基于三轴加速度传感器的老年人摔倒防护系统设计

史峰 彭雪鹏 付饶

[摘    要]随着老龄化社会的发展进程，老年人摔倒问题已经成为影响老年人身体的重要因素。跌倒是老年人意外事故的第二大主因，中国每年因跌倒造成的直接医疗费用在50亿元以上，社会代价约为160～180亿元。根据老年人跌倒时的常见状态，研究了一种老年人摔倒防护装置，包含ESA吸能壳体、多室气囊、铝蜂窝缓冲管、检测系统、控制系统。检测系统中的三轴加速度传感器检测到跌倒信号后，控制系统激发铝蜂窝缓冲管弹出，实现瞬间复合防护。

[关键词]老年人;加速度传感器;摔倒防护

[中图分类号]TP212 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）01–00–03

[Abstract]With the development of aging society， the problem of falling of the elderly has become an important factor affecting the health of the elderly. Falls are the second major cause of accidents among the elderly. The direct medical cost caused by falls in China is more than 5 billion yuan every year， and the social cost is about 16-18 billion yuan. According to the common state of the elderly falling， this paper studies a fall protection device for the elderly， including ESA energy absorption shell， multi chamber air bag， aluminum honeycomb buffer tube， detection system and control system. After the three-axis acceleration sensor in the detection system detects the fall signal， the control system excites the aluminum honeycomb buffer tube to pop up to realize instantaneous composite protection.

[Keywords]the elderly; Acceleration sensor; Fall protection

在影響健康的因素中，跌倒由于发生率高、后果严重及其导致诱发其他疾病已成为老年人伤害致死的首位死因，青壮年人跌倒时，能主动用手掌、手臂、手肘、身体侧面来缓冲跌倒的力量，避免身体受到伤害;老年人跌倒时往往来不及反应，跌倒的姿势不正确，加之钙流失造成的骨质疏松，受冲击后，在尾椎部位、髋部部位，会产生严重的身体创伤。研究一种低成本、便于老年人操作使用的智能穿戴防护装置，对于降低或者消除老年人的跌倒伤害有着积极的意义，在我国逐步进入老龄化社会的背景下意义尤为

重要。

1 智能穿戴防护装置发展概况

近几年智能穿戴设备技术发展较快，检测老年人跌到并提示报警的产品很多，跌倒时进行主动防护的产品较少。

1.1 跌倒检测方法分类

（1）利用视频图像信息检测老人跌倒

用摄像头捕捉人体动作，跌倒情况下，身体会以非正常速度移动，将其速度特性界定为摔倒。此方法优点是老年人可以不穿戴检测设备，缺点是使用场合受限，缺乏隐私，容易造成老年人的抵触。

（2）利用跌倒时的振动检测老人跌倒

在地板上安装振动传感器或声波传感器，跌倒情况下会产生振动或声波，将其特性值界定为摔倒。该方法优点是老年人可以不穿戴设备，隐私保护较好;缺点是使用场合有局限，不同地面对于声音、冲击的误判概率较大。

（3）基于可穿戴技术的跌倒检测系统

使用传感器实时监测人体的动作，跌倒情况下的人体加速度、倾斜角度会偏大，可将超过一定数值的加速度、倾斜角度界定为摔倒。通过测量老人行走、坐下-起立、蹲下-起立、跌倒的常规动作的角速度、加速度，可以得到一个跌倒状态下的加速度、倾角阈值，然后用传感器实时测量的加速度、倾角与阈值比较，判断跌倒冲击是否发生。

该方法不受地点的限制，使用范围广，且设备便于携带。缺点是选取加速度和身体的倾斜角这两个特征作为判别跌倒行为具有局限性。老年人的身体素质不同，生活中各种身体姿态各异，加速度、倾角阈值的确定有困难，正常动作被误判断为摔倒和慢速摔倒而没有检测出来的可能性都存在。

1.2 跌倒防护方法分类

1.2.1 气囊防摔

气囊防摔装置是利用气体形成的保护区，减少碰撞的冲击，有发生化学气体、内置高压气瓶两种类型。气囊防摔的缺点有三个，①成本问题，每次激发需要跟换气体发生器或气瓶，成本都不低于500元;老人摔倒的姿势过多，建模困难较大，存在误判的可能性。老人日常的行动和无意识摔倒之间的加速度和角度差别很大，有些动作容易引发误判，如老人迅速坐在沙发上与老人臀部先着地的摔倒，传感器就容易产生误判而激发气体，提高了使用成本。②更换难度问题，很多老人不具备更换气体发生器或重新替换气瓶的能力，需要把装置寄回厂家复原。③防摔气囊的位置一般只设置在腰部，防护位置有限。

1.2.2 防护垫防摔

国内多家机构就老年人的骨折机制研究了防护垫的设计，其结构由气垫、海绵、泡沫、硬质高分子、凝胶材料等组成，可有效地减少摔倒造成的伤害。防护垫防摔的缺点：防护垫一般比较厚重，增加了老人的负担，尤其是夏季，防护垫导致老人过于闷热。

2 老年人摔倒防护装置原理及组成

老年人摔倒防护装置由尾椎部位防护垫、腕部防护垫、肘部防护垫、肩部防护垫、膝部防护垫、髋部防护垫组成，如图1所示。

2.1 摔倒防护装置各部位减振方案

老年人摔倒时，腕部、肘部、肩部、膝部受冲击相对较小，采用ESA吸能壳体+多室气囊二级复合减振方案;髋部、尾椎部位受冲击较大，采用ESA吸能壳体+多室气囊+铝蜂窝缓冲管三级复合减振方案。

2.2 髋部、尾椎部位防护垫减振原理

髋部防护垫、尾椎部位防护垫复合减振方案第一级为铝蜂窝缓冲管减振，结构简单紧凑，可安装于空间狭小的防护垫内。第二级为多室气囊减振，在气囊侧壁有排气孔，当瞬时冲击力作用于气囊时，气囊中的空气由排气孔排出，利用气体在流动腔和容纳腔间流动来实现减振。第三级为ESA冲击吸能片材制作的壳体减振，ESA吸能壳体在使用时，通过在ESA吸能壳体背面粘接胶层与人体各个关节防护部位的服装进行粘接固定，ESA吸能壳体起到减吸能的作用，ESA材料在正常情况下保持松弛的状态不会影响人的正常活动，当遭到剧烈撞击的时候迅速收紧变硬，形成一层防护层，从而减少撞击对使用者身体的伤害。

2.3 三级减振吸能情况

老年人摔倒受冲击时，股骨处所产生的瞬时冲击力为3 300～3 700 N，ESA吸能壳体能将摔倒时的冲击力吸收800～500 N，多室气囊能将摔倒时的冲击力吸收800～1 000 N，ESA吸能壳体内部圆周阵列设有铝蜂窝缓冲管，铝蜂窝被压溃产生吸能作用，能将摔倒时的冲击力吸收1 500～2 000 N。经过三级减振，瞬时冲击力由3 700 N减少到小于1 000 N，老年人因为骨骼老化及骨质酥松的原因，股骨所能抵抗的冲击力平均在2 100 N左右，小于1 000 N左右的冲击基本不會导致骨折。

3 尾椎、髋部部位防护垫组成及工作原理

3.1 尾椎、髋部部位防护垫组成

尾椎、髋部部位防护垫（图2）由ESA吸能壳体、控制装置、通电装置、三轴加速度传感器、多室气囊、铝蜂窝缓冲管等部件组成。

3.2 尾椎部位防护垫工作原理

老年人跌倒的行为通常发生在2 s以内。在跌倒的过程中，瞬间移动的身体会产生一个加速度，同时会产生身体偏离竖直方向的角度。在老年人正常行走过程中，躯干偏离的倾斜角一般不多于45°，跌倒后，躯干偏离的倾斜角接近90°。因此选取加速度和身体的倾斜角这两个特征作为判别跌倒与其他日常活动的依据。

加速度传感器能够测量由于重力引起的加速度，通过分析动态加速度，可以测算出设备移动的方式。本文使用的三轴加速度传感器，基于重力原理，可测试双轴正负90°或双轴0～360°的倾角，三轴加速度传感器已被广泛应用于汽车电子、微电子等领域，技术上比较像成熟。随着三轴加速度传感器的微型化，各种MEMS陀螺仪、加速度传感器在医疗可穿戴智能设备上运用的越来越广阔。

尾椎、髋部部位防护垫里的三轴加速度传感器，检测出加速度与人体倾斜角度，判断出跌倒事件，在预判出跌倒后人体是处于俯卧、侧卧或仰卧的状态。在侧卧的状态，髋部防护垫部位的铝蜂窝缓冲管弹出;在仰卧的状态，尾椎部位防护垫部位的铝蜂窝缓冲管弹出;减小老人受到直接的力冲击。在俯卧的状态，冲击主要发生在腕部、肘部、肩部、膝部，相应的部位均有防护垫，铝蜂窝缓冲管不弹出。

防护垫控制装置内部设有三轴加速度传感器和通电装置，采用基于三轴加速度传感器的检测系统检测人体状态，根据检测出的冲击量与人体倾斜角度，判断出跌倒事件，铝蜂窝缓冲管底端螺纹连接设有螺纹连接座，螺纹连接座两侧贯穿设有支撑转轴，支撑转轴表面设有旋转弹簧，旋转弹簧端部与螺纹连接座内部固定，铝蜂窝缓冲管顶面开设有限位槽，且限位槽为盲槽，限位槽内部设有限位销，限位销顶部设有电磁铁，电磁铁两端固定设有支撑架，支撑架远离电磁铁的一端与ESA吸能壳体内壁固定，限位销两侧对称设有导向件，导向件远离限位销的一端与ESA吸能壳体内壁固定。

常规状态下，限位销插入铝蜂窝缓冲管顶部的限位槽内部，在导向件的作用下对铝蜂窝缓冲管进行限位，防止铝蜂窝缓冲管在旋转弹簧的作用下弹出，铝蜂窝缓冲管在控制装置检测人体加速度异常时，控制装置通过通电装置对电磁铁进行通电，通电后的电磁铁对限位销进行吸附，使限位销沿导向件上移，向电磁铁靠近，使限位销底端脱离铝蜂窝缓冲管顶部的限位槽，铝蜂窝缓冲管在没有限位销的限制时，在旋转弹簧与支撑转轴的作用下，旋转弹出，铝蜂窝缓冲管受到外部冲击力后压溃变形，吸收老人摔倒时的绝大多数的冲击力。

3.3 铝蜂窝缓冲管压溃后的更换

铝蜂窝缓冲管在被压溃后，通过底端绕螺纹连接座旋转卸下，更换新的铝蜂窝缓冲管与螺纹连接座进行连接，通过手动将支撑转轴表面的螺纹连接座绕旋转弹簧旋转恢复至初始位置，控制装置的通电装置对电磁铁进行断电，电磁铁对限位销停止吸附，限位销沿导向件掉落至铝蜂窝缓冲管顶部的限位槽内部，继续对铝蜂窝缓冲管进行限位，采用ESA吸能壳体对使用者的腕部、肘部、肩部、膝部、髋部和尾椎进行固定。

4 老年人摔倒防护装置优点

设计了一套老年人摔倒防护系统，针对老年人发生跌倒时的状况，将老年人在日常生活中所穿着的衣物和具有保护功能的电子器具结合起来，利用已经成熟的技术实现了低成本防护的目的。

现有的技术在人体发生跌倒行为时第一时间检测出并发出警报求助等方面比较成熟，但能主动防护的产品不多，具备主动防护功能的防摔倒安全气囊的产品也已经出现，由于老人摔倒的姿态过多，建模困难较大，存在误判的可能性，误判后恢复、使用成本偏高。

5 结束语

本装置利用现有成熟技术，制造了一组老年人摔倒防护装置，实现了操作简单、体积小、使用方便、成本低、便于携带、减振防护效果优良。本装置在传感器出现误判后，将铝蜂窝缓冲管压回控制器即可，老年人可自主完成，减少了不必要的成本。铝蜂窝缓冲管受冲击后，如冲击力较大，产生压溃，则更换铝蜂窝缓冲管，更换较为方便，老年人可自主完成;如冲击力较小未产生压溃，将铝蜂窝缓冲管压入控制器继续使用即可，其使用成本比现有的主动防护成品降低50%以上。减少老年人跌倒受伤带来经济负担和精神负担。有效减轻社会和子女的压力，让老年人更加放心的走出家门，提高老年人晚年生活的品质。

参考文献

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