下肢假肢穿戴者跌倒保护控制系统设计

从人机共融角度出发设计了假肢跌倒保护控制系统,包括跌倒预警和跌倒保护控制两个方面.首先通过综合分析所采集的人机信息设计跌倒预警系统,完成假肢穿戴者异常步态的有效识别与预警.通过基于健康人有效保护策略的经验知识库方法提取跌倒保护动作经验,制订对应假肢膝关节的跌倒保护策略.以四连杆假肢机构作为被控对象,通过多项式拟合建立运动控制模型,设计基于事件触发的下肢假肢跌倒保护控制系统.以跌倒预警信息作为事件触发条件,以健康人在将要跌倒状况下的膝关节恢复动作作为目标意图,来控制假肢膝关节完成预定转动.实验结果表明,假肢膝关节与人体残肢能在同一自然空间紧密协调,做出正确的保护动作.

女性老年人髋关节抗冲击保护裤装的设计开发

为设计开发一款兼顾功能性与舒适性的女性老年人髋关节抗冲击保护裤装,针对目标人群进行深度访谈,基于扎根理论分析建立功能、美学及表现方面的用户需求层次模型,并将其转化为保护衬垫、裤装的设计与制作方面的具体解决方案。通过落锤冲击试验验证6种不同厚度的软质缓冲材料的缓冲性能,选用厚度为20 mm的EVA(ethylene-vinyl acetate copolymer)材料作为保护衬垫材料,通过石膏复模法设计髋部保护衬垫的形态。考虑下肢运动特性,将裤装设计为膝部拱起的弯身结构,并基于侧面结构分割线和立体袋的设计将髋部保护衬垫置入裤装。跌倒保护试验结果表明,所设计的髋关节保护裤装所受到的冲击力比无护具时降低29.92%,抗冲击效果相比商用SHK-6010内裤提高了12.67%。

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

跌倒往往在不可意料的瞬间突然发生,且经常给人造成较大伤害,因此跌倒检测与防护变得尤其重要。利用充气气囊作为缓冲来减轻伤害是目前跌倒防护最有效的手段。研究的目的是为跌倒防护安全气囊设计成本低、重量轻、体积小、速度快的充气机构。充气机构凸轮轮廓的推程被设计为正弦规律加速度曲线,通过对机构结构的受力分析计算得出充气机构对刺针的推力;对分别存储8 g、12 g、16 g的CO2的多个气瓶进行了冲刺试验验证了充气机构能可靠地刺穿气瓶;用高速动态记录仪测得该充气机构给气囊充满气的平均时间为386.9 ms。该充气机构体积小、重量轻、充气快速可靠,不仅适合用于穿戴式跌倒髋防护安全气囊,也为设计其他多种形式的摔跌防护装置提供了参考。

可穿戴式跌倒防护装置充气机构的设计与研究

目的跌倒对老年人身心健康有着巨大威胁。针对现存跌倒防护装置结构复杂且充气方式不安全等问题,设计一套基于检测跌倒能自动充气的机械装置,以帮助老人在意外跌倒时能够通过气囊充气防护免受伤害。方法该保护装置由压缩二氧化碳气瓶、充气机构和保护气囊3部分组成,首先防护模块以CO_2为充气源,传动机构采用大功率舵机带动同轴的凸轮旋转,随着凸轮旋转刺针直线运动刺破气瓶;然后采用拉伸机对刺针刺破钢瓶力度进行测试,进而通过最大刺穿力和凸轮推程选定合适扭矩舵机;最后利用气体动力学等熵流公式预测气囊充气时间。结果对身高在163~174 cm的学生进行测试,模仿老人步态分别进行向前、向后和侧面跌倒实验,测得3种方式跌倒的时间分别为(865±41.49)ms、(788±53.56)ms和(852±65.37)ms;同时通过模拟气囊充气过程,获得气囊充气时间为(441±29.6)ms。将实验获得的跌倒时间和气囊充气时间进行对比可知,在老人跌倒过程中有较为充裕的时间为气囊充气,验证了利用压缩二氧化碳对气囊充气实现跌倒保护的可行性。结论本跌倒防护装置在跌倒检测的基础上,能够实现跌倒防护、减少跌倒带来的伤害,且装置具有结构简单、可靠性高、价格低廉等优点,适宜于推广应用。

基于ELM的人体跌倒预测算法

为了应用于跌倒保护装置设计,需要设计一种跌倒保护预测算法,能够准确并快速的区分跌倒动作和正常行为动作,因此提出了基于ELM的人体跌倒预测算法。该算法通过六轴传感器芯片MPU6050提取人体各个姿态下的三相加速度和三相旋转角,通过多变量分析方法得到特征量,随后对提取的特征量进行预处理,通过滑动时间窗口对数据进行切割,对处理后的数据集进行分类标签化处理,通过标签数据集进行ELM训练测试,得到一种基于ELM的人体跌倒预测算法。通过多指标理论和传统合加速度阈值算法进行了对比评估,确定了基于ELM的人体跌倒预测算法能够在0.2s内快速预测跌倒行为,并且预测准确率能够达到97.6%,完全满足跌倒预测保护装置的应用要求,并且性能明显优于传统跌倒预测算法。