基于穿戴式傳感技術的老年人主動式防摔鞋的設計

陳強 閆瑾 蔣鑰瑩

摘 要：針對目前老年人防摔功能產品存在功效差、設計感不足、服用性不強等弊端，在充分了解老年人跌倒的原因、預防措施、防摔用具的對象需求與設計要求的基礎上，設計一款幫助老年人步行時防止摔倒的穿戴設備——主動式防摔鞋。本設計基于MEMS （ Micro-Electro Mechanical System）慣性傳感器來實現，監測機構能夠控制驅動機構帶動插鉤伸出，起到防滑的效果。同時注重形態創新及審美設計，使老年人與防摔鞋進行人機交互時產生良好的體驗，并希望為今后適老化防護裝置的研發提供參考。

關鍵詞：主動式防摔鞋;老年人;步行;傳感

作者簡介：陳強（1999-），男，漢族，山東威海人，山東中醫藥大學2018級康復治療專業本科在讀。通訊作者：*閆瑾（2000-），女，山東中醫藥大學2018級康復治療專業本科在讀。

基金項目：本文為山東中醫藥大學省級大學生創新創業訓練計劃項目資助，項目號：S202010441040。

一、老年人跌倒的預防

2019年12月，中國疾病監測系統的數據顯示，跌倒已經成為我國65歲以上老年人因傷致死的首位原因[1]。因受傷到醫療機構就診的老年人中，一半以上是因為跌倒，而在這其中，有一半以上都是發生在滑濕路面的。據統計，美國每年約有30%的65歲以上的老年人發生跌倒[2]，而且跌倒的發生比例隨著年齡的增長而增加，80歲以上的老年人跌倒的年發生率可高達50% [3] ，可見跌倒是是威脅老年人健康和獨立生活的主要原因。

但是，跌倒是可以預防的[2]。提升對于老年人跌倒風險的評估認知是預防工作的第一步。風險因素可分為生物、行為、環境風險因素三大類。生物因素主要為老年人視力變化與缺失、肌肉力量下降、平衡功能障礙、足部感覺障礙以及受服用抗高壓藥、降糖藥等藥物產生的副作用影響，是經常出現的;行為風險因素如長期臥床或因疾病原因制動、酗酒等;環境因素最為普遍，路面滑濕、不平整，沒有扶手等等均會增加跌倒的機會。對于骨質疏松癥高發的老年人群體，一旦摔倒相較于年輕人群更易發生骨折或導致更嚴重的后果[4]。老年人群龐大，除了鼓勵老年人通過堅持體育鍛煉提高身體素質、提高安全意識、改造居家環境外，防護裝置的設計發明對于保證老年人擁有健康安全的日常生活活動越來越重要。

根據評估結果采取相應的干預措施，才可有效降低老年人跌倒的發生率，減輕老年人跌倒的損傷程度。主動式防摔鞋，可以幫助老年人群在步行過程中進行有效的健康管理，構建健康、安全、幸福的老年生活。在進行該產品設計時，不僅需要關注了老年人群生理機能衰退對產品尺度、材質、加工方式等的特殊需求，也要盡量尊重老年人心理需求，給予老年人更多的人文關懷，引導老年人自主鍛煉，給他們樹立一個健康生活的理念，在一定程度上減輕子女與社會的負擔，對于老年人健康和社會經濟發展具有重要意義。

目前市場上往往通過在鞋底設置防滑紋、防滑釘等防滑結構以增加鞋底的抓地力，但是其防滑效果有限，尤其是在使用一段時間后，防滑效果容易下降。采用了防滑釘的鞋子，使用者在行走時，防滑釘始終與地面接觸，防滑釘容易損壞，在鞋子不容易打滑時，還會增加使用者在行走時的阻力。伴隨著科技發展，傳統原始的老年人防摔產品已經不能滿足人們日益增多的需求[5]。為了解決上述技術問題，設計主動式防摔鞋。老年人在正常行走時，插鉤不影響使用者行走;使用者在有腳滑的趨勢時，監測機構能夠控制驅動機構帶動插鉤伸出，起到防滑的效果，有效的解決了現有技術中存在的問題。并結合人體工學原理，以防摔功能性為前提，不斷加強功能研發，提高舒適性、靈活性與輕便性。將來可以針對多功能、實效性進行研發，通過不同科技手段的創新運用，結合創新設計理念，服務于更多的老年人群。

二、老年人防摔鞋的設計

1.機械設計

本研究的主動式防摔鞋總體結構有：鞋體，包括鞋底和后幫;防摔機構，包括上連桿、下連桿、插鉤，上連桿的一端與后幫鉸接、另一端與插鉤的上段鉸接，下連桿的一端與后幫鉸接、另一端與插鉤鉸接，插鉤與上連桿、下連桿、后幫共同組成連桿結構;驅動機構;監測機構，包括MEMS壓力傳感器、加速度傳感器和處理器，壓力傳感器小于設定閾值、且加速度傳感器大于設定閾值時，處理器能夠控制驅動機構帶動插鉤向下伸出鞋底的下側。本設計的有益效果在于，老年人在使用其在正常行走時，插鉤不影響使用者行走，插鉤與路面不接觸，既可以減少材料本身的損耗，還可減少插鉤與路面之間接觸導致的使用者行走不便的情況發生。其機械結構簡圖如圖1，（為了更好的展示本技術原理結構，附圖中未繪出鞋子的幫面等結構，在優選的實施例中，本領域技術人員能夠根據設計需求選擇幫面等結構部件的安裝。）使用者在有腳滑的趨勢時，監測機構能夠控制驅動機構帶動插鉤伸出，起到防滑的效果，有效的解決了現有技術中存在的問題。

2.2 機構特征

防摔機構，由能夠變形的連桿結構組成，位于鞋后幫的兩側，分別設有一個上連桿、一個下連桿、一個插鉤，兩插鉤之間通過一個連接桿相連，使用時，所述插鉤在收縮狀態和伸出狀態之間切換，當插鉤處于伸出狀態時，其下端伸出所述鞋底的下側，插鉤處于收縮狀態時，其下端縮回至所述鞋底底面的上側。

驅動機構，包括電機、與電機相連的驅動桿、從動桿，作為主動式防摔鞋控制系統的核心實現帶動插鉤在伸出狀態和收縮狀態之間切換，驅動機構還包括彈性伸縮件（氣彈簧），彈性伸縮件的一端與后幫鉸接、另一端與插鉤鉸接，此彈性伸縮件能夠向所述插鉤提供向外的彈性力;彈性伸縮件利用上側設有的限位部控制向插鉤提供的彈力方向，限位部為設置于氣彈簧上側的限位板。當插鉤處于收縮狀態時，彈性伸縮件向插鉤提供斜向上的彈力，限位部限制插鉤向上移動;當插鉤處于收縮狀態時，彈性伸縮桿向所述插鉤提供向下的彈力。

根據設計思路，處理器為Arduino單片機，監測機構包括供電單元，可采用鋰電池供電，由鞋底包括底面和與相連的頂面之間構成容納所述監測機構的空間。考慮到下肢行走動作過程中，腳掌對行走狀態的感應，分別在鞋底的后跟和前腳掌處設有兩個壓力傳感器，避免整個機械結構復雜，體積龐大。

2.3 安全性設計

主動式防摔鞋作為監測和保護老年人步行的設備，為避免使用過程中對本身就生理功能較弱的使用者造成二次傷害，其安全性設計尤為重要。本主動式防摔鞋的研究分別從防摔機構、監測機構等幾個方面對安全性進行設計。

首先是防摔機構，對于圖1所示的實施例中，連桿機構可以便于對插鉤5的移動進行控制，尤其是插鉤向下伸出以防止鞋體滑動時，插鉤5會整體的受到向后的推力，通過上連桿3和下連桿4與插鉤5連接，上連桿3和下連桿4均大致的沿插鉤5受力的方向延伸，能夠向插頭在水平方向上提供充足的約束力，進而可以提高插鉤5在受力時的穩定性。進一步具體的說，在所述后幫2的兩側分別設有一個上連桿3、一個下連桿4、一個插鉤5，兩所述插鉤5之間通過一個連接桿9相連，如圖2。如圖所示，由此可以使得插鉤5和連桿更加穩定，尤其是在鞋體側滑時，能夠通過連桿提高對于插鉤5在側向上的約束力。

其次，通過設置了彈性伸縮件，在插鉤5處于收縮狀態時，彈性伸縮桿斜向上提供對于插鉤5的抵接力，可以在使用者正常行走時，能夠保證插鉤5不落下，不影響使用者正常的行走。在使用時鞋底1打滑時，電機帶動插鉤5克服彈性伸縮見的彈力向下移動一定程度后，彈性伸縮件開始向插鉤5提供斜向下的彈性力，此時，插鉤5可以快速的伸出，縮短插鉤5的響應時間，能夠快速的起到防滑的效果。

監測機構的前后兩個壓力傳感器可以同時監測使用者腳后跟和腳掌處的壓力，以在處理器8監測到其中任何一個壓力傳感器6大于設定閾值且加速度傳感器7大于設定閾值時，判斷使用者有滑到的危險，如圖3。從而可以防止出現監測的準確性問題。

2.4形態設計

作為功能性福祉用具，其第一要素是功能性，防摔作為首要功能。研究表明，防摔護具佩戴舒適性欠佳，負擔感很重，患者不愿意在日常生活中佩戴，護具臨床依從性差，從而使護具防摔效果得不到證實[6]。老年人感覺自身被捆綁束縛、著裝異于常類[7]，有悖于“通用設計原理”。因此兼顧美觀和舒適性的考量是款式設計中的重點。主動式防摔鞋外觀與普通鞋類款式類似，鞋幫后部添加輕材料插鉤，原理結構固定，作為老年人穿戴設備，其外觀設計應遵循老年人的喜好并與設備功能和需求相符合。考慮到老年人的審美情趣、消費取向、生理及心理特征等因素，本產品從材質、色彩、結構與功能等方面進行綜合性設計[8]。

人性化設計強調“以人為本”的理念，老年福祉用具更加關注老年人的生活方式，給予人文關懷。考慮到老年人足弓在長期負重的壓力下， 一般都變小，且足部血液循環不暢， 腳部浮腫，所以鞋腔結構需要留有一定的松量，不能過窄，最好可以讓老年人根據自身尺寸進行調節。由于老年人身體靈活度差的問題，首選魔術貼或彈性帶“一腳蹬”式結構，

材質方面，以柔軟透氣、吸濕性較好的材質為最佳選擇， 可以最大程度的保持足部的干爽舒適， 有利于老年人腳部的健康，對老年人足部與其關節保護方面具有一定的意義。如山羊皮、粒面革、純棉布等材料。

色彩搭配具有特定的科學內涵，適度轉向色調明快的生態色，暖色系，既帶來愉悅、舒適的穿著感受，有助于心理健康，還具有安全性。

三、結語

隨著社會的不斷發展，人類的平均壽命不斷延長，老年人在整個社會中的人口比率也在不斷的增長。“含飴弄孫，頤養天年”一直是中國人傳統中對老年人美好的祝福，智能產品正愈加融入我們的生活，醫療模式需要從以往的治療向預防的方向轉化。本文主要對一款以老年人為主體的主動式防摔鞋進行設計和分析，為老年智能化防護裝置的的研究提供了一種新思路和新方法，尤其在如今老齡化程度不斷加深的現代社會中，對于幫助改善和消除疾病引起的身體功能和結構障礙，提高老年人的獨立生活能力，提升老年人社會參與度具有重要意義。但主動式防摔鞋的控制算法仍需要進一步優化設計，后續研究需要同時考慮慣性力矩、離心力矩等非線性力矩，利用控制算法，提高系統的控制準確性。

參考文獻：

[1]中國新聞網.跌倒是我國65歲以上老年人因傷致死的首位原因[J/OL].2019-06-12.http：//www.hnshanshui.com/h-nd-4890.html.

[2] National Center for Injury Prevention and Control. （2015）.Preventing Falls： A Guide to Implementing Effective Community-based Fall Prevention Programs. 2nd ed. Atlanta， GA： Centers for Disease Control and Prevention， 2015.

[3]中國疾病預防控制中心.老年人防跌倒聯合提示[J/OL].2019-11-23.https：//www.thepaper.cn/newsDetail_forward_5040912.

[4] 董克芳.老年人最常見的3種骨折[J].老年人，2012（ 5） ： 54-54.

[5] 程柯翔，萬君，朱婉柔，唐潔，易文琪.一種防老年癡呆手部鍛煉裝置的設計與研究[J].產業與科技論壇，2018，17（04）：95-96.

[6] 孫培棟，歐陽鈞. 髖關節保護器的研究現況及展望[J]. 中 國 修 復 重 建 外 科 雜 志，2012，26 （1）：48 -52.

[7] 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.

[8] 陳宇剛.老年鞋靴產品人性化設計研究[J].中外鞋業，2017（07）：24-26+29.

山東中醫藥大學康復醫學院，山東 濟南 250355