CN105411037B - 一种防摔保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种防摔保护系统，利用足底压力和姿态传感器共同预判摔倒状态及摔倒方向，在确认使用者处于摔倒的过程中后，快速对相应的气囊进行充气。充气气囊被划分为主充气管道、辅充气管道、气囊其余部分，优先保证主充气管道的气压和充气速度，实现主要的受力支撑，为提高充气速度，实现多个高压小气瓶对同一个气囊进行充气，充气过程的启动使用电磁充气阀控制。在充气的先后顺序上，不是对整个空间进行统一的充气，而是在气囊中划分不同级别的充气通道，先对重要通道空间进行充气，再对次要通道空间进行充气，最后对气囊的其余部分充气，这样就做到了先对重点部位进行保护，再对其他部位进行保护，减小充气速度不够时可能产生的不良效果。

Description

一种防摔保护系统

技术领域

本发明专利属于便携式电子防摔保护系统领域，具体涉及一种人行走过程中发生摔倒时进行保护的防摔保护系统系统。

背景技术

跌倒是造成世界上意外伤害死亡的第二大原因，如何预防跌倒已成为保障老人生命的关键。现有技术主要是实现跌倒报警功能，其仅实现了人体摔倒后的报警功能。同时也有少数研究通过含三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计的多模态传感器试图实现摔倒的预判，以及对摔倒姿态的预判。本专利将利用足底压力传感器和姿态传感器对摔倒进行预判，从摔倒的本质出发，即以双脚离地腾空状态、身体的旋转、身体的下沉速度和加速度等指标作为摔倒发生的预判依据。

在充气气囊中，车用的安全气囊主要通过化学反应产生气体，其化学反应过程需要点火，反应速度非常快，在爆炸中产生的气体充填气囊，同时有局部的高温产生，结构较复杂。产生气体速度过快，局部的高温等特征都会对人产生伤害，特别是用在老年人防摔领域。救生衣的充气系统一般采用手动控制和遇水后的自动控制，单瓶对救生衣进行充气，为保证浮力充气空间较大，充气速度小于5秒，对于防摔的保护充气时间过长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种防摔保护系统，通过对摔倒发生的判断，对气囊进行充气，从而起到保护的作用。

为达上述目的，本发明的一种防摔保护系统，包括：

充气气囊子系统：用于对充气气囊进行充气；

摔倒预判子系统：通过身体各处的传感器信号判断是否进入摔倒腾空状态，在判断确定进入摔倒腾空状态后，控制所述充气气囊子系统实施充气保护动作；所述充气气囊子系统包括充气气囊，充气阀，充气瓶，其中充气阀的开启通过所述摔倒预判子系统控制；

所述充气气囊包括主充气管道，辅充气管道，囊体其余部分；充气过程中，主充气管道的优先级大于辅充气管道，辅充气管道的优先级大于囊体其余部分；所述主充气管道与所述充气阀相连，主充气管道与充气阀的出气口共轴，主充气管道的直径大于辅充气管道，主充气管道的轴向方向为充气气囊充气展开时的主要弹出方向。

作为本发明的进一步改进，所述充气气囊带有限压阀，在气囊中的气体压力超过预设阈值后，限压阀被气压挤开放气，当降到预设阈值以下后限压阀自动关闭；所述辅充气管道和主充气管道纵横连通，由主充气管道内的气体对辅充气管道进行充气，所述充气气囊的囊体其余部分与辅充气管道和主充气管道连通，由主充气管道和辅充气管道内的气体对囊体其余部分进行充气，辅充气管道的气压需求优先于所述囊体其余部分；所述主充气管道和辅充气管道的连接、主充气管道和充气气囊囊体的其余部分的连接、辅充气管道和充气气囊囊体的其余部分的连接都通过限压阀，当优先级高的充气管道达到预设的压强以后再向优先级低的充气管道或囊体其余部分充气，优先级低的充气管道或囊体其余部分对高优先级的充气管道不予倒灌。

作为本发明的进一步改进，采用多充气嘴的气瓶或采用多气瓶同时对所述充气气囊进行充气。

作为本发明的进一步改进，所述摔倒预判子系统包括足底压力传感器、姿态传感器、无线收发模块、数据处理单元、对气囊系统的控制输出单元，其使用的足底压力传感器数据和姿态传感器数据的汇总，根据数据处理单元的位置情况设定有线或无线传输方式，距离远的设定为无线传输。

作为本发明的进一步改进，所述摔倒预判系统，其摔倒的判定依据为双脚离地腾空状态和身体失衡后的翻转或下沉状态的同时发生，其中双脚离地腾空状态为双脚对地压力同时骤减到非常低的状态；其中，双脚离地腾空状态的判定通过双脚足底压力传感器判定，判定阈值根据使用者每次行走时抬脚后的足底压力值设定，其传感器的布设点选择在鞋垫或鞋底的夹层中，首先判定阈值预设一个非常低的值，用来消除由于生产工艺和电子元器件的误差，然后在每次使用时，记录使用者行走时的脚底压力情况，选取抬脚后的足底压力值修正预设值，这样可以根据使用者的行走习惯、体重、穿鞋的松紧程度等情况做出个性化的调整；身体失衡后的翻转或下沉状态的判定通过佩戴在身体上半身的姿态传感器判定，当姿态传感器测量出的人体向地面的轴向加速度接近自由落体一定时间，或测量出的人体沿空间三个轴向发生翻转一定时间，或测量出人体运动速度超出正常运动速度一定时间后判定为进入身体失衡后的翻转或下沉状态，其传感器的布设点选择在脖颈后方、腰部后方或手腕。

作为本发明的进一步改进，对摔倒方向的判断通过足底压力传感器以及上半身佩戴的姿态传感器共同判定，主要判定方向包括前、后、左、右、前左、前右、后左、后右八个方向，判断依据为两脚底压力在判断为双脚离地腾空前的压力随时间的骤减趋势方向以及姿态传感器测量的对于空间三个轴的翻转方向，此时姿态传感器安装位置的较佳方案为沿人体脊椎位置布设安装点。

作为本发明的进一步改进，在鞋垫或鞋底的夹层中安装有四个足底压力传感器，分别位于跟骨下方S4、第一趾骨远节趾骨下方S1、第一趾骨近节趾骨底下方S2、第四或第五近节趾骨底下方S3，纵向从脚尖到脚跟的顺序为S1、S2、S3、S4，摔倒过程中两脚腾空前，通过压力骤减的时间顺序图可以判断纵向方向撤力趋势，从而作为向前后两个大方向摔倒的参考依据；横向以左脚为例，从左到右顺序为S3、S4、S1、S2，其中S1、S2左右位置可以交换或基本保持在一条直线上，同时通过压力骤减的时间顺序图可以判断横向方向撤力趋势，从而作为左右两个大方向摔倒的参考依据。

作为本发明的进一步改进，足底压力的骤减趋势判定脚和小腿的整体的翻转方向，并推理预判大腿及大腿以上的身体部分这个整体的翻转方向，最终由位于胸、腹、背、腰等上体非四肢上的姿态传感器在三轴上的角度变化数据判定大腿及大腿以上的身体部分这个整体的翻转方向。

作为本发明的进一步改进，所述充气气囊子系统中使用的充气阀是电磁充气阀，对该电磁充气阀的控制信号来源于所述摔倒预判系统；所述电磁充气阀包括气囊连接部件、气瓶连接部件、电磁充气阀腔体、电磁开关、电磁控制信号线，其中气囊连接部件和气瓶连接部件可以相对电磁充气阀腔体独立旋转，并保持连接部件处的密封性。

作为本发明的进一步改进，所述充气气囊用于保护头部时，气囊安装在衣领下，气囊在充气时的弹出方向向上，气囊形状为半球形腔体，包裹穿戴者后脑。

作为本发明的进一步改进，所述充气气囊位于腰部，保护腰身周围、尾骨、盆骨，位于关节部位，保护关节，位于颈部，保护颈部和头部。

作为本发明的进一步改进，从外形和人身布点位置上主要选择以假领和腰带的方式实现对头部和腰身周围的保护，且充气瓶的设计根据布点位置设计成与人体贴合度更高的形状，比如圆环状，或带有弧度的T型。

本发明的有益效果：本发明使用高压气瓶对气囊充气，通过多个高压气瓶对同一空间充气，提高充气速度，在充气的先后顺序上，不是对整个空间进行统一的充气，而是在气囊中划分不同级别的充气通道，先对重要通道空间进行充气，再对次要通道空间进行充气，最后对气囊的其余部分充气，这样就做到了先对重点部位进行保护，再对其他部位进行保护，减小充气速度不够时可能产生的不良效果。同时对充气空间进行限定，在保证防摔效果的前提下尽量减小充气空间，提高充气速度。高压气瓶采用化整为零的方式，利用多个小瓶同时充气的方式，代替一个大瓶的充气方式，不仅提高了充气速度，而且安全性上得到了提升。

附图说明

图1是本发明的防摔保护系统应用示意图；

图2是本发明的防摔保护系统的足底传感器的安装示意图；

图3是本发明的防摔保护系统的护头充气气囊子系统示意图；

图4是本发明的防摔保护系统的电磁充气阀示意图；

图5是本发明的防摔保护系统的T型充气气瓶示意图

图6是本发明的防摔保护系统的环形多充气嘴气瓶示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

如附图1所示的一种防摔保护系统，通过位于鞋垫或鞋底夹层中的足底压力传感器，和位于腰到尾骨之间且放置在腰带上的姿态传感器，共同判断使用者的摔倒状态以及摔倒方向，对应打开相应位置上的气囊。当对头部进行保护时，姿态传感器安装在脖颈根部后方且放置在假领中。摔倒预判系统判断出向后滑倒后，腰带上位于使用者背后的气囊向下充出弧形气囊，保护使用者的尾骨和盆骨。同时，假领中的半球形气囊腔体弹出保护头的后脑部位。

摔倒的过程划分为三个阶段，第一阶段由正常行动状态突然由于某些原因进入失衡状态，第二阶段是身体失衡后的翻转和下沉状态，第三阶段是身体接触地面的摔倒在地状态。同时第二阶段伴随双脚离地腾空状态，即双脚对地压力同时骤减到非常低的状态。摔倒的判定在第二阶段确定，确定后立即控制充气气囊子系统开始充气，在进入第三阶段前完成充气。

如附图2所示的足底传感器安装示意图，在鞋垫或鞋底的夹层中安装有四个足底压力传感器，分别位于跟骨下方S4、大拇指(第一趾骨)远节趾骨下方S1、大拇指(第一趾骨)近节趾骨底下方S2、第四(或第五)近节趾骨底下方S3。纵向从脚尖到脚跟的顺序为S1、S2、S3、S4，摔倒过程中两脚腾空前，通过压力骤减的时间顺序图可以判断纵向方向撤力趋势，从而作为向前后两个大方向摔倒的参考依据，横向以左脚为例，从左到右顺序为S3、S4、S1、S2，其中S1、S2左右位置可以交换或基本保持在一条直线上，同时通过压力骤减的时间顺序图可以判断横向方向撤力趋势，从而作为左右两个大方向摔倒的参考依据。例如，一只脚压力信号都非常低，另一只脚，在S4先检测出压力值骤减为一个非常低的值，基本认为使用者的重心已经不在这个点附近，S1后检测出压力值骤减为一个非常低的值，在两脚腾空后可以预判有向前倒的可能。最终判定结果再结合姿态传感器的位置和测量的沿三个轴方向的转动情况确定。每只脚四个压力传感器的信号通过FPC柔性电路板传输到无线发送模块，无线发送模块和电池在后脚跟鞋帮上，后脚跟鞋帮内侧使用粘贴的方式贴近，或者无线发送模块和电池做成塑料夹具夹在后脚跟鞋帮处。

如附图3所示的护头充气气囊子系统由半球型的气囊、电磁充气阀4、高压气瓶5组成。其中，气囊包括主充气管道1、辅充气管道2和气囊其余部分3。半球型的气囊有四个充气嘴，分别对应四个电磁充气阀，每两个对应一个纵向的主充气管道充气，可以实现多气瓶对一个主充气管道快速充气的功能，图中使用了环形多嘴的气瓶。纵向的主充气管道承担主要受力作用，横向的辅充气管道和气囊其余部分承担辅助受力作用，充气时优先保证主充气管道内的充气速度和气压。通过该结构的说明，本领域技术人员很容易根据本发明的气囊结构制作出应用于保护腰身周围、尾骨、盆骨，保护关节，保护颈部的气囊。

如附图4所示的电磁充气阀，包括气囊连接部件8、气瓶连接部件9、电磁充气阀腔体7、电磁开关6、电磁控制信号线10。充气阀的进气口连接充气瓶，充气阀的出气口连接充气气囊。其中，气囊连接部件和气瓶连接部件可以相对电磁充气阀腔体独立旋转，并保持连接部件处的密封性。

如附图5所示的T形气瓶和附图6所示的环形(或弧形)气瓶可以更好的配合使用者的穿戴。长气瓶可以从侧面开放多个充气嘴方便不同位置的充气阀对接。充气瓶为惰性气体或二氧化碳高压气瓶，其形状随布放的身体位置做贴身设计。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种防摔保护系统，所述系统包括：

充气气囊子系统：用于对充气气囊进行充气；

摔倒预判子系统：通过身体各处的传感器信号判断是否进入摔倒腾空状态，在判断确定进入摔倒腾空状态后，控制所述充气气囊子系统实施充气保护动作；所述充气气囊子系统包括充气气囊，充气阀，充气瓶，其中充气阀的开启通过所述摔倒预判子系统控制；其特征在于：

所述充气气囊包括主充气管道，辅充气管道，囊体其余部分；所述辅充气管道和主充气管道纵横连通，充气过程中，主充气管道的优先级大于辅充气管道，由主充气管道内的气体对辅充气管道进行充气，辅充气管道的优先级大于囊体其余部分；所述主充气管道与所述充气阀相连，主充气管道与充气阀的出气口共轴，主充气管道的直径大于辅充气管道，主充气管道的轴向方向为充气气囊充气展开时的主要弹出方向。

2.根据权利要求1所述的防摔保护系统，其特征在于：所述充气气囊带有限压阀，在气囊中的气体压力超过预设阈值后，限压阀被气压挤开放气，当降到预设阈值以下后限压阀自动关闭；所述充气气囊的囊体其余部分与辅充气管道和主充气管道连通，由主充气管道和辅充气管道内的气体对囊体其余部分进行充气，辅充气管道的气压需求优先于所述囊体其余部分；所述主充气管道和辅充气管道的连接、主充气管道和充气气囊囊体的其余部分的连接、辅充气管道和充气气囊囊体的其余部分的连接都通过限压阀，当优先级高的充气管道达到预设的压强以后再向优先级低的充气管道或囊体其余部分充气，优先级低的充气管道或囊体其余部分对高优先级的充气管道不予倒灌。

3.根据权利要求1所述的防摔保护系统，其特征在于：采用多充气嘴的气瓶或采用多气瓶同时对所述充气气囊进行充气。

4.根据权利要求1所述的防摔保护系统，其特征在于：所述摔倒预判子系统包括足底压力传感器、姿态传感器、无线收发模块、数据处理单元、对气囊系统的控制输出单元，其使用的足底压力传感器数据和姿态传感器数据的汇总，根据数据处理单元的位置情况设定有线或无线传输方式，距离远的设定为无线传输。

5.根据权利要求4所述的防摔保护系统，其特征在于，所述摔倒预判子系统，其摔倒的判定依据为双脚离地腾空状态和身体失衡后的翻转或下沉状态的同时发生，其中双脚离地腾空状态为双脚对地压力同时骤减到非常低的状态；其中，双脚离地腾空状态的判定通过双脚足底压力传感器判定，判定阈值根据使用者每次行走时抬脚后的足底压力值设定，其传感器的布设点选择在鞋垫或鞋底的夹层中，首先判定阈值预设一个非常低的值，用来消除由于生产工艺和电子元器件的误差，然后在每次使用时，记录使用者行走时的脚底压力情况，选取抬脚后的足底压力值修正预设值，这样可以根据使用者的行走习惯、体重、穿鞋的松紧程度等情况做出个性化的调整；身体失衡后的翻转或下沉状态的判定通过佩戴在身体上半身的姿态传感器判定，当姿态传感器测量出的人体向地面的轴向加速度接近自由落体一定时间，或测量出的人体沿空间三个轴向发生翻转一定时间，或测量出人体运动速度超出正常运动速度一定时间后判定为进入身体失衡后的翻转或下沉状态，其传感器的布设点选择在脖颈后方、腰部后方或手腕。

6.根据权利要求4所述的防摔保护系统，其特征在于：对摔倒方向的判断通过足底压力传感器以及上半身佩戴的姿态传感器共同判定，主要判定方向包括前、后、左、右、前左、前右、后左、后右八个方向，判断依据为两脚底压力在判断为双脚离地腾空前的压力随时间的骤减趋势方向以及姿态传感器测量的对于空间三个轴的翻转方向，此时姿态传感器安装位置的方案为沿人体脊椎位置布设安装点。

7.根据权利要求6所述的防摔保护系统，其特征在于：在鞋垫或鞋底的夹层中安装有四个足底压力传感器，分别位于跟骨下方S4、第一趾骨远节趾骨下方S1、第一趾骨近节趾骨底下方S2、第四或第五近节趾骨底下方S3，纵向从脚尖到脚跟的顺序为S1、S2、S3、S4，摔倒过程中两脚腾空前，通过压力骤减的时间顺序图可以判断纵向方向撤力趋势，从而作为向前后两个大方向摔倒的参考依据；横向以左脚为例，从左到右顺序为S3、S4、S1、S2，其中S1、S2左右位置可以交换或基本保持在一条直线上，同时通过压力骤减的时间顺序图可以判断横向方向撤力趋势，从而作为左右两个大方向摔倒的参考依据。

8.根据权利要求7所述的防摔保护系统，其特征在于：足底压力的骤减趋势判定脚和小腿的整体的翻转方向，并推理预判大腿及大腿以上的身体部分这个整体的翻转方向，最终由位于上体非四肢上的姿态传感器在三轴上的角度变化数据判定大腿及大腿以上的身体部分这个整体的翻转方向。

9.根据权利要求1所述的防摔保护系统，其特征在于：所述充气气囊子系统中使用的充气阀是电磁充气阀，对该电磁充气阀的控制信号来源于所述摔倒预判子系统；所述电磁充气阀包括气囊连接部件、气瓶连接部件、电磁充气阀腔体、电磁开关、电磁控制信号线，其中气囊连接部件和气瓶连接部件可以相对电磁充气阀腔体独立旋转，并保持连接部件处的密封性。

10.根据权利要求1所述的防摔保护系统，其特征在于：所述充气气囊用于保护头部时，气囊安装在衣领下，气囊在充气时的弹出方向向上，气囊形状为半球形腔体，包裹穿戴者后脑。