智能化老年人防摔倒安全气囊研究

杨鹏程?孙健?刘畅

摘 要：随着我国老年人口问题的关注度不断上升，各类科技助老产品开始出现。智能化老年人防摔倒安全气囊就是一种新型的防止老年人摔倒受到伤害的防护设备，它的主要功能是摔倒预测、摔倒防护及其他辅助功能。本文阐述了智能化老年人防摔倒安全气囊的研究现状，并结合防摔倒气囊的研究现状对其发展趋势进行分析。

关键词：老年人防摔倒安全气囊;摔倒监测;摔倒防护

中图分类号：TH789文献标识码：A文章编号：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

我国人口年龄分布特征可知，我国已经进入老龄化社会，显著特征就是老年人口占我国总人口的比例增大、数量增多、老龄化所带来的问题也日益严重[1]。老年人由于身体老化，极易发生摔倒，造成跌伤、骨折，并且极易诱发急性病症影响生命健康。因此，研究降低老年人摔倒所造成伤害的防护设备对老年人的养护工作具有极大的意义[2]。

智能化老年人防摔倒安全气囊是一种新型的交互式科技设备，涉及电子技术、服装设计及互联网技术等多个領域。它是防摔倒功能服的衍生产物，设计理念延续了防摔功能服的可穿戴性以及保护性。智能化老年人防摔倒安全气囊主要包括摔倒监测系统、摔倒防护系统以及其他功能系统三大系统（见图1），分别实现了摔倒预测、摔倒防护及其他功能。基于可穿戴性的要求，设备的外形设计为腰带形式，使用时佩戴于腰间[3]。基于摔倒防护的要求，设备内置安全气囊，并且在相关传感器及其他硬件的作用下触发保护。基于其他功能的要求，腰带能够集成众多的功能模块，如实现定位功能的GPS模块、实现心率测量的模块等。

摔倒预测和摔倒防护是防摔倒腰带的关键功能。人体摔倒往往发生在极短时间内，根据相关研究可知，老年人摔倒过程往往发生在1～3 s内。接下来，将从摔倒监测、摔倒防护及其他功能三方面展开分析梳理，并结合智能化老年人防摔倒安全腰带的研究现状对其发展趋势进行分析。

1 防摔倒安全气囊摔倒监测技术

智能化老年人防摔倒安全气囊是在现有防摔倒预测技术背景下产生的辅助设备。防摔倒预测技术的关键是对人体运动中相关特征的监测。由于防摔倒安全腰带使用时需要穿戴在使用者身上，设计要保持较高的便捷性，所以在监测技术方面采用体积小、灵活性高的可穿戴式监测技术[4]。

国外对于可穿戴式监测技术的研究早于我国。可穿戴式监测技术广泛应用于运动监测系统中，其主要特征是可穿戴式传感器的使用。一般的可穿戴传感器包括陀螺仪、加速度计、3D传感计、压力计、倾角传感器等，传感器是实现监测系统功能的基础。在全球范围内防摔倒功能服的研究中，有许多基于可穿戴检测技术的防摔倒监测系统。其中一种监测系统是通过在人体某部位设置单个或多个传感器以实现监测功能。例如，来自韩国首尔大学的防摔倒监测系统在胸部设置加速度传感器、倾角传感器以及陀螺仪，它在三个传感器的作用下对人身体相对于地面的角度变化以及身体加速度变化的剧烈程度进行监测，当人体倾角超过70°且加速度剧烈变化时，则可以判断发生摔倒。爱尔兰的Bourke等使用设置于胸部的两轴陀螺仪监测人体多个方向的角速度，并且通过将所测角速度与实验预设阈值进行比对来实现摔倒监测，如果所测数据超过阈值，则可以判断发生摔倒。在国内也有关于防摔倒监测系统的研究，来自哈尔滨工业大学的闫俊泽和来自重庆大学的谢开明都设计了一款基于三轴加速度计的跌倒监测系统，通过三轴加速度计对人体和加速度的变化进行监测，通过特定的判断依据进行判断。

此外，还有部分监测系统通过在人体不同位置设置多个传感器进行多重监测，从而达到提高监测效率的目的。美国Stankovic J A等开发了一种基于三轴加速度传感器和陀螺仪的摔倒监测系统，两传感器分别佩戴于胸部和脚踝，用于监测人体三轴加速度和角速度，并且通过预设阈值判断摔倒，准确性较高。美国的Li等设计的监测系统由三轴加速度计和三轴陀螺仪组成，两传感器分别佩戴于胸部和大腿部，通过不同位置、不同运动信息的双重监测使监测系统获得较高的准确性。我国电子技术网曾发表过一篇关于防摔倒报警手环的文献，文中提到的监测系统主要在手腕部、腰部及脚踝部设置多个传感器进行监测。除此之外，我国研究人员薛源还研发了一种基于三种传感器的摔倒监测系统，包括加速度传感器、磁传感器和压力传感器。传感器分别监测加速度、人体倾角以及足底压力，将加速度作为一重判断，人体倾角作为二重判断，足底压力作为三重判断。相关研究表明，通过多种传感器、多个部位监测的系统预测，准确性更高。

当把可穿戴监测技术应用到智能化老年人防摔倒安全腰带的研究中时，需要对现有的防摔监测系统进行改造设计。在防摔倒安全腰带的设计中，腰带外形特征使传感器的安装位置受到一定限制。目前的防摔腰带都是使用安装于腰部的监测系统。

法国Helite公司专门为老年人研发了一款名为Hip Air的安全气囊腰带，通过腰带内置的陀螺仪和加速器对使用者的运动特征进行监测，通过阈值法预测到摔倒时就会触发保护。美国宾夕法尼亚Active Protective公司也开发了一款可穿戴式安全气囊，其通过内置的3D动作传感器对使用者动作进行监测，当3D动作传感器监测到异常动作时就会触发保护。近年来，我国市场上也相继出现了防摔倒安全腰带产品。我国现有的安全腰带产品大多以加速度计和陀螺仪作为传感器或者配合使用的监测系统。中国科学院深圳技术研究院开发了新一代穿戴式跌倒防护安全气囊系统，基于低功耗MIK电子硬件方案，嵌入独有的防跌倒精准识别算法以及多项自主知识产权的囊体结构设计、机构控制和快速充气等核心技术，可在老人跌倒过程中有效保护髋关节，最大限度降低髋关节骨折发生率。

2 防摔倒安全气囊摔倒防护技术

防摔倒安全腰带的主要防护原理是在摔倒瞬间安全气囊打开[5]。基于先进的电子控制技术，安全气囊一般采用电控充气，通过电子控制系统控制相关硬件功能的实现。防摔倒安全腰带中监测系统实时监测人体相关变量的运动特征。一旦系统预测到人体将发生摔倒，就会发出指令到电子控制系统，控制设备产生气体，在短时间内充满气囊，实现保护[6]。

一般通过气体发生装置或者便携式气泵产生气体。美国宾夕法尼亚Active Protective公司开发的安全气囊就是通过冷气泵产生气体，进行气囊填充。除了利用气泵以外，通常还采用压缩气瓶来产生气体。日本千叶大学的相关研究人员设计的穿戴式跌倒防护气囊的充气机构采用点燃火药熔穿气瓶，从而使气体释放为气囊充气。该方式能在120 ms内将气囊充满。虽然充气速度较快，但火药具有一定的危险性。目前，使用最广泛的是通过压缩气瓶将气囊充满，但由于压缩气瓶不能主动放气，所以该类系统往往都设计有气瓶触发机构。香港中文大学的研究者设计的髋关节保护气囊系统采用舵机带动阀门将压缩弹簧的弹性势能释放来刺穿气瓶，其能在33 ms充满气囊，而且更为安全。此外，还有其他的气瓶触发结构，如基于凸轮和刺针的触发机构。凸轮在舵机的驱动下发生旋转，刺针在凸轮旋转下发生向前的位移，刺破气瓶。之后，刺针上设有的复位弹簧会被压缩，在弹力作用下刺针复位。与香港中文大学的触发机构相比，该机构具有可重复利用的特点。

安全气囊是防摔倒安全气囊的主要防护部件。对于安全气囊的设计，主要考虑气囊的材质、结构等问题。目前用于生产安全气囊的材料主要有尼龙（聚酰胺）、硅胶材料等。一般的气囊生产以尼龙为主要材料。尼龙是聚酰胺纤维的一种说法，英文名称是Polyamide，简称PA。通过改变分子结构或者加入其他物质可以生产出数量众多的具有不同性质的PA材料。

3 防摔倒安全气囊的其他功能

随着移动互联网技术和无线通信技术的不断发展，智能化老年人防摔倒安全气囊集成了各种辅助功能。以国内已经市售的两款设备为例，信安智囊的防摔倒安全气囊腰带集成了老年人运动计步功能以及定位功能;衣带保的安全气囊腰带增加了电子围栏功能，当老年人超出活动范围后，子女端的APP就会发出警报，提醒子女。

所有功能的集成都得益于功能模块的设计，单个的功能模块嵌入控制系统中就能实现功能扩展。随着设备性能不断提升，未来的智能化老年人防摔倒安全气囊还会集成心率监测功能、血糖、血脂实时测量功能等。

4 防摔倒安全气囊的发展趋势

随着信息技术的不断发展，智能化防摔倒安全气囊将会不断进行技术革新。除了在核心技术方面不断提升外，还应该注意防摔倒安全气囊在服装性方面的设计[7]。本文结合对摔倒预测、摔倒防护以及其他功能的研究，分析防摔倒安全气囊产品的发展趋势。

第一，不断提高摔倒监测效率。在摔倒预测方面，可在多个部位安装传感器，使多个传感器共同进行监测，在不影响使用者正常运动和穿戴的基础上，提高监测的效率和准确性。

第二，重视服装性设计。作为一款可穿戴性设备，防摔倒安全气囊在研发时一定要注意设备的外观和舒适性设计[8]。对于外观设计，除了要考虑颜色的多样性外，还要结合人体工学专业知识，科学合理地设计服装结构。对于舒适性，一要保证面料舒适，要选用透气性能较好、对皮肤无刺激性的面料;二要保证设备轻便、穿脱方便。

第三，重视轻量化设计。一方面可以简化设备结构;另一方面，可以选用更为轻质的材料。老年受身體特征的影响，更适合穿脱方便、负载较小的防摔倒安全气囊。

参考文献：

[1]杨菊华，王苏苏，刘轶锋.新中国70年：人口老龄化发展趋势分析[J].中国人口科学，2019（4）：30-42，126.

[2]尹尚菁.老年人跌倒对生活自理能力的影响[J].中国卫生事业管理，2011（S1）：167-168.

[3]鄢丽娟，张彦虎.老年人意外摔倒智能报警腰带系统的研究[J].电子技术与软件工程，2018（24）：61-63.

[4]薛源.基于多传感器的老人跌倒检测系统的研究与应用[D].武汉理工大学，2011：1-75.

[5]老年人救星：带有安全气囊的腰带[J].大数据时代，2018（2）：74.

[6]杨俊飞，朱兴元，赵国如.穿戴式跌倒护髋安全气囊系统自动充气机构的设计与实现[J].现代机械，2016（4）：5-9.

[7]李慧奇，宁运琨，杨俊飞，等.穿戴式跌倒防护安全气囊研究[J].集成技术，2018（2）：69-77.

[8]李红燕，张谓源，李俊.功能服装的研究综述[J].丝绸，2007（4）：45-47.