跌倒防護氣囊研發方法探究

陳淑娟 劉衛東 姚俊 楊威* 毛龍 潘世云 賀芷薇

（1.湖北航天化學技術研究所 湖北襄陽 441003；2.應急救生與安全防護湖北省重點實驗室湖北襄陽 441003）

被動安全技術［1-2］最早用于汽車領域，其核心是要在汽車碰撞事故中最大限度地保護乘員安全。隨著生活水平的提高，人們對自身的安全問題越來越關注，在長期的思考與實踐中，被動安全技術的應用領域被不斷擴展和發展。現如今，基于汽車安全氣囊為核心的被動安全技術被廣泛應用于把包括賽車［3］、登山、馬術、滑雪［4］、跌倒［5-10］等場景中。

人體防護技術源于國外。早在2000年時，意大利的騎行用品制造商Dainese 就已著手將安全氣囊應用于摩托車服裝，并于2014年取得突破，一旦系統被激發，安全氣囊可在45ms 內彈出，為騎手的脖頸和肩膀提供保護。2015年，瑞典安全配件生產商POC和法國的初創公司IN&MOTION 聯合開發了滑雪防護氣囊產品，并面向市場進行銷售。法國的Helite 公司也在同一時期推出了馬術氣囊服及腰帶氣囊Hip′Safe產品。

由于跌倒現象最常發生，跌倒防護氣囊是一種專門針對人體跌倒保護而研發的產品，因此，對跌倒防護氣囊產品應用和推廣有著廣闊的市場前景。目前，對于跌倒產品的研究開發在國內也日漸興起。湖北航天化學技術研究所作為國內安全氣囊氣體發生器的生產廠商，在應急救生與安全防護領域有著多年的研究基礎。本文主要論述在跌倒防護氣囊研發過程中的關鍵技術和方法，加快跌倒防護氣囊產品在國內的相關發展。

1 產品組成及工作原理

與汽車安全氣囊的組成及功能類似，跌倒防護氣囊主要是跌倒預先識別模塊、充氣模塊、氣袋及衣服構成，具體產品組成圖如圖1所示。

圖1 跌倒防護氣囊產品組成圖

如圖2所示，跌倒防護氣囊的工作原理為跌倒預先識別模塊預先判斷人體是否發生跌倒動作，傳遞及發送點火信號。充氣模塊根據信號指示產生點火動作，儲氣瓶內的高壓氣體或產氣藥瞬間釋放，向氣袋充氣，使氣袋迅速膨脹，氣袋可將撞擊力均勻地分布在所防護的部位，防止脆弱的髖部及頭部等區域與硬地面產生直接碰撞，大大降低受傷的可能性。

圖2 跌倒防護氣囊工作原理圖

2 研發思路及方法

2.1 跌倒預先識別模塊

跌倒預先識別模塊類似汽車安全氣囊中的ECU，是跌倒防護氣囊的重要組成模塊之一，該模塊用以預先判斷是否跌倒、傳遞及發送信號，其研發流程如圖3所示。

圖3 跌倒預先識別模塊的研發流程圖

跌倒預先識別模塊的研發主要分為硬件設計和算法設計兩部分。

在硬件設計中，根據產品實際的功能需要，跌倒預先識別模塊需具有跌倒預先識別功能、點火觸發功能、數據存儲功能、一鍵拔插開關、電池電量檢測、聲光指示等功能。跌倒預先識別模塊采用鋰電池為系統電源，通過電源控制單元，將鋰電池電壓轉換為各單元工作所需電壓，并可通過充電管理模塊對鋰電池供電。主控單位為控制模塊的數據處理和系統控制單元，實現數據采集和對系統其他單元控制功能。系統具有數據存儲功能，用于記錄人體運動重要數據，同時具有電量檢測單元、外部通信單元、聲光指示單元和開關檢測單元。

在算法設計中，為提高識別的準確率，需要對人體的日常活動和跌倒動作開展深入研究，分析日常生活事件與跌倒動作特征信號的規律，進而建立跌倒識別模型。跌倒預先識別模塊采用MEMS運動感傳感器檢測人體加速度、角速度等信號，經算法建模，提取跌倒特征信號，通過閾值對比，識別出人體的跌倒動作，進而判斷是否跌倒。

在硬件及算法初步設計完成后，需對其基本性能指標進行測試，具體包括待機時間、跌倒動作的特異度和靈敏度。需要指出的是，特異度和靈敏度的計算需要積累大量的試驗數據，當滿足指標要求后，可認為跌倒預先識別模塊滿足實際使用要求，若準確率太低，則需要重新更改硬件中的電路板設計及算法修正，直至準確率和誤報率滿足要求。

2.2 充氣模塊

充氣模塊的主要作用是為氣袋提供高安全性快速充氣氣源，也是跌倒防護氣囊系統的關鍵模塊之一，充氣模塊的研發流程圖如圖4所示。

圖4 氣袋的研發流程圖

在充氣模塊組件研發過程中，首先，應根據氣袋的容積范圍（氣袋分為大、中、小號）、最佳工作壓力范圍及工作的環境溫度范圍，確定充氣模塊所能提供的最大氣量，它可由式（1）中的理想氣體狀態方程確定：

式中：P表示氣袋的工作壓力，單位為Pa；V表示氣袋的體積，單位為m3；n為氣體的摩爾量，單位為mol；T為環境溫度，單位為K。

最大充氣量確定后，就需要對充氣氣源進行選擇。目前廣泛使用的充氣氣源主要分為3 種，即儲氣瓶式氣體發生器、煙火式氣體發生器和混合式氣體發生器，3種充氣氣源的特點如表1所示。

由表1可知，從實用效果來說，混合式氣體發生器是最佳的選擇，它可同時兼具充氣速度快、氣體溫度低及穿戴舒適性好等特點。

表1 3 種氣源充氣方式的對比

充氣氣源確定后，需要進行氣體發生器的結構設計。結構設計需要考慮的因素包括發生器外形尺寸、瓶口尺寸及厚度。由于發生器具有一定重量，為保證穿戴舒適感，應將其尺寸設計得盡可能小。當氣量一定時，容積越小，其內部壓強將增加，這又將影響發生器殼體的強度，進而通過增加壁厚以保證安全，最終導致重量增加。因此，外形尺寸設計需要同時考慮舒適性及安全性。其次，瓶口尺寸的設計將影響氣瓶的放氣速度，這也是發生器結構設計中需要考慮的因素。

為保證可靠的點火性能，電爆管是最常使用的電點火器，它利用瞬時釋放的壓力刺穿儲氣瓶式氣體發生器，或利用點火能量點燃煙火式氣體發生器、混合式氣體發生器內的產氣藥，進而釋放氣體，為氣袋充氣。市場上常用的電爆管按照點火藥量的不同分為60mg、110mg、180mg 及260mg 等幾種規格，大藥量的電爆管工作時可建立更大的壓強，理論上可更迅速刺破瓶口封片，但其產生的噪音也將成倍增加，選擇時需要兼顧。

參照汽車安全氣囊壓力容器試驗［11-13］，在充氣模塊的結構尺寸、充氣量、電爆管等參數確定后，即可對充氣模塊進行壓力容器試驗，考察其高低常溫下不同時刻氣體壓強。充氣模塊在壓力容器中的壓力曲線和其在氣袋中的壓力存在一定關系，可以利用氣袋正常工作時的壓力來對充氣模塊的性能提出要求。人體在發生不受控跌倒動作到接觸地面的時間約為300～500ms，這就要求氣袋內部的壓力在落地前達到正常工作壓力。因此，可通過考察充氣模塊在壓力容器中500ms 時刻的壓力值判斷是否滿足防護要求，充氣速度過慢則無法達到防護效果。

氣袋內部的壓力和壓力容器中壓力同樣滿足式（1）中的理想氣體狀態方程：

(p氣袋+ 101)V氣袋=nRT

p罐壓V容器=nRT

由于方程右端的充氣模塊的氣量是固定的，因此，最終可得氣袋內部的壓力和壓力罐內部的壓力如式（2）：

式中：P氣袋表示氣袋內部的壓力，單位為kPa；V氣袋表示氣袋的容積，單位為L；N表示充氣模塊的個數；P罐壓為壓力容器內的壓力，單位為kPa；V容器為壓力容器的體積，單位為L。

例如，當氣袋內部的工作壓力設計為30kPa時，可通過氣袋的容積、壓力罐的容積及充氣模塊的個數，得到充氣模塊在壓力罐內的500ms時刻達到的最低壓力值。若實際測試結果超過計算的設計壓力值時，則滿足要求，后續將繼續完成氣袋與充氣模塊的聯合充氣試驗；若不滿足，則需要重新修改充氣模塊的結構設計等參數，重復進行后續步驟，直至滿足要求為止。

2.3 氣袋

氣袋是跌倒防護氣囊的重要組成模塊之一，它將直接為人體提供安全保護。圖5所示為氣袋的研發流程圖。

圖5 氣袋的研發流程圖

在氣袋組件研發過程中，首先應根據產品保護對象及跌倒導致的易損傷部位進行科學判斷。經過醫學統計調查顯示，老年人身體機能的退貨程度隨著年齡的增長而加深，骨質疏松導致跌倒后的損傷程度較年輕人更為嚴重。老年人跌倒后發生骨折的最常見部位有股骨頸、股骨粗隆間，股骨頸骨折與股骨粗隆間骨折都屬于髖部骨折，這與Youm T［14］等學者報道的90%的股骨近端骨折由跌倒引起的結論相一致。因此，跌倒防護氣囊的適用對象為老年人，防護部位為髖部。

在人體防護部位確定后，根據人體工程學原理，參考GB 10000-88中國成年人人體尺寸中腰圍尺寸及文獻［15］中髖骨尺寸數據，可將氣袋形狀設定至覆蓋受傷范圍，尺寸設計為不同型號，例如，成年男女的腰圍總體尺寸在50～106cm。氣袋髖部尺寸如表2所示，以覆蓋不同人群。

表2 各型號髖部氣袋設計尺寸

氣袋的形狀及尺寸確定后，即可初選氣袋的材料。氣袋材料選擇原則如下。（1）強度高：需要滿足氣袋瞬間造成的氣流沖擊及承受人體跌倒后與地面之間的撞擊力。（2）材料輕薄柔軟：接近于衣服面料，穿戴后不引起異物感。（3）氣密性好：在氣袋與地面撞擊前材料的泄漏率不宜過大，否則沒有保護效果。目前，較常用于氣囊織物［16］的原料包括聚酰胺纖維和聚酯纖維兩大類。

初選材料后，即可加工制作小樣。通過對小樣進行爆破試驗，測試得到氣袋材料所能承受的極限壓力，并與氣袋最佳設計壓力［5］進行對比，加上經驗安全系數后，判斷初選材料是否滿足設計要求。若滿足，即可進一步進行氣袋的充氣試驗，測試氣袋在工作狀態下的防護效果；若不滿足氣袋強度指標要求，則需重新更換氣袋材料，重復進行強度驗證工作。

氣袋研發的最后一步是測試防護效果。參考作者之前的研究結果［5］，采用仿真結合試驗的方法，即可得到人體所受的峰值沖擊力。如圖6所示，沖擊力的測試在跌倒沖擊臺上進行，將峰值沖擊力與人體骨折閾值［17］進行對比，若沖擊力低于閾值，則氣袋研發工作結束；若沖擊力較高，則適當調整工作壓力及排氣孔大小等參數，重新測試氣袋的防護效果，直至滿足要求為止。

圖6 跌倒沖擊臺

圖7所示為研發過程中在跌落沖擊臺測試得到的峰值沖擊力對比圖，相比于沒有氣袋的情況，峰值沖擊力已降低至可接受的范圍，氣袋對被保護人群的防護效果作用明顯。

圖7 峰值沖擊力對比圖

2.4 衣服

衣服作為功能模塊的載體，在實際中可適當弱化其作用，重點突出功能模塊，將跌倒預先識別模塊、充氣模塊、氣袋完美融合即可。衣服在研發過程中需要注意與其他各模塊的接口連接關系，具體如圖8所示。

圖8 衣服研發流程圖

在衣服與氣袋的連接中，考慮拆洗及安裝的方便性，通常可采取拉鏈、魔術貼或者連接帶的方式。在衣服與充氣模塊的連接中，通常可采取在衣服上布置口袋的方式。跌倒預先識別模塊則可采用可調節魔術貼的形式。固定方式多種多樣，唯一的要求就是保證系統連接的可靠性和穩定性。

當然，從美學的角度出發，外觀將直接影響消費者的購買意愿。在此不做過多論述。

2.5 系統布局及工作可靠性

上文分別從分模塊出發，論述各個模塊的研發思路。作為一個直接面向消費者的產品，需要保證整個系統的高安全性及高可靠性，這就需要從總體出發，全面、科學、客觀地分析產品的總體性能，跌倒防護氣囊產品的研發流程圖如圖9所示。

圖9 跌倒防護氣囊的研發流程圖

在跌倒氣囊系統研發中，跌倒預先識別模塊、充氣模塊、氣袋及衣服4 個模塊之間相互交叉，密不可分。在分模塊各項性能滿足要求后，可進行環境試驗，最后考察總體性能指標。總體性能指標包括系統待機時間、跌倒預先識別模塊的特異度和靈敏度、系統的防護效果、系統工作噪音及氣袋的充氣展開時間等。當所有指標完全滿足要求后，即完成整個產品的研發工作；若不滿足，則將根據結果繼續對分模塊的相關參數進行進一步調整，直至產品進行聯試試驗后所有指標均滿足要求。

3 結語

本文在介紹跌倒防護氣囊的基礎上，分別從跌倒預先識別模塊、充氣模塊、氣袋及衣服4個組成部分詳細討論了各個模塊在研發過程中的方法和流程。對如跌倒預先識別、氣體發生器快速充氣、壓力容器與氣囊壓力的換算、氣袋的防護效果評價等關鍵技術進行了經驗總結。由于國外的公司在相關領域已經進行了長期的技術積累，國內相關產品的開發才剛剛起步，在跌倒算法及快速充氣等核心領域還需要重大突破。隨著中國人口老齡化的加快，希望相關的從業人員能就此積極探索，為“健康中國2030”保駕護航。