，技術上比較像成熟。隨著三軸加速度傳感器的微型化，各種MEMS陀螺儀、加速度傳感器在醫療可穿戴智能設備上運用的越來越廣闊。

尾椎、髖部部位防護墊里的三軸加速度傳感器，檢測出加速度與人體傾斜角度，判斷出跌倒事件，在預判出跌倒后人體是處于俯臥、側臥或仰臥的狀態。在側臥的狀態，髖部防護墊部位的鋁蜂窩緩沖管彈出;在仰臥的狀態，尾椎部位防護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，沖擊主要發生在腕部、肘部、肩部、膝部，相應的部位均有防護墊，鋁蜂窩緩沖管不彈出。

防護墊控制裝置內部設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系統檢測人體狀態，根據檢測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有螺紋連接座，螺紋連接座兩側貫穿設有支撐轉軸，支撐轉軸表面設有旋轉彈簧，旋轉彈簧端部與螺紋連接座內部固定，鋁蜂窩緩沖管頂面開設有限位槽，且限位槽為盲槽，限位槽內部設有限位銷，限位銷頂部設有電磁鐵，電磁鐵兩端固定設有支撐架，支撐架遠離電磁鐵的一端與ESA吸能殼體內壁固定，限位銷兩側對稱設有導向件，導向件遠離限位銷的一端與ESA吸能殼體內壁固定。

常規狀態下，限位銷插入鋁蜂窩緩沖管頂部的限位槽內部，在導向件的作用下對鋁蜂窩緩沖管進行限位，防止鋁蜂窩緩沖管在旋轉彈簧的作用下彈出，鋁蜂窩緩沖管在控制裝置檢測人體加速度異常時，控制裝置通過通電裝置對電磁鐵進行通電，通電后的電磁鐵對限位銷進行吸附，使限位銷沿導向件上移，向電磁鐵靠近，使限位銷底端脫離鋁蜂窩緩沖管頂部的限位槽，鋁蜂窩緩沖管在沒有限位銷的限制時，在旋轉彈簧與支撐轉軸的作用下，旋轉彈出，鋁蜂窩緩沖管受到外部沖擊力后壓潰變形，吸收老人摔倒時的絕大多數的沖擊力。

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，通過底端繞螺紋連接座旋轉卸下，更換新的鋁蜂窩緩沖管與螺紋連接座進行連接，通過手動將支撐轉軸表面的螺紋連接座繞旋轉彈簧旋轉恢復至初始位置，控制裝置的通電裝置對電磁鐵進行斷電，電磁鐵對限位銷停止吸附，限位銷沿導向件掉落至鋁蜂窩緩沖管頂部的限位槽內部，繼續對鋁蜂窩緩沖管進行限位，采用ESA吸能殼體對使用者的腕部、肘部、肩部、膝部、髖部和尾椎進行固定。

4 老年人摔倒防護裝置優點

設計了一套老年人摔倒防護系統，針對老年人發生跌倒時的狀況，將老年人在日常生活中所穿著的衣物和具有保護功能的電子器具結合起來，利用已經成熟的技術實現了低成本防護的目的。

現有的技術在人體發生跌倒行為時第一時間檢測出并發出警報求助等方面比較成熟，但能主動防護的產品不多，具備主動防護功能的防摔倒安全氣囊的產品也已經出現，由于老人摔倒的姿態過多，建模困難較大，存在誤判的可能性，誤判后恢復、使用成本偏高。

5 結束語

本裝置利用現有成熟技術，制造了一組老年人摔倒防護裝置，實現了操作簡單、體積小、使用方便、成本低、便于攜帶、減振防護效果優良。本裝置在傳感器出現誤判后，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;如沖擊力較小未產生壓潰，將鋁蜂窩緩沖管壓入控制器繼續使用即可，其使用成本比現有的主動防護成品降低50%以上。減少老年人跌倒受傷帶來經濟負擔和精神負擔。有效減輕社會和子女的壓力，讓老年人更加放心的走出家門，提高老年人晚年生活的品質。

參考文獻

[1] 朱達輝，宋婧，宇鋒.老年防摔功能服裝設計[J].毛紡科技，2018，46（11）：63-68.

[2] 李鳳.可穿戴式防擠壓氣囊功能服設計研究[D].重慶：西南大學，2020.

[3] 李琴.氣囊式防摔功能服設計研究[D].重慶：西南大學，2018.

[4] 崔英輝，詹林.基于三軸加速度傳感器的老人摔倒檢測[J].現代電子技術，2013，36（3）：130-132.