跌倒防护气囊研发方法探究

陈淑娟 刘卫东 姚俊 杨威* 毛龙 潘世云 贺芷薇

（1.湖北航天化学技术研究所 湖北襄阳 441003；2.应急救生与安全防护湖北省重点实验室湖北襄阳 441003）

被动安全技术［1-2］最早用于汽车领域，其核心是要在汽车碰撞事故中最大限度地保护乘员安全。随着生活水平的提高，人们对自身的安全问题越来越关注，在长期的思考与实践中，被动安全技术的应用领域被不断扩展和发展。现如今，基于汽车安全气囊为核心的被动安全技术被广泛应用于把包括赛车［3］、登山、马术、滑雪［4］、跌倒［5-10］等场景中。

人体防护技术源于国外。早在2000年时，意大利的骑行用品制造商Dainese 就已着手将安全气囊应用于摩托车服装，并于2014年取得突破，一旦系统被激发，安全气囊可在45ms 内弹出，为骑手的脖颈和肩膀提供保护。2015年，瑞典安全配件生产商POC和法国的初创公司IN&MOTION 联合开发了滑雪防护气囊产品，并面向市场进行销售。法国的Helite 公司也在同一时期推出了马术气囊服及腰带气囊Hip′Safe产品。

由于跌倒现象最常发生，跌倒防护气囊是一种专门针对人体跌倒保护而研发的产品，因此，对跌倒防护气囊产品应用和推广有着广阔的市场前景。目前，对于跌倒产品的研究开发在国内也日渐兴起。湖北航天化学技术研究所作为国内安全气囊气体发生器的生产厂商，在应急救生与安全防护领域有着多年的研究基础。本文主要论述在跌倒防护气囊研发过程中的关键技术和方法，加快跌倒防护气囊产品在国内的相关发展。

1 产品组成及工作原理

与汽车安全气囊的组成及功能类似，跌倒防护气囊主要是跌倒预先识别模块、充气模块、气袋及衣服构成，具体产品组成图如图1所示。

图1 跌倒防护气囊产品组成图

如图2所示，跌倒防护气囊的工作原理为跌倒预先识别模块预先判断人体是否发生跌倒动作，传递及发送点火信号。充气模块根据信号指示产生点火动作，储气瓶内的高压气体或产气药瞬间释放，向气袋充气，使气袋迅速膨胀，气袋可将撞击力均匀地分布在所防护的部位，防止脆弱的髋部及头部等区域与硬地面产生直接碰撞，大大降低受伤的可能性。

图2 跌倒防护气囊工作原理图

2 研发思路及方法

2.1 跌倒预先识别模块

跌倒预先识别模块类似汽车安全气囊中的ECU，是跌倒防护气囊的重要组成模块之一，该模块用以预先判断是否跌倒、传递及发送信号，其研发流程如图3所示。

图3 跌倒预先识别模块的研发流程图

跌倒预先识别模块的研发主要分为硬件设计和算法设计两部分。

在硬件设计中，根据产品实际的功能需要，跌倒预先识别模块需具有跌倒预先识别功能、点火触发功能、数据存储功能、一键拔插开关、电池电量检测、声光指示等功能。跌倒预先识别模块采用锂电池为系统电源，通过电源控制单元，将锂电池电压转换为各单元工作所需电压，并可通过充电管理模块对锂电池供电。主控单位为控制模块的数据处理和系统控制单元，实现数据采集和对系统其他单元控制功能。系统具有数据存储功能，用于记录人体运动重要数据，同时具有电量检测单元、外部通信单元、声光指示单元和开关检测单元。

在算法设计中，为提高识别的准确率，需要对人体的日常活动和跌倒动作开展深入研究，分析日常生活事件与跌倒动作特征信号的规律，进而建立跌倒识别模型。跌倒预先识别模块采用MEMS运动感传感器检测人体加速度、角速度等信号，经算法建模，提取跌倒特征信号，通过阈值对比，识别出人体的跌倒动作，进而判断是否跌倒。

在硬件及算法初步设计完成后，需对其基本性能指标进行测试，具体包括待机时间、跌倒动作的特异度和灵敏度。需要指出的是，特异度和灵敏度的计算需要积累大量的试验数据，当满足指标要求后，可认为跌倒预先识别模块满足实际使用要求，若准确率太低，则需要重新更改硬件中的电路板设计及算法修正，直至准确率和误报率满足要求。

2.2 充气模块

充气模块的主要作用是为气袋提供高安全性快速充气气源，也是跌倒防护气囊系统的关键模块之一，充气模块的研发流程图如图4所示。

图4 气袋的研发流程图

在充气模块组件研发过程中，首先，应根据气袋的容积范围（气袋分为大、中、小号）、最佳工作压力范围及工作的环境温度范围，确定充气模块所能提供的最大气量，它可由式（1）中的理想气体状态方程确定：

式中：P表示气袋的工作压力，单位为Pa；V表示气袋的体积，单位为m3；n为气体的摩尔量，单位为mol；T为环境温度，单位为K。

最大充气量确定后，就需要对充气气源进行选择。目前广泛使用的充气气源主要分为3 种，即储气瓶式气体发生器、烟火式气体发生器和混合式气体发生器，3种充气气源的特点如表1所示。

由表1可知，从实用效果来说，混合式气体发生器是最佳的选择，它可同时兼具充气速度快、气体温度低及穿戴舒适性好等特点。

表1 3 种气源充气方式的对比

充气气源确定后，需要进行气体发生器的结构设计。结构设计需要考虑的因素包括发生器外形尺寸、瓶口尺寸及厚度。由于发生器具有一定重量，为保证穿戴舒适感，应将其尺寸设计得尽可能小。当气量一定时，容积越小，其内部压强将增加，这又将影响发生器壳体的强度，进而通过增加壁厚以保证安全，最终导致重量增加。因此，外形尺寸设计需要同时考虑舒适性及安全性。其次，瓶口尺寸的设计将影响气瓶的放气速度，这也是发生器结构设计中需要考虑的因素。

为保证可靠的点火性能，电爆管是最常使用的电点火器，它利用瞬时释放的压力刺穿储气瓶式气体发生器，或利用点火能量点燃烟火式气体发生器、混合式气体发生器内的产气药，进而释放气体，为气袋充气。市场上常用的电爆管按照点火药量的不同分为60mg、110mg、180mg 及260mg 等几种规格，大药量的电爆管工作时可建立更大的压强，理论上可更迅速刺破瓶口封片，但其产生的噪音也将成倍增加，选择时需要兼顾。

参照汽车安全气囊压力容器试验［11-13］，在充气模块的结构尺寸、充气量、电爆管等参数确定后，即可对充气模块进行压力容器试验，考察其高低常温下不同时刻气体压强。充气模块在压力容器中的压力曲线和其在气袋中的压力存在一定关系，可以利用气袋正常工作时的压力来对充气模块的性能提出要求。人体在发生不受控跌倒动作到接触地面的时间约为300～500ms，这就要求气袋内部的压力在落地前达到正常工作压力。因此，可通过考察充气模块在压力容器中500ms 时刻的压力值判断是否满足防护要求，充气速度过慢则无法达到防护效果。

气袋内部的压力和压力容器中压力同样满足式（1）中的理想气体状态方程：

(p气袋+ 101)V气袋=nRT

p罐压V容器=nRT

由于方程右端的充气模块的气量是固定的，因此，最终可得气袋内部的压力和压力罐内部的压力如式（2）：

式中：P气袋表示气袋内部的压力，单位为kPa；V气袋表示气袋的容积，单位为L；N表示充气模块的个数；P罐压为压力容器内的压力，单位为kPa；V容器为压力容器的体积，单位为L。

例如，当气袋内部的工作压力设计为30kPa时，可通过气袋的容积、压力罐的容积及充气模块的个数，得到充气模块在压力罐内的500ms时刻达到的最低压力值。若实际测试结果超过计算的设计压力值时，则满足要求，后续将继续完成气袋与充气模块的联合充气试验；若不满足，则需要重新修改充气模块的结构设计等参数，重复进行后续步骤，直至满足要求为止。

2.3 气袋

气袋是跌倒防护气囊的重要组成模块之一，它将直接为人体提供安全保护。图5所示为气袋的研发流程图。

图5 气袋的研发流程图

在气袋组件研发过程中，首先应根据产品保护对象及跌倒导致的易损伤部位进行科学判断。经过医学统计调查显示，老年人身体机能的退货程度随着年龄的增长而加深，骨质疏松导致跌倒后的损伤程度较年轻人更为严重。老年人跌倒后发生骨折的最常见部位有股骨颈、股骨粗隆间，股骨颈骨折与股骨粗隆间骨折都属于髋部骨折，这与Youm T［14］等学者报道的90%的股骨近端骨折由跌倒引起的结论相一致。因此，跌倒防护气囊的适用对象为老年人，防护部位为髋部。

在人体防护部位确定后，根据人体工程学原理，参考GB 10000-88中国成年人人体尺寸中腰围尺寸及文献［15］中髋骨尺寸数据，可将气袋形状设定至覆盖受伤范围，尺寸设计为不同型号，例如，成年男女的腰围总体尺寸在50～106cm。气袋髋部尺寸如表2所示，以覆盖不同人群。

表2 各型号髋部气袋设计尺寸

气袋的形状及尺寸确定后，即可初选气袋的材料。气袋材料选择原则如下。（1）强度高：需要满足气袋瞬间造成的气流冲击及承受人体跌倒后与地面之间的撞击力。（2）材料轻薄柔软：接近于衣服面料，穿戴后不引起异物感。（3）气密性好：在气袋与地面撞击前材料的泄漏率不宜过大，否则没有保护效果。目前，较常用于气囊织物［16］的原料包括聚酰胺纤维和聚酯纤维两大类。

初选材料后，即可加工制作小样。通过对小样进行爆破试验，测试得到气袋材料所能承受的极限压力，并与气袋最佳设计压力［5］进行对比，加上经验安全系数后，判断初选材料是否满足设计要求。若满足，即可进一步进行气袋的充气试验，测试气袋在工作状态下的防护效果；若不满足气袋强度指标要求，则需重新更换气袋材料，重复进行强度验证工作。

气袋研发的最后一步是测试防护效果。参考作者之前的研究结果［5］，采用仿真结合试验的方法，即可得到人体所受的峰值冲击力。如图6所示，冲击力的测试在跌倒冲击台上进行，将峰值冲击力与人体骨折阈值［17］进行对比，若冲击力低于阈值，则气袋研发工作结束；若冲击力较高，则适当调整工作压力及排气孔大小等参数，重新测试气袋的防护效果，直至满足要求为止。

图6 跌倒冲击台

图7所示为研发过程中在跌落冲击台测试得到的峰值冲击力对比图，相比于没有气袋的情况，峰值冲击力已降低至可接受的范围，气袋对被保护人群的防护效果作用明显。

图7 峰值冲击力对比图

2.4 衣服

衣服作为功能模块的载体，在实际中可适当弱化其作用，重点突出功能模块，将跌倒预先识别模块、充气模块、气袋完美融合即可。衣服在研发过程中需要注意与其他各模块的接口连接关系，具体如图8所示。

图8 衣服研发流程图

在衣服与气袋的连接中，考虑拆洗及安装的方便性，通常可采取拉链、魔术贴或者连接带的方式。在衣服与充气模块的连接中，通常可采取在衣服上布置口袋的方式。跌倒预先识别模块则可采用可调节魔术贴的形式。固定方式多种多样，唯一的要求就是保证系统连接的可靠性和稳定性。

当然，从美学的角度出发，外观将直接影响消费者的购买意愿。在此不做过多论述。

2.5 系统布局及工作可靠性

上文分别从分模块出发，论述各个模块的研发思路。作为一个直接面向消费者的产品，需要保证整个系统的高安全性及高可靠性，这就需要从总体出发，全面、科学、客观地分析产品的总体性能，跌倒防护气囊产品的研发流程图如图9所示。

图9 跌倒防护气囊的研发流程图

在跌倒气囊系统研发中，跌倒预先识别模块、充气模块、气袋及衣服4 个模块之间相互交叉，密不可分。在分模块各项性能满足要求后，可进行环境试验，最后考察总体性能指标。总体性能指标包括系统待机时间、跌倒预先识别模块的特异度和灵敏度、系统的防护效果、系统工作噪音及气袋的充气展开时间等。当所有指标完全满足要求后，即完成整个产品的研发工作；若不满足，则将根据结果继续对分模块的相关参数进行进一步调整，直至产品进行联试试验后所有指标均满足要求。

3 结语

本文在介绍跌倒防护气囊的基础上，分别从跌倒预先识别模块、充气模块、气袋及衣服4个组成部分详细讨论了各个模块在研发过程中的方法和流程。对如跌倒预先识别、气体发生器快速充气、压力容器与气囊压力的换算、气袋的防护效果评价等关键技术进行了经验总结。由于国外的公司在相关领域已经进行了长期的技术积累，国内相关产品的开发才刚刚起步，在跌倒算法及快速充气等核心领域还需要重大突破。随着中国人口老龄化的加快，希望相关的从业人员能就此积极探索，为“健康中国2030”保驾护航。