一种人体用跌倒防护智能系统装置的制作方法

本发明属于人体防护装置领域，特别涉及一种人体用跌倒防护智能系统装置。

背景技术：

跌倒作为人体伤害的一种形式，由于其发生率高、后果严重，已经成为威胁人特别是老年人生命和健康的重要因素。人体跌倒会造成严重的肢体和心理伤害，特别是若伤及髋骨、尾骨可能因此丧命。随着我国人口老龄化、高龄化、空巢化形式的加剧，发展跌倒防护系统，在人体跌倒落地前提供缓冲防护，避免或减轻伤害，具有很重要的意义。

现有技术多为跌倒后的检测报警，在一定程度上虽可减少跌倒带来的伤害，但无法从根本上减轻或避免伤害。另外，有些跌倒防护系统的跌倒检测装置对于真实跌倒动作的检测和识别的误判率很高，且识别的较晚，而充气装置多为气瓶，体积大、充气速度慢，以至于系统从检测跌倒、开启充气装置到气体充满气囊整个过程的时间，人体已经跌倒着地，并没有起到跌倒防护的实质性作用。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种人体用跌倒防护智能系统装置，可在人体跌倒着地之前提供有利防护。

本发明的技术方案是：包括一个以上气体发生器模块，与气体发生器模块相连的快充压缩气垫，用于采集人体姿态数据能够准确可靠的在人体落地前预先识别跌倒动作的发生以控制发出触发信号触发气体发生器模块工作的跌倒动作预先识别模块；跌倒动作预先识别模块包括主控部分、辅助部分；主控部分包括第一微型处理器、与第一微型处理器分别相连的整合性六轴运动传感器、第一无线传输模块、触发信号输出模块；辅助部分包括第二微型处理器、与第二微型处理器分别相连的用于检测手臂加速度数据信号的三轴加速度传感器、第二无线传输模块，通过微型处理器来控制无线传输模块来进行数据传输；主控部分、气体发生器模块、快充压缩气垫佩戴在腰部，辅助部分佩戴在手腕处。

第一无线通信模块与第二无线通信模块无线连接。

主控部分、辅助部分上分别连有电源模块。

气体发生器模块为烟火式气体发生器模块，包括壳体，壳体一端开口处装有火工品、与火工品相对应的点火药，壳体内装有产气药柱，壳体另一端有排气端口；壳体包括内壳体、外壳体，内壳体和外壳体之间设置有消声与降温过滤网，内壳体上设有多个内排气孔，外壳体对应排气端口处设有一个以上外排气孔。

产气药柱经上支撑环、下支撑环装于内壳体内。

内壳体上端外壁设有与外壳体配合定位的定位凹部。

产气药柱中间有通孔，点火药装在产气药柱上端。

气体发生器模块为混合式气体发生器模块，包括内壳体，内壳体一端开口处装有火工品、与火工品相对应的点火药盒，排气端盖经爆破膜装于内壳体下部，内壳体内腔密封有高压气体，排气端盖设有多个内排气孔，装于内壳体外的外壳体上设有一个以上与内排气孔相对应的外排气孔，内壳体和外壳体之间设置有消声与降温过滤网。

外排气孔处设有排气端口。

内壳体上端外壁设有与外壳体配合定位的定位凹部。

其中，人体佩戴的跌倒动作预先识别模块具有很高的检测精度和很强的误动作判别能力，它包括佩戴在腰部的主控部分和佩戴在手腕的辅助部分，两部分共同配合，用于识别人体动作，预先识别跌倒行为，在人体跌倒落地前给出触发信号。其中，所述跌倒动作预先识别模块的主控部分包含第一供电模块、第一微型处理器、整合性六轴运动传感器和第一无线传输模块，用于检测身体角速度和加速度数据信号，并接收辅助部分传来的数据，进行信号处理；所述跌倒动作预先识别模块的辅助部分包含第二供电模块、第二微型处理器、加速度传感器和第二无线传输模块，用于检测手臂的加速度数据信号，并将数据实时传输给主控部分；主控部分和辅助部分可同时实现数据采集和无线通信，并由主控部分负责收集和汇总各类数据信号进行处理，两部分共同配合完成人体动作的检测，并识别出跌倒动作。

其中，气体发生器模块可以是烟火式气体发生器模块或混合式气体发生器模块。烟火式气体发生器模块中点火药与产气药接触，用点火药的能量引燃产气药柱；混合式气体发生器模块中点火药盒内有点火药，点火药的能量使高压气体增压、爆破。在正常状态爆破膜是用来密封高压气体，当点火药盒里的点火药点爆后，其能量连同高压气体使得整体压力增大，此时爆破膜破裂，放出高压气体。这两种气体发生器具有产气速度快、声音小、气体温度低的特性，适合人体近身佩戴。所述气体发生器模块的火工品连接由跌倒动作预先识别模块引出的触发信号线，所述气体发生器模块的排气端连接快充压缩气垫，在接收电触发信号后点爆，给快充压缩气垫充气。每一套人体用跌倒防护智能系统配置的两个相同的气体发生器模块，可同时接收电触发信号，同时点爆，同时向快充压缩气垫充气。气体发生器模块在整个人体用跌倒防护系统装置中为可替换部分，其火工品接线接口和连接快充压缩气垫的排气端口均为易拆接结构，已使用过的气体发生器模块可被新的气体发生器模块替换。

其中，人体佩戴的快充压缩气垫为腰带式，折叠好后像皮带一样系在腰部，气体进入后，迅速膨胀。在人体跌倒落地前，在人体和地面之间形成缓冲气垫，起到防护作用。

与现有技术相比，本发明无论是跌倒动作预先识别模块还是气体发生器模块都是特别适用于人体而设计的；且跌倒动作预先识别模块使用主控部分（身体佩戴传感器）和辅助部分（手环佩戴传感器）结合的方式，以提高跌倒动作识别率，且主控部分（身体佩戴传感器）使用整合性六轴运动传感器，并非单独的三轴加速度传感器和三轴陀螺仪的组合，解决了使用独立的加速度传感器和陀螺仪，不同传感器的检测轴间差会使得检测精度降低，影响跌倒动作的判别准确率的问题，从而避免不同传感器的检测轴间差，进一步增强跌倒识别准确性。气体发生器模块具有产气快、气温低、安全可靠等特性，适用于贴身佩戴；且每套系统配置两个气体发生器模块，进一步加快快充气垫的展开时间，具有实际应用价值和可操作性。

本发明一种人体用跌倒防护智能系统装置中，是专为人体穿戴设计，且跌倒动作预先识别模块和气体发生器模块具有高协调性的匹配设计，主要体现在：

1.跌倒动作预先识别模块身体佩戴和手环佩戴的方式，方便、易穿戴，不影响人体正常活动；

2.气体发生器模块是经过特殊设计的，可贴身佩戴的产气快、温度低、声音小、安全可靠的气体发生器；

3.跌倒动作预先识别模块和气体发生器模块的配合要求为：跌倒动作预先识别模块识别跌倒动作早、识别准确，气体发生器模块产期速度快，压缩气垫的充气展开速度快。本发明解决若人体跌倒已经落地，压缩气垫还未展开或者展开不充分，可能会给使用者带来更大的伤害的问题，保证本装置从检测跌倒、开启充气装置到气体充满气垫所有的工作流程在人体跌倒落地前都完成，以起到跌倒防护作用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的跌倒动作预先识别模块的电路原理框图。

图3为烟火式气体发生器模块结构图。

图4为混合式气体发生器模块结构图。

图5为本发明的使用状态图。

图6为快充压缩气垫展开正面视图。

图7为快充压缩气垫展开侧面视图。

图8为本发明的工作流程图。

图9为跌倒动作预先识别模块的跌倒识别流程图。

具体实施方式

通过下述例子是为了更好的说明本发明的实施效果，但本发明不仅限于此几个实施例，应包括权利要求中的全部范围。

下面结合附图对本发明的一种实施方式作进一步详细的说明。

本实施方式的一种人体用跌倒防护智能系统装置如图1所示，包括：

-跌倒动作预先识别模块1，用于检测人体动作，采集人体姿态数据，识别跌倒行为，在人体跌倒落地前给出触发信号；跌倒动作预先识别模块包含主控部分和辅助部分，主控部分佩戴在腰部，辅助部分佩戴在手腕。跌倒动作预先识别模块的主控部分和辅助部分可同时实现数据采集和无线通信，并由主控部分负责接收辅助部分发送的数据进行融合、处理与分析，主控部分和辅助部分两部分共同配合，提高跌倒动作预先识别的准确性和可靠性。

-气体发生器模块2，气体发生器模块的火工品连接由跌倒动作预先识别模块引出的触发信号线1-3，用于接收跌倒动作预先识别模块的触发信号，气体发生器模块的排气端口连接快充压缩气垫，在接受电触发信号后触发后引燃火工品，进而产生气体，给快充压缩气垫充气，产生气体速度为毫秒级；本发明可配置两个相同的气体发生器模块，可同时接收电触发信号，同时点爆，同时向快充压缩气垫充气。

-快充压缩气垫3，环绕系在人体腰部，在跌到落地前充气，用于跌倒着地时的缓冲，主要用以保护髋骨等人体易受伤部位。快充压缩气垫包括气垫3-2，气垫3-2两端连有腰带3-1，腰带3-1端部装有卡扣3-3。

本实施例中，跌倒动作预先识别模块电路原理图如图2所示，跌倒动作预先识别模块的主控部分1-2包含第一供电模块1-2-5、第一微型处理器1-2-1、整合性六轴运动传感器1-2-2、触发信号输出模块1-2-4和第一无线传输模块1-2-3；整合性六轴运动传感器1-2-2用于检测空间上身体的角速度和加速度数据信号，第一无线传输模块1-2-3接收辅助部分传来的数据，第一微型处理器1-2-1进行信号处理，第一供电模块1-2-5为跌倒动作预先识别模块的主控部分提供电源。跌倒动作预先识别模块的辅助部分1-1包含第二供电模块1-1-4、第二微型处理器1-1-1、三轴加速度传感器1-1-2和第二无线传输模块1-1-3；三轴加速度传感器1-1-2用于检测手臂的加速度数据信号，并将数据通过第二无线传输模块1-1-3实时传输给主控部分，第二供电模块1-1-4为跌倒动作预先识别模块的辅助部分提供电源。其中，主控部分1-2和辅助部分1-1的第一微型处理器1-2-1和第二微型处理器1-1-1均使用stm32f103ze，电源模块1-2-5和1-1-4均使用3.7v聚合物锂电池，第一无线通信模块1-2-3和第二无线通信模块1-1-3均使用nrf24l01；主控部分的整合性六轴运动传感器1-2-2采用mpu6500，辅助部分的三轴加速度传感器1-1-2使用adxl345。第一无线通信模块1-2-3、整合性六轴运动传感器1-2-2与第一微型处理器1-2-1的数据传输均是spi传输，第二无线通信模块1-1-3、三轴加速度传感器1-1-2与第二微型处理器1-1-1的数据传输也是spi传输，主控部分的触发信号输出模块1-2-4采用7.4v高倍率30c的200mah聚合物锂电池连接mos场效应管电子开关，实现处理器对点火信号的控制功能。本发明的人体用跌倒防护智能系统装置的气体发生器模块中，气体发生器模块采用烟火式气体发生器模块如图3所示，外形为细长的筒状，包括壳体，壳体包括内壳体2-108、外壳体2-109，内壳体和外壳体之间设置有消声与降温过滤网，内壳体上设有多个内排气孔，外壳体2-109对应排气端口2-111处设有一个以上外排气孔。产气药柱经上支撑环2-107、下支撑环2-110装于内壳体内。火工品2-101位于壳体的一端，排气端口2-111位于壳体的另一端，与快充压缩气垫3连通；火工品2-101接收到触发信号后立即工作，点燃点火药2-102并迅速使产气药柱2-103燃烧，产生大量气体，经内排气孔2-104排出，再经消声与降温过滤网2-105后由外排气孔2-106到达气体发生器外部，低温气体通过排气端口2-111排出使得气垫迅速展开。烟火式气体发生器模块体积小，用隔热材料包裹后粘贴附着在气垫腰带上。

本发明的人体用跌倒防护智能系统装置的气体发生器模块中，气体发生器模块也可采用混合式气体发生器模块如图4所示，外形为细长的筒状，包括内壳体2-204，内壳体2-204一端开口处装有火工品、与火工品相对应的点火药盒，排气端盖2-206经爆破膜装于内壳体下部，内壳体内腔密封有高压气体，排气端盖设有多个内排气孔，装于内壳体外的外壳体上设有一个以上与内排气孔相对应的外排气孔，内壳体2-204和外壳体2-205之间设置有消声与降温过滤网2-203。火工品2-201位于发生器的一端，排气端口2-212位于发生器的另一端，与快充压缩气垫连通；火工品2-201接收到触发信号后立即工作，点燃点火药盒2-202并使得密封的高压气体2-208压力增大，此时爆破膜2-210破裂，高压气体经内排气孔2-211排出，再经消声与降温过滤网2-203后经由外排气孔2-207到达气体发生器外部，低温气体通过排气端口2-212排出使得气垫迅速展开。混合式气体发生器模块体积较小，可直接粘贴附着在气垫腰带上。密封珠2-209是混合式气体发生器充高压气体时留的接入口，充满气体后焊接密封形成。

气垫采用尼龙涂层布材料，做成腰带形状，折叠后系于腰部。气垫前后两面用肋点间隔连接，防止气气垫充气后膨胀过大；人体在跌倒着地时气体可以缓慢溢出，起到更好的缓冲作用。人体用跌倒防护智能系统装置的人体佩戴，如图5所示，跌倒动作预先识别模块的主控部分1-2佩戴在腰部正中部位，辅助部分1-1佩戴在任一手腕上；和烟火式气体发生器模块2连接好的快充压缩气垫3事先折叠成腰带形状，通过卡扣，围绕系在腰部。快充压缩气垫展开正面视图如图6所示，快充压缩气垫展开侧面视图如图7所示。本发明的人体用跌倒防护智能系统装置的工作流程如图8所示，由于本发明的跌倒防护智能系统装置主要用于保护跌倒人体的大腿、臀部、胸前和背部等部位，跌倒动作预先识别模块主要用于识别人体的向后跌倒。佩戴好本装置，开机运行后系统自检，随后跌倒动作预先识别模块开始运行，一旦检测到跌倒，第一微型处理器就会给出一个低电平的触发信号，触发信号输出模块接收到这一信号后，会立即输出一个7.4v的电压信号，通过触发信号线输入给烟火式气体发生器模块中的火工品，火工品随即引爆点火药，并立即点燃烟火式气体发生器模块中的产气药片，释放的大量气体通过消声装置和降温装置，最终冷却后的气体充入系在腰部的快充压缩气垫，气垫立即展开，在人体着地之前充气完毕，对人体跌倒落地进行缓冲和防护。

人体用跌倒防护智能系统装置中的跌倒动作预先识别模块是用于准确识别人体向后跌倒的关键部件。本实施例中主控部分stm32f103ze处理器通过spi协议与无线通信模块nrf24l01和mpu6500进行数据传输，辅助部分adxl345采集的通过无线通信模块nrf24l01发送给主控部分。主控部分中的传感器mpu6500为整合性6轴运动处理组件，整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，可测量输出三轴加速度和角速度值，本实施例中将该传感器正交固定在人体腰部，即使得传感器的x轴垂直向下，y轴水平，z轴垂直于人体面，这样在人体跌倒时，x轴方向上的加速度和z轴方向上的角速度有着明显的特征。

这是因为，人体正常情况无大幅运动状态下，此时x轴方向的加速度近似为重力加速度g；而当人体有大幅运动状态时（如撞击），此时x轴方向的加速度大于重力加速度g；而人体向后跌倒不自主倾斜的过程是一个失重的状态，x轴方向上的加速度小于重力加速度g，本实施例中该阈值设定为0.85g；此时z轴方向上的角速度也是一个突然变大的趋势，本实施例中该阈值设定为60°/s。根据跌倒时这两个明显特征，可在一定程度上识别向后跌倒倾斜，但这种判别方案有着较高的误判率，因此在跌倒动作预先识别模块中添加了辅助部分，该部分佩戴在手腕上，adxl345用于检测三轴加速度，由于手腕佩戴时传感器方向不易固定，因此通过计算合加速度值来判定手臂挥动状态；研究表明人体在跌倒时除了身体倾斜外，手臂会突然挥动，此时svm会突然变大，本实施例中该阈值设定为1.8g，跌倒动作预先识别模块的辅助部分正是通过检测手臂挥动，连同主控部分数据一起共同判定跌倒，大大提高了动作识别的准确率。

其中的跌到识别流程如图9所示，系统运行后，主控部分处理器会接收到主控部分mpu6500检测到的身体部位的x轴方向上的加速度和z轴方向上的角速度，也会通过无线传输模块接收到辅助部分adxl345检测的手臂部位的三轴加速度值，经过处理器计算可得到手臂svm值。接下来，处理器通过不断的对这三个值进行循环判定，从而识别跌倒动作。首先，若主控部分检测到的身体x轴方向上的加速度小于阈值0.85g，则进行下一步对主控部分身体部位z轴方向上的角速度的判断，若身体部位z轴方向上的角速度大于阈值60°/s，则进行下一步对辅助部分手臂svm值的判断，若手臂svm值大于阈值1.8g，此时判定跌到动作发生，若其中的任一条件不满足则程序返回到起始状态进行重新检测和判断。当系统判定跌到行为发生，则立即启动烟火式气体发生器模块，并迅速使得快充压缩气垫充气展开，起到得到防护作用。