CN114831365A - 一种人体减跌防震的智能气囊服 - Google Patents

Abstract

本发属于防护服领域，具体涉及一种人体减跌防震的智能气囊服，包括：智能机械结构和压缩气囊；所述智能机械结构包括气瓶、出气阀、气道、螺旋轴、舵机、穿针以及弹簧，所述气瓶的封瓶口与穿针的针尖对应，穿针尾端通过弹簧固定在螺旋轴上，螺旋轴与舵机连接；气瓶的瓶口与气道对应，且气道的出口与出气阀连接；出气阀与压缩气囊连接，构成智能气囊服；本发明基于交互式设计理念，提升了安全气囊服的舒适度以及保护效率。

Description

一种人体减跌防震的智能气囊服

技术领域

本发属于防护服领域，具体涉及一种人体减跌防震的智能气囊服。

背景技术

人口老龄化日益严重，在人体非故意伤害病例中，摔倒是导致人体受伤的最常见高风险事件。并且看护人员短缺，老人跌倒几率大，跌倒伤害高，使得提供智能减跌防震的干预措施显得十分迫切，以便“跌倒预警、跌倒减震以及减轻伤害”。为此，本发明研发一种人体减跌防震的智能气囊服。采用该设备的跌倒干预技术能够实现有效预警、及时响应、减轻跌倒过程的冲撞、缓解跌倒伤害。

人体减跌防震的智能气囊服不仅能够满足人体对减跌抗震的需求，还可以针对骑行、游泳等人员进行再开发。例如，对外卖骑行人员提供这类马甲，将减轻骑行人员的损失。我国的外卖配送人员近 700万人，为他们提供一套减跌防震的可穿戴设备，将减少配送人员在复杂天气、复杂路况下骑行的跌倒风险和生命财产损失。

本发明内容

为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种人体减跌防震的智能气囊服，该智能气囊服包括：智能机械结构A和压缩气囊B；所述智能机械结构A包括气瓶A-1、出气阀A-3、气道A-4、螺旋轴A-5、舵机A-7、穿针A-8 以及弹簧A-9，所述气瓶A-1的封瓶口与穿针A-8的针尖对应，穿针尾端通过弹簧A-9固定在螺旋轴A-5上，螺旋轴A-5与舵机连接；气瓶A-1的瓶口与气道 A-4对应，且气道A-4的出口与出气阀A-3连接；出气阀A-3与压缩气囊B连接，构成智能气囊服。

优选的，所述智能机械结构A还包括信号传输装置，该信号传输装置与舵机A-7电气连接，所述信号传输装置输出控制舵机A-7的控制信号，实现舵机A-7的转动。

优选的，所述智能机械结构A还包括器件固定板A-2，所述器件固定板A-2 用于固定气瓶A-1、出气阀A-3、气道A-4、螺旋轴A-5以及舵机A-7。

优选的，所述压缩气囊B包括头侧防护气囊B-1、身体防护气囊B-2、臀部防护气囊B-3以及气阀；其中侧防护气囊B-1、身体防护气囊B-2、臀部防护气囊B-3相互连通；气阀与智能机械结构A中的出气阀A-3连接。

进一步的，头侧防护气囊B-1包括至少2个水平条状气囊和至少2个竖直条状气囊；其中水平条状气囊和竖直条状气囊相互交叉，构成网格结构；采用网格结构增加了防护服对头部的保护面积，提高了保护的效果。

优选的，身体防护气囊B-2包括胸前防护气囊B-21和背部防护气囊B-22；胸前防护气囊B-21和背部防护气囊B-22的顶部与头侧防护气囊B-1导通，底部与臀部防护气囊B-3导通。

优选的，胸前防护气囊B-21为弧形结构，该弧形结构与人体胸腔弧度对应；背部防护气囊B-22为宽直的气囊，该气囊与人体背部贴合。

优选的，臀部防护气囊B-3包括至少2条水平方向条状气囊和至少2条竖直方向条状气囊；所述水平方向条状气囊和所述竖直方向条状气囊相互交叉，构成网格状结构。

进一步的，所述水平方向条状气囊和所述竖直方向条状气囊与人体臀部贴合。

优选的，所述智能气囊服还包括马甲C，该马甲C包括前片块C-1、气瓶袋 C-2、肩部块C-4、背部块C-5、臀部块C-6以及侧面块C-7；其中前片块C-1用于固定身体防护气囊B-2的胸前防护气囊B-21，气瓶袋C-2用于固定智能机械结构A，肩部块C-4用于固定头侧防护气囊B-1的底部，背部块C-5用于固定身体防护气囊B-2的背部防护气囊B-22；臀部块C-6和侧面块C-7用于固定臀部防护气囊B-3。

本发明基于交互式设计理念，将提升安全气囊服的舒适度，优化了充气机械结构，使其体积更小，重量更轻，提高了气瓶穿透装置的气体流速，加快了气囊充气速度，选择替换性强的轻型材料，降低制造成本，以减轻重量而不失稳定性。在安全气囊的尺寸设计，根据理论计算，科学地设计了安全气囊的体积，避免气压过小和造成承载能力不足等问题；选择了合适的气瓶装置。检查气压的强度，以避免气压过高导致气囊爆炸，从而提升了保护性能。

附图说明

图1一种人体减跌防震智能气囊服在非充气时的马甲结构图；

图2一种人体减跌防震智能气囊服在充气时的气囊的正面结构图；

图3一种人体减跌防震智能气囊服在充气时的气囊的背面结构图；

图4一种人体减跌防震智能气囊服在充气时的机械结构图；

图5一种人体减跌防震智能气囊服在充气时的机械结构的透视图；

图6一种人体减跌防震智能气囊服在充气时的机械结构的俯视图；

图7一种人体减跌防震智能气囊服在充气时的中空穿针结构图；

图8一种人体减跌防震智能气囊服在非充气时的马甲的正面图；

图9一种人体减跌防震智能气囊服在非充气时的马甲的背面图；

其中，A、智能机械结构，A-1、气瓶，A-2、器件固定板，A-3、出气阀， A-4、气道，A-5、螺旋轴，A-7、舵机，A-8、穿针，A-9、弹簧；B、压缩气囊， B-1、头侧防护气囊，B-2、身体防护气囊，B-21、胸前防护气囊，B-22、背部防护气囊，B-3、臀部防护气囊；C、马甲，C-1、前片块，C-2、气瓶袋，C-4、肩部块，C-5、背部块，C-6、臀部块，C-7、侧面块；1、中空斜尖，2、空心针管，3、穿针针头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种人体减跌防震的智能气囊服，该智能气囊服包括：智能机械结构A和压缩气囊B；所述智能机械结构A包括气瓶A-1、出气阀A-3、气道A-4、螺旋轴A-5、舵机A-7、穿针A-8以及弹簧A-9，所述气瓶A-1的封瓶口与穿针A-8 的针尖对应，穿针尾端通过弹簧A-9固定在螺旋轴A-5上，螺旋轴A-5与舵机连接；气瓶A-1的瓶口与气道A-4对应，且气道A-4的出口与出气阀A-3连接；出气阀A-3与压缩气囊B连接，构成智能气囊服。

优选的，智能机械结构A还包括信号传输装置，该信号传输装置与舵机A-7 电气连接，用于控制舵机A-7的转动。

智能机械结构A还包括器件固定板A-2，所述器件固定板A-2用于固定气瓶A-1、出气阀A-3、气道A-4、螺旋轴A-5以及舵机A-7。

优选的，压缩气囊B包括头侧防护气囊B-1、身体防护气囊B-2、臀部防护气囊B-3以及气阀；其中侧防护气囊B-1、身体防护气囊B-2、臀部防护气囊B-3 相互连通；气阀与智能机械结构A中的出气阀A-3连接。

头侧防护气囊B-1包括至少2个水平条状气囊和至少2个竖直条状气囊；其中水平条状气囊和竖直条状气囊相互交叉，构成网格结构。

身体防护气囊B-2包括胸前防护气囊B-21和背部防护气囊B-22；胸前防护气囊B-21和背部防护气囊B-22的顶部与头侧防护气囊B-1导通，底部与臀部防护气囊B-3导通。

胸前防护气囊B-21为弧形结构，该弧形结构与人体胸腔弧度对应；背部防护气囊B-22为宽直的气囊，该气囊与人体背部贴合。

臀部防护气囊B-3包括至少2条水平方向条状气囊和至少2条竖直方向条状气囊；所述水平方向条状气囊和所述竖直方向条状气囊相互交叉，且水平方向条状气囊和竖直方向条状气囊与人体臀部贴合，构成网格状结构。

一种人体减跌防震的智能气囊服的具体实施方式，该智能气囊服包括：智能机械结构、信号传输装置以及压缩气囊；所述智能机械结构包括压缩气瓶、穿针、旋转隔板、舵机以及弹簧，所述压缩气瓶的气瓶口与穿针的针尖对应，穿针尾端固定在旋转隔板上，旋转隔板与舵机连接，弹簧的一端设置在穿针上，另一端设置在舵机的外壳上，且弹簧处于松弛状态；所述信号传输装置与智能机械结构的舵机相连；所述压缩气囊包括头部气囊、身体气囊、臀部气囊以及充气阀；其中头部气囊、身体气囊以及臀部气囊相互连通，且充气阀设置在身体气囊上；充气阀的气瓶口与智能机械结构的压缩气瓶气密性连接；当设备检测到跌倒时，信号传输装置向舵机发送控制信号，舵机转动，使得穿针在旋转隔板的作用下刺穿气瓶，由于弹簧此时处于拉伸状态，使得穿针受到弹簧的拉力回到原位；压缩气瓶通过刺穿的孔向压缩气囊充气，从而防止人体跌倒损伤。

一种人体减跌防震智能气囊服在充气时的气囊马甲外观设计如图1所示，包括前片块C-1、气瓶袋C-2、肩部块C-4、背部块C-5、臀部块C-6以及侧面块C-7；各个块之间通过衬线进行缝合连接；前片块C-1上设置有拉链，通过拉链使得气囊马甲贴合在人体表面。气瓶放置在服装内的气瓶袋C-2处，不会影响穿着者的舒适度。气瓶袋C-2纵向放置的目的是将气瓶的竖直放置，使得气密的瓶口朝上，使得气瓶能更稳定的固定在气瓶袋C-2中。

优选的，在气瓶袋口设置有人体姿态感知的传感器，该传感器用于感知人体的纵向倾斜度、加速度、速度等信息。

优选的，气囊马甲的顶端中部设置有密封环绕衣领，所述衣服本体前端右侧底部设置有第一气瓶袋，所述衣服本体前端左侧底部设置有第二气瓶袋，所述衣服前端中部设置有拉链；所述防摔衣设计达到了易穿着，舒适轻便的效果，气瓶和电源器件的对称设计，减少了所述防摔衣穿着上的垂吊感，增加了舒适度，并且摔倒后实现大腿及以上全方位保护，减少人摔倒时受到的伤害。当摔倒后，发出醒目光效，达到被路人及时发现并救助的效果。

一种人体减跌防震智能气囊服在充气时的气囊正面外观如图2所示。气囊结构由气囊和2个气管组成。气囊结构由气囊和2个气管组成。包括头侧部防护、胸部防护、大腿侧面防护；头侧部防护起到在往前摔倒或者侧摔倒对头部的保护作用，胸部防护起到在往前摔倒对胸部和腹部的保护作用，大腿侧面防护起到在往侧面摔倒对大腿的保护作用。管状气囊能够尽量缩小体积而使得充气所需气体尽可能的少，而且能够起到必要的部位防护作用。头部、胸部、背部、臀部各处的气囊都相连，中间有气管，供气体进入。为了提高进气速度，2 个气管连接到充气瓶，气管从臀部的气囊、经由脊柱气囊，到达后脑勺部。优点是最先充气头部气囊，然后气体达到脊柱部，再到其他部位充气。压缩气瓶使用氦气，作为密度最小的惰性气体，使得智能气囊质量达到最小程度。所述气囊具有摔倒缓冲，减少摔倒带来的伤害的作用，配合气瓶可以在摔倒时迅速充气膨胀，反应时间达到毫秒级，起到对头部侧面，胸部腹部和大腿侧部的保护作用。

一种人体减跌防震智能气囊服在充气时的气囊背面外观如图3所示，包括后脑勺全包围防护，脊柱支撑防护，臀部全包围防护；后脑勺全包围防护起到对头后部后脑勺以及颈部的全方位保护作用，脊柱支撑防护起到对肩部以及背部尤其是脊柱的保护作用，臀部全包围防护起到对腰部以及臀部的全方位保护作用。头侧防护气囊包括至少2个水平条状气囊和至少2个竖直条状气囊；其中水平条状气囊和竖直条状气囊相互交叉，构成网格结构；身体防护气囊包括胸前防护气囊和背部防护气囊；胸前防护气囊和背部防护气囊的顶部与头侧防护气囊导通，底部与臀部防护气囊导通；胸前防护气囊为弧形结构，该弧形结构与人体胸腔弧度对应；背部防护气囊为宽直的气囊，该气囊与人体背部贴合。臀部防护气囊包括至少2条水平方向条状气囊和至少2条竖直方向条状气囊；所述水平方向条状气囊和所述竖直方向条状气囊相互交叉，构成网格状结构，提高了人体的保护范围。气囊具有摔倒缓冲，减少摔倒带来的伤害的作用，配合气瓶可以在摔倒时迅速充气膨胀，反应时间达到毫秒级，起到对头部后部后脑勺、颈部、肩部、背部、腰部和臀部的保护作用。

对于压缩气体装置设计，常用的压缩气体有氦气和CO₂等。本发明选用CO₂作为压缩气体。市面上常见的CO₂压缩气瓶规格有8g、12g、16g、25g、33g，其中最大33g的压缩气瓶总重113g、高度139mm、直径为26毫米。气缸规格可根据安全气囊的体积选择。

关于气瓶的气体质量计算公式为：

其中，R为气体常数，单位为J/(mol·K)；T为绝对温度，单位为开尔文 (K)；M是物质的摩尔质量，单位为克/摩尔；P为标准大气压，单位为帕(Pa)； V为填充后体产品的气体体积，单位为m³；N是气体物质的摩尔数。其计算依据包括克拉伯龙(Clapeyron)方程，PV＝nRT，和摩尔质量公式，m＝Mn，其中n为摩尔系数(阿伏加德罗常量)，n＝6.02×10^23。

例如，人体身高170cm的用户，上半身为65cm，提供的气囊体积约为0.07L， CO₂气体的密度为1.997g/L(0℃,101.325kPa)，气体常数R＝8.314J/(mol·K)，P 为1个标准大气压101325pa＝1.01kpa，T为273K，计算得m＝ (44*1.01325*0.07)/(8.314*273)＝1.375g。

气囊实际工作气压：

其中，D为气囊直径，单位(m)；H：安全气囊施工时的顶升高度，单位 (m)；L_total：安全气囊长度，单位为m。N：安全气囊数量，单位。G：构件顶升重量，单位t。L为单个气囊有效压力长度，L＝L_total-2×0.866×D；B为单个气囊受压面宽度，

例如，为人体身高170cm的用户，设计的气囊服的参数，D＝0.16m； H＝0.048m；L_total＝0.35m；N＝6，G＝0.14t。因为，

L＝L_total-2×0.866×D＝0.35-2×0.866×0.16＝0.073。那么，气囊实际工作气压为：

一种用于撞破气瓶使气体释放的触发装置，为一种人体减跌防震智能气囊服在充气时的机械结构如图4所示，包括气瓶、穿针、舵机、凸轮以及面板。所述触发装置前端设置有一个装有二氧化碳的气瓶，在气瓶后面设置有一个穿针，穿针通过轻质铝板外壳进行固定，用于撞破气瓶。在穿针后面设置有一个凸轮，外圈半径较大，内圈半径较小，所述凸轮由内半径旋转为外半径时会产生位移差，推动所述穿针向前运动，从而撞破气瓶，释放气体。所述凸轮上端固定有一个舵机，用于驱动凸轮进行旋转，推动穿针撞破气瓶，释放气体。所述装置的工作流程为，当单片机感知到跌倒情况时，发出跌倒信号的控制指令，驱动舵机旋转，带动凸轮旋转，使穿针产生向前的位移，撞破气瓶，释放气体，气体通过轻质铝板外壳上的出气孔迅速填充至气囊。本触发装置体积较小，在实际应用时比较轻便，不易察觉，便穿戴或携带，封装在马甲或衣服中不影响用户穿戴体验，不臃肿，不会妨碍用户行动。与单一的舵机驱动方式相比，提高了刺破气瓶准确率，更加稳定，触发精准，反应较快，释放气体较为迅速，反应时间在毫秒级，能在接受到跌倒控制信号时推动穿针，撞破气瓶释放气体，使气体快速充满气囊，从而达到快速而有效的保护效果，为将要跌倒的用户提供跌倒减震保护。

一种用于撞破气瓶使气体释放的触发装置，一种人体减跌防震智能气囊服在充气时的机械结构内部视角(如图5所示)，包括底板/面板、气瓶、穿针、舵机、凸轮和固定的外壳。对于驱动部分设计，本发明由机械手舵机和舵轮组成。舵轮上有四个M2、5个螺纹孔，用于与舵机相匹配。凸轮的最小直径为11mm，沿边缘直径线性增加，最大直径为21mm。实际输出功率取决于气缸。随着直径的增加，凸轮将穿针推向气瓶。所述穿针后面设有舵机，舵机推动所述穿针向前运动，从而撞破气瓶，释放气体。

一种用于撞破气瓶使气体释放的触发装置，为一种人体减跌防震智能气囊服在充气时的机械结构外部视角(如图6所示)，包括底板/面板、气瓶、穿针，舵机、凸轮和固定的外壳。底板/面板用于支撑整个装置，所述触发装置前端设置有一个装有二氧化碳的气瓶，在气瓶后面设置有一个穿针，穿针固定在图中的固定装置中，用于撞破气瓶。

一种人体减跌防震的智能气囊服，该智能气囊服包括：采用中空穿针设计 (如图7所示)，包括：中空斜尖1、空心针管2和穿针针头3，本发明系统中有两个对穿针的需求。一是刺穿压缩气瓶的密封件要有一定的硬度，二是在插入气瓶时要保证足够快的气体释放。所述穿针为倾斜凹槽的结构，且内部中空。穿针在刺破气瓶后，此种结构既能保证穿针能够轻易地击穿气瓶，同时也能够使气瓶中的气体通过穿针的中空结构快速地进入外壳的出气口，迅速地充盈气囊，使气囊弹起。相比于普通的穿针结构，气体通过速率得到明显提升，显然，所述穿针的结构更贴近我们产品设计的需求，从而实现二氧化碳气体迅速充斥气囊。由于实心针刺入瓶口的过程会增加阻力，从而增加排气时间，因此需要对针头进行优化。根据流体力学理论，针的形状设计为半圆形中空斜尖，针的半径设计为2mm。半圆柱形空心斜针不仅可以减少气瓶的阻力，而且可以使气瓶在进针过程中释放气体。进针过程中，气体不会被针头挡住，也可以从穿针的斜向部分放出，尽量减少放气时间。气瓶密封材料为1013精钢，厚度0.18mm，外径为12mm。因此要求针刺材料为硬度在200HBW以上的切削材料。本文选用红硬性和热稳定性优良的W18Cr4V钨高速钢。当切削温度为540度时，其硬度可以保持HRC66，符合要求。

一种人体减跌防震的智能气囊服，该智能气囊服包括：马甲外观的正面外观(如图8所示)，包括气瓶袋、马甲内置气囊以及电源器件(与气瓶袋位置对称)。马甲外观的背面外观(如图9所示)，包括马甲顶部留孔(头部气囊可伸缩)、马甲腰部留孔(胸部气囊可伸缩)以及马甲背部留孔(背部气囊可伸缩)。所述气囊服通过松紧带或留空的形式，使得气囊能够自由伸缩，服达到了日常穿着轻便，不臃肿，不会妨碍行动，并且摔倒后实现大腿及以上全方位保护，使人在失衡时能及时配合减震，避免了人体直接受力效果。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种人体减跌防震的智能气囊服，其特征在于，包括：智能机械结构(A)和压缩气囊(B)；所述智能机械结构(A)包括气瓶(A-1)、出气阀(A-3)、气道(A-4)、螺旋轴(A-5)、舵机(A-7)、穿针(A-8)以及弹簧(A-9)，所述气瓶(A-1)的封瓶口与穿针(A-8)的针尖对应，穿针尾端通过弹簧(A-9)固定在螺旋轴(A-5)上，螺旋轴(A-5)与舵机连接；气瓶(A-1)的瓶口与气道(A-4)对应，且气道(A-4)的出口与出气阀(A-3)连接；出气阀(A-3)与压缩气囊(B)连接，构成智能气囊服。

2.根据权利要求1所述的一种人体减跌防震的智能气囊服，其特征在于，所述智能机械结构(A)还包括信号传输装置，该信号传输装置与舵机(A-7)电气连接，用于控制舵机(A-7)的转动。

3.根据权利要求1所述的一种人体减跌防震的智能气囊服，其特征在于，所述智能机械结构(A)还包括器件固定板(A-2)，所述器件固定板(A-2)用于固定气瓶(A-1)、出气阀(A-3)、气道(A-4)、螺旋轴(A-5)以及舵机(A-7)。

4.根据权利要求1所述的一种人体减跌防震的智能气囊服，其特征在于，所述压缩气囊(B)包括头侧防护气囊(B-1)、身体防护气囊(B-2)、臀部防护气囊(B-3)以及气阀；其中侧防护气囊(B-1)、身体防护气囊(B-2)、臀部防护气囊(B-3)相互连通；气阀与智能机械结构(A)中的出气阀(A-3)连接。

5.根据权利要求4所述的一种人体减跌防震的智能气囊服，其特征在于，头侧防护气囊(B-1)包括至少2个水平条状气囊和至少2个竖直条状气囊；其中水平条状气囊和竖直条状气囊相互交叉，构成网格结构。

6.根据权利要求4所述的一种人体减跌防震的智能气囊服，其特征在于，身体防护气囊(B-2)包括胸前防护气囊(B-21)和背部防护气囊(B-22)；胸前防护气囊(B-21)和背部防护气囊(B-22)的顶部与头侧防护气囊(B-1)导通，底部与臀部防护气囊(B-3)导通。

7.根据权利要求6所述的一种人体减跌防震的智能气囊服，其特征在于，胸前防护气囊(B-21)为弧形结构，该弧形结构与人体胸腔弧度对应；背部防护气囊(B-22)为宽直的气囊，该气囊与人体背部贴合。

8.根据权利要求6所述的一种人体减跌防震的智能气囊服，其特征在于，臀部防护气囊(B-3)包括至少2条水平方向条状气囊和至少2条竖直方向条状气囊；所述水平方向条状气囊和所述竖直方向条状气囊相互交叉，构成网格状结构。

9.根据权利要求1所述的一种人体减跌防震的智能气囊服，其特征在于，所述智能气囊服还包括马甲(C)，该马甲(C)包括前片块(C-1)、气瓶袋(C-2)、肩部块(C-4)、背部块(C-5)、臀部块(C-6)以及侧面块(C-7)；其中前片块(C-1)用于固定身体防护气囊(B-2)的胸前防护气囊(B-21)，气瓶袋(C-2)用于固定智能机械结构(A)，肩部块(C-4)用于固定头侧防护气囊(B-1)的底部，背部块(C-5)用于固定身体防护气囊(B-2)的背部防护气囊(B-22)；臀部块(C-6)和侧面块(C-7)用于固定臀部防护气囊(B-3)。

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