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注度不斷上升，各類科技助老產品開始出現。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設備，它的主要功能是摔倒預測、摔倒防護及其他輔助功能。本文闡述了智能化老年人防摔倒安全氣囊的研究現狀，并結合防摔倒氣囊的研究現狀對其發展趨勢進行分析。

關鍵詞：老年人防摔倒安全氣囊;摔倒監測;摔倒防護

中圖分類號：TH789文獻標識碼：A文章編號：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，我國已經進入老齡化社會，顯著特征就是老年人口占我國總人口的比例增大、數量增多、老齡化所帶來的問題也日益嚴重[1]。老年人由于身體老化，極易發生摔倒，造成跌傷、骨折，并且極易誘發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設備對老年人的養護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備，涉及電子技術、服裝設計及互聯網技術等多個領域。它是防摔倒功能服的衍生產物，設計理念延續了防摔功能服的可穿戴性以及保護性。智能化老年人防摔倒安全氣囊主要包括摔倒監測系統、摔倒防護系統以及其他功能系統三大系統（見圖1），分別實現了摔倒預測、摔倒防護及其他功能。基于可穿戴性的要求，設備的外形設計為腰帶形式，使用時佩戴于腰間[3]。基于摔倒防護的要求，設備內置安全氣囊，并且在相關傳感器及其他硬件的作用下觸發保護?；谄渌δ艿囊螅鼛軌蚣杀姸嗟墓δ苣K，如實現定位功能的GPS模塊、實現心率測量的模塊等。

摔倒預測和摔倒防護是防摔倒腰帶的關鍵功能。人體摔倒往往發生在極短時間內，根據相關研究可知，老年人摔倒過程往往發生在1～3 s內。接下來，將從摔倒監測、摔倒防護及其他功能三方面展開分析梳理，并結合智能化老年人防摔倒安全腰帶的研究現狀對其發展趨勢進行分析。

1 防摔倒安全氣囊摔倒監測技術

智能化老年人防摔倒安全氣囊是在現有防摔倒預測技術背景下產生的輔助設備。防摔倒預測技術的關鍵是對人體運動中相關特征的監測。由于防摔倒安全腰帶使用時需要穿戴在使用者身上，設計要保持較高的便捷性，所以在監測技術方面采用體積小、靈活性高的可穿戴式監測技術[4]。

國外對于可穿戴式監測技術的研究早于我國?？纱┐魇奖O測技術廣泛應用于運動監測系統中，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、3D傳感計、壓力計、傾角傳感器等，傳感器是實現監測系統功能的基礎。在全球范圍內防摔倒功能服的研究中，有許多基于可穿戴檢測技術的防摔倒監測系統。其中一種監測系統是通過在人體某部位設置單個或多個傳感器以實現監測功能。例如，來自韓國首爾大學的防摔倒監測系統在胸部設置加速度傳感器、傾角傳感器以及陀螺儀，它在三個傳感器的作用下對人身體相對于地面的角度變化以及身體加速度變化的劇烈程度進行監測，當人體傾角超過70°且加速度劇烈變化時，則可以判斷發生摔倒。愛爾蘭的Bourke等使用設置于胸部的兩軸陀螺儀監測人體多個方向的角速度，并且通過將所測角速度與實驗預設閾值進行比對來實現摔倒監測，如果所測數據超過閾值，則可以判斷發生摔倒。在國內也有關于防摔倒監測系統的研究，來自哈爾濱工業大學的閆俊澤和來自重慶大學的謝開明都設計了一款基于三軸加速度計的跌倒監測系統，通過三軸加速度計對人體和加速度的變化進行監測，通過特定的判斷依據進行判斷。

此外，還有部分監測系統通過在人體不同位置設置多個傳感器進行多重監測，從而達到提高監測效率的目的。美國Stankovic J A等開發了一種基于三軸加速度傳感器和陀螺儀的摔倒監測系統，兩傳感器分別佩戴于胸部和腳踝，用于監測人體三軸加速度和角速度，并且通過預設閾值判斷摔倒，準確性較高。美國的Li等設計的監測系統由三軸加速度計和三軸陀螺儀組成，兩傳感器分別佩戴于胸部和大腿部，通過不同位置、不同運動信息的雙重監測使監測系統獲得較高的準確性。我國電子技術網曾發表過一篇關于防摔倒報警手環的文獻，文中提到的監測系統主要在手腕部、腰部及腳踝部設置多個傳感器進行監測。除此之外，我國研究人員薛源還研發了一種基于三種傳感器的摔倒監測系統，包括加速度傳感器、磁傳感器和壓力傳感器。傳感器分別監測加速度、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。相關研究表明，通過多種傳感器、多個部位監測的系統預測，準確性更高。

當把可穿戴監測技術應用到智能化老年人防摔倒安全腰帶的研究中時，需要對現有的防摔監測系統進行改造設計。在防摔倒安全腰帶的設計中，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測系統。

法國Helite公司專門為老年人研發了一款名為Hip Air的安全氣囊腰帶，通過腰帶內置的陀螺儀和加速器對使用者的運動特征進行監測，通過閾值法預測到摔倒時就會觸發保護。美國賓夕法尼亞Active Protective公司也開發了一款可穿戴式安全氣囊，其通過內置的3D動作傳感器對使用者動作進行監測，當3D動作傳感器監測到異常動作時就會觸發保護。近年來，我國市場上也相繼出現了防摔倒安全腰帶產品。我國現有的安全腰帶產品大多以加速度計和陀螺儀作為傳感器或者配合使用的監測系統。中國科學院深圳技術研究院開發了新一代穿戴式跌倒防護安全氣囊系統，基于低功耗MIK電子硬件方案，嵌入獨有的防跌倒精準識別算法以及多項自主知識產權的囊體結構設計、機構控制和快速充氣等核心技術，可在老人跌倒過程中有效保護髖關節，最大限度降低髖關節骨折發生率。

2 防摔倒安全氣囊摔倒防護技術

防摔倒安全腰帶的主要防護原理是在摔倒瞬間安全氣囊打開[5]。基于先進的電子控制技術，安全氣囊一般采用電控充氣，通過電子控制系統控制相關硬件功能的實現。防摔倒安全腰帶中監測系統實時監測人體相關變量的運動特征。一旦系統預測到人體將發生摔倒，就會發出指令到電子控制系統，控制設備產生氣體，在短時間內充滿氣囊，實現保護[6]。

一般通過氣體發生裝置或者便攜式氣泵產生氣體。美國賓夕法尼亞Active Protective公司開發的安全氣囊就是通過冷氣泵產生氣體，進行氣囊填充。除了利用氣泵以外，通常還采用壓縮氣瓶來產生氣體。日本千葉大學的相關研究人員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，從而使氣體釋放為氣囊充氣。該方式能在120 ms內將氣囊充滿。雖然充氣速度較快，但火藥具有一定的危險性。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放氣，所以該類系統往往都設計有氣瓶觸發機構。香港中文大學的研究者設計的髖關節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33 ms充滿氣囊，而且更為安全。此外，還有其他的氣瓶觸發結構，如基于凸輪和刺針的觸發機構。凸輪在舵機的驅動下發生旋轉，刺針在凸輪旋轉下發生向前的位移，刺破氣瓶。之后，刺針上設有的復位彈簧會被壓縮，在彈力作用下刺針復位。與香港中文大學的觸發機構相比，該機構具有可重復利用的特點。

安全氣囊是防摔倒安全氣囊的主要防護部件。對于安全氣囊的設計，主要考慮氣囊的材質、結構等問題。目前用于生產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。通過改變分子結構或者加入其他物質可以生產出數量眾多的具有不同性質的PA材料。

3 防摔倒安全氣囊的其他功能

隨著移動互聯網技術和無線通信技術的不斷發展，智能化老年人防摔倒安全氣囊集成了各種輔助功能。以國內已經市售的兩款設備為例，信安智囊的防摔倒安全氣囊腰帶集成了老年人運動計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，當老年人超出活動范圍后，子女端的APP就會發出警報，提醒子女。

所有功能的集成都得益于功能模塊的設計，單個的功能模塊嵌入控制系統中就能實現功能擴展。隨著設備性能不斷提升，未來的智能化老年人防摔倒安全氣囊還會集成心率監測功能、血糖、血脂實時測量功能等。

4 防摔倒安全氣囊的發展趨勢

隨著信息技術的不斷發展，智能化防摔倒安全氣囊將會不斷進行技術革新。除了在核心技術方面不斷提升外，還應該注意防摔倒安全氣囊在服裝性方面的設計[7]。本文結合對摔倒預測、摔倒防護以及其他功能的研究，分析防摔倒安全氣囊產品的發展趨勢。

第一，不斷提高摔倒監測效率。在摔倒預測方面，可在多個部位安裝傳感器，使多個傳感器共同進行監測，在不影響使用者正常運動和穿戴的基礎上，提高監測的效率和準確性。

第二，重視服裝性設計。作為一款可穿戴性設備，防摔倒安全氣囊在研發時一定要注意設備的外觀和舒適性設計[8]。對于外觀設計，除了要考慮顏色的多樣性外，還要結合人體工學專業知識，科學合理地設計服裝結構。對于舒適性，一要保證面料舒適，要選用透氣性能較好、對皮膚無刺激性的面料;二要保證設備輕便、穿脫方便。

第三，重視輕量化設計。一方面可以簡化設備結構;另一方面，可以選用更為輕質的材料。老年受身體特征的影響，更適合穿脫方便、負載較小的防摔倒安全氣囊。

參考文獻：

[1]楊菊華，王蘇蘇，劉軼鋒.新中國70年：人口老齡化發展趨勢分析[J].中國人口科學，2019（4）：30-42，126.

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[4]薛源.基于多傳感器的老人跌倒檢測系統的研究與應用[D].武漢理工大學，2011：1-75.

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[6]楊俊飛，朱興元，趙國如.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[J].現代機械，2016（4）：5-9.

[7]李慧奇，寧運琨，楊俊飛，等.穿戴式跌倒防護安全氣囊研究[J].集成技術，2018（2）：69-77.

[8]李紅燕，張謂源，李俊.功能服裝的研究綜述[J].絲綢，2007（4）：45-47.