穿戴式跌倒護髖安全氣囊系統自動充氣機構的設計與實現*

楊俊飛，朱興元，趙國如

(1.武漢理工大學材料科學與工程學院，湖北武漢430070；2.中國科學院深圳先進技術研究院低成本健康重點實驗室，廣東深圳518055)

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穿戴式跌倒護髖安全氣囊系統自動充氣機構的設計與實現*

楊俊飛1，朱興元1，趙國如2

(1.武漢理工大學材料科學與工程學院，湖北武漢430070；2.中國科學院深圳先進技術研究院低成本健康重點實驗室，廣東深圳518055)

跌倒往往在不可意料的瞬間突然發生，且經常給人造成較大傷害，因此跌倒檢測與防護變得尤其重要。利用充氣氣囊作為緩沖來減輕傷害是目前跌倒防護最有效的手段。研究的目的是為跌倒防護安全氣囊設計成本低、重量輕、體積小、速度快的充氣機構。充氣機構凸輪輪廓的推程被設計為正弦規律加速度曲線，通過對機構結構的受力分析計算得出充氣機構對刺針的推力；對分別存儲8 g、12 g、16 g的CO2的多個氣瓶進行了沖刺試驗驗證了充氣機構能可靠地刺穿氣瓶；用高速動態記錄儀測得該充氣機構給氣囊充滿氣的平均時間為386.9 ms。該充氣機構體積小、重量輕、充氣快速可靠，不僅適合用于穿戴式跌倒髖防護安全氣囊，也為設計其他多種形式的摔跌防護裝置提供了參考。

充氣機構凸輪跌倒保護自動充氣

0　引言

跌倒對老年人的健康構成了嚴重威脅，每年超過三分之一的65歲以上老人發生過跌倒，甚至是我國該年齡段老人意外傷害死亡的首要原因[1-3]，各國學者在跌倒檢測方面做了大量研究，取得了不少研究成果，但是跌倒保護方面的研究并不是很多。在國外，日本千葉大學的研究人員[4]設計的穿戴式跌倒防護氣囊的充氣機構采用點燃火藥熔穿氣瓶從而使得氣體釋放為氣囊充氣，其優點是速度快，能在120 ms內將氣囊充滿，缺點是不便于重復使用，且火藥具有較大的危險性；在國內，香港中文大學學者[5]設計的跌倒髖骨保護氣囊系統采用舵機帶動閥門將壓縮彈簧的彈性勢能釋放來刺穿氣瓶，其能在333 ms內將氣囊充滿，充氣較快，缺點是充氣機構復雜且不便于重復使用； 鄭州大學的翁恒等人[6]設計的一種自動保護呼救的人體智能氣囊，其充氣機構采用了硝酸銨的爆炸分解產生的氣體來對氣囊進行充氣，其優點是能在110 ms以內快速完成充氣，缺點是較危險且噪音高達130 dB；武漢理工大學的姚冕等人[7]設計的穿戴式跌倒預警防護系統的充氣機構使用舵機帶動連桿機構再帶動連桿凸輪推動刺針刺破氣瓶的方式來實現氣囊的充氣，舵機通過逆時針旋轉刺破氣瓶，再反向旋轉拔出刺針釋放氣體，優點是便于重復使用，缺點是充氣速度慢，且機構較復雜、體積較大。

上述充氣機構充氣快的多具有較大的危險性，同時成本也較高、不便于重復使用；便于重復使用的，往往充氣機構復雜、充氣速度較慢。鑒于以上問題，本文針對跌倒防護智能穿戴氣囊設計了低成本、小體積、重量輕、便于重復使用的充氣裝置。

1　主要方案設計

本文設計的充氣機構主要由原動部分、傳動部分、執行部分和氣源等組成，如圖1所示。

圖1　充氣機構示意圖

1.1氣源

采用二氧化碳高壓儲氣瓶用作氣體發生器的氣源。由于用于跌倒防護穿戴設備，氣瓶在撞擊情況下的安全性能非常重要。本裝置選用的氣瓶瓶身為特種鋼，瓶口用鋁合金密封，氣瓶直徑18 mm，長度66 mm，內裝8 g二氧化碳氣體，刺穿力220 N～260 N。經過500次20 m高度墜落測試，沒有出現爆炸或漏氣情況。

1.2原動部分

跌倒預警器檢測到跌倒發生時，跌倒防護系統發出信號激發充氣裝置給氣囊充氣，在人體與地面間形成緩沖層從而對人體特定部位實現保護。為了便于控制，我們考慮選用伺服電機。由于瓶口鋁合金的剪切強度較大。即使經過傳動機構對傳動力進行了放大，對伺服電機的要求依然較高。考慮到低成本及可靠性，通過對多種舵機進行多次試驗測試，我們選用了運行穩定可靠、輸出力矩大奧松RB-150CS舵機。該舵機全金屬齒輪，重量僅為56 g，扭矩達到1.5 N·m，規格為40.8 mm×20.1 mm×38 mm，能實現360°連續旋轉，而且價格較低。其工作電壓為4.8 V～7.4 V，隨著電壓升高，其輸出扭矩和轉速都有所提高。

1.3電池

電池用于給舵機供電。由于刺穿氣瓶時負載較高，需要的瞬時功率較大。經過反復測試對比，最后選用了續航強、體積小、安全可靠的18350航模鋰電池，為了讓舵機獲取最大的輸出扭矩及輸出轉速，電池電壓選用7.4 V。

1.4傳動部分

傳動機構是充氣機構的重要組成部分。它將舵機的轉動運動轉換成刺針的直線運動，同時對輸出的力進行了放大，刺針刺穿氣瓶后返回原位，使得氣瓶中的二氧化碳通過小孔迅速溢出給氣囊充滿氣。在參考多種充氣機構的基礎上，我們對結構原理進行了深入分析，最后選定了凸輪機構。推程時將凸輪輪廓的壓力角控制在20°左右，使得刺針具有大的推力同時具有較快的速度。回程壓力角設計為80°，便于刺針在刺穿氣瓶后迅速回程，方便氣體從氣瓶釋放。

1.5執行部分

執行部分主要是刺針，刺針在凸輪推桿的作用下刺穿氣瓶，并在彈簧的作用下迅速回復到原來的位置，使得氣體迅速釋放將氣囊充滿。對于易跌倒對象，可能會常常發生跌倒，因此刺針需要反復多次刺穿氣瓶后依然能保持鋒利，這對刺針的硬度和耐磨性都有較高要求。在刺針的選材方面，我們選擇了Cr12MoV模具鋼。Cr12MoV鋼的特點是具有高的耐磨性、淬透性、微變形[8]，能較好地滿足刺針的使用性能。

2　充氣裝置整體結構及工作原理

圖3　充氣機構實物圖

充氣機構的原理示意圖如圖2所示，樣機實物圖如圖3所示。舵機的輸出軸與凸輪連接，當檢測到跌倒發生后，控制系統給舵機發送順時針旋轉的信號波，舵機帶動凸輪旋轉，隨著凸輪旋轉，刺針直線運動刺破氣瓶，同時彈簧儲存能量，凸輪繼續旋轉一個小角度，由于回程角度較大，刺針迅速回到初始位置，氣瓶通過小孔迅速放氣，舵機帶動凸輪繼續旋轉一圈到達初始位置，便于更換氣瓶后繼續對穿戴對象進行跌倒防護。整個機構重量為135 g，規格為59 mm×50 mm×50 mm，總體質量較輕、體積較小。

3　凸輪機構設計

3.1刺針運動規律的選擇

刺破氣瓶時刺針的運動速度較高。正弦規律加速度曲線在全程中速度和加速度都沒有突變，在行程的始末加速度值為0，因此運動機構無沖擊、噪音小，較適用于該充氣機構的設計。

正弦規律加速度曲線推程方程為：(0≤φ≤Φ)

(1)

3.2壓力角和基圓半徑的確定

圖4　凸輪結構分析示意圖

凸輪的基本參數不僅要滿足刺破氣瓶的基本動力傳動要求，還要考慮整個機構的結構尺寸，選擇合適的壓力角和基圓大小，使機構在滿足動力傳動要求的情況下，結構緊湊、體積小、重量輕。

如圖4所示為凸輪機構的結構分析示意圖。其中e是推桿(刺針)的偏心距，s為推桿的推程，v是速度，α為壓力角，r0是凸輪基圓半徑。

(1)壓力角

凸輪機構壓力角為從動桿件所受到的作用力的方向和該點速度方向之間的夾角(如圖4所示α)。推動推桿的有效分力F1=Fcosα。隨著壓力角的增大，有效分力逐漸減小，而摩擦阻力逐漸增大，導致凸輪機構更容易磨損，當壓力角大到一定程度還會導致凸輪機構發生自鎖。因此，壓力角越小凸輪的動力傳動性能越好，但是壓力角越小結構會越大，凸輪在轉速一定的情況下推桿速度也會隨之變慢，因此壓力角的大小需要有一個合適的范圍。一般設計時壓力角30°～40°，但是小電壓情況下驅動舵機的輸出扭矩無法達到很大，因此本文壓力角范圍選用15°～25°。

如圖4所示，A點為凸輪和從動件的瞬時重合點，根據相對運動原理可得vA2=vA1+vA2A1，可推出壓力角公式為：

(2)

(2)基圓半徑

根據對凸輪有效作用力的分析，壓力角越小傳動的動力越大，但是獲取小壓力角的前提是凸輪輪廓曲線的曲率較小，這樣基圓及其輪廓面積將會增大，導致結構變得笨重，因此設計時要合理選擇參數。由公式(2)可推出基圓公式如下：

(3)

在進行參數確定時，基圓半徑r0與壓力角α存在矛盾，在工程設計中為了使凸輪的結構緊湊，在滿足αmax≤[α]時，盡可能取小的基圓半徑。設計凸輪時一般可根據經驗初步確定基圓大小，基圓確定后對凸輪推程壓力角進行校核。

3.3刺針推力計算

舵機的驅動力矩已知為Md，如圖4所示，則：

(4)

根據刺針尖端長度設計了推程s為2.5mm，將偏心距設定為1mm，帶入(2)式計算得α<20°，將α=20°，s=2.5mm，e=1mm帶入(4)式可得到F1=547.4N，超過氣瓶額定刺穿力220N～260N的兩倍，因此認為設計可靠。

4　試驗

4.1充氣可靠性驗證

圖5　充氣測試實物圖

充氣試驗的測試裝置如圖5所示。試驗氣瓶和試驗后氣瓶瓶口情況如圖6所示，從左到右依次是8 g、12 g、16 g的氣瓶。每種規格的氣瓶分別隨機選取不同廠家生產的氣瓶各50個。每一次實驗前測量電池電壓，確保電池電壓不低于7.2 V。試驗結果如表1所示。

圖6　測試氣瓶和試驗后瓶口

表1　不同氣瓶充氣測試

測試結果顯示，針對8 g、12 g、16 g等不同規格容量的氣瓶，氣瓶被被刺破的成功率為100%，表明該機構不僅適用于8 g氣瓶，對于刺穿12 g、16 g等其他規格容量的氣瓶也同樣可靠。

4.2充氣時間測量

圖7　充氣前和充氣后

由于人體跌倒的時間極短，充氣機構的充氣速度即跌倒緩沖氣囊能否在跌倒前打開氣囊從而保護人體至關重要。充氣時間測量試驗采用的主要設備如圖7所示。

通過大幅翻動跌倒預警器(模擬人佩戴跌倒預警器時的跌倒預警器的動作情景)觸發充氣機構動作，充氣機構刺穿氣瓶后，氣體通過導氣管進入到腰包式跌倒保護氣囊使折疊的氣囊展開。整個過程采用高速動態記錄儀記錄(TroubleShooter 1000LE)。記錄充氣機構從開始動作到氣囊充滿的時間作為充氣機構的充氣時間。整個試驗重復20次取平均值。試驗記錄如表2所示。

表2　充氣機構的充氣時間檢測數據

平均充氣時間：ta=386.9 ms

標準差：σ=18.5

同樣，我們用該高速動態記錄儀測量了模擬較快的跌倒過程，經多次測量，人體從開始跌倒到倒地過程大概0.8 s。可見在檢測到跌倒發生后，該充氣機構有較為充裕的時間在人體倒地之前充滿氣。

5　結論

跌倒時人體從站立到倒地時間很短，穿戴式跌倒防護設備的重量和體積對其舒適性有較大影響。本文用正弦規律加速度方法設計了跌倒防護充氣機構中凸輪的推程輪廓曲線，通過受力分析計算得出舵機最終傳遞給刺針的推力超過氣瓶需要刺穿力的2倍，說明該充氣機構動力可靠，并通過對三種類型氣瓶的測試驗證了充氣的可靠性；使用高速動態記錄儀測量從接收信號到氣囊充滿平均耗費的時間為386.9 ms，相較于人體從開始跌倒到倒地約800 ms的時間，有較為充裕的時間在人體跌倒倒地之前給氣囊充滿氣為人體提供保護；本文設計的充氣機構總體重量僅為135 g，規格為59 mm×50 mm×50 mm。總體來看本文設計的充氣機構重量輕、體積小，充氣可靠、充氣速度較快，更換氣瓶后可重復使用，成本低廉。這些特點有利于跌倒防護產品的研制及推廣，對老年人的跌倒防護、保障老年人的身體健康具有重要意義。

[1]老年人跌倒干預技術指南．http://baike.baidu.com/link?url=jemY7EZ8kJYyviiZ44rBGTgNTVLXTVVp8zZ

uyPW4RephobJD6ozacf0aTBPlbsAMRJWHqfC4bV8SXtG

Sx3Ue0K.

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[3]Liang D, Zhao G R, Guo Y W, et al. Pre-impact & impact detection of falls using wireless Body Sensor Network[C]//Proceedings of 2012 IEEE-EMBS International Conference on Biomedical and Health Informatics. Hong Kong: IEEE, 2012:763-766.

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The design and realization of the auto-inflating mechanism for the wearable hip-protecting airbag

YANG Junfei, ZHU Xingyuan, ZHAO Guoru

Falls often happen unexpectedly and suddenly, and often bring heavy injures to people, therefore the fall detection and protection are very important. The airbag is the most effective way for fall protection at present. In this study, we designed a low-cost, light, small and quick-inflating mechanism for the fall protection airbag. Sine acceleration curve was applied to the rise travel of the cam of the inflating mechanism, and through force analysis we concluded that the force on the sting was 547.4N, which was more than twice the force needed to puncture the gas cylinder. We carried out puncturing tests on the gas cylinders with 8 g, 12 g and 16 g CO2respectively, and confirmed the reliability of the inflating mechanism. With a high speed dynamic recorder, we obtained the average time the inflating mechanism needed to fill the airbag(386.9 ms). The inflating mechanism is small, light, quick-inflating and reliable, suitable for the wearable hip-protecting airbag, and has provided reference for the design of other fall protection devices.

inflating mechanism，cam，fall protection，auto-inflating

TH21

A

1002-6886(2016)04-0005-05

國家自然科學基金(51105359)。

楊俊飛(1989-)，男，武漢理工大學材料科學與工程學院碩士研究生，研究方向穿戴式防跌倒安全氣囊的充氣機構。

2016-02-29