CN115231222A - 一种适应于受伤人员的拖拽运输中避免二次损伤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应于受伤人员的拖拽运输中避免二次损伤的方法，属于灾难救援技术领域，包括：安装上颈部传感器，设定上颈部损伤指标和避免上颈部损伤准则；安装下颈部传感器，设定下颈部损伤指标和避免下颈部损伤准则；安装腰部传感器，设定腰部损伤指标和避免腰部损伤准则；安装胸部传感器，设定胸部损伤指标和避免胸部损伤准则；拖拽过程中，对上颈部传感器、下颈部传感器、腰部传感器和胸部传感器导出数据进行滤波降噪；进行拖拽过程的二次损伤预警；安装头部传感器，设定头部损伤指标和避免头部损伤准则；对胸部传感器和头部传感器导出数据进行滤波降噪，进行运输过程的二次损伤预警。本发明能够达到拖拽过程和运输过程的二次损伤的预警。

Description

一种适应于受伤人员的拖拽运输中避免二次损伤的方法

技术领域

本发明涉及灾难救援技术领域，尤其是一种适应于受伤人员的拖拽运输中避免二次损伤的方法。

背景技术

如果发生火灾、地震等自然灾难，由于地形险恶、环境恶劣，很难凭借人力进行救援，于是便有了专门作业于复杂地形的救援机器人。但在机器人拖拽以及运输受伤人员的过程当中仍可能会由于处理不当而产生二次损伤，如何判断并避免受伤人员产生二次损伤是需要解决的问题。为了避免二次损伤，有必要研发一种适用于受伤人员的拖拽运输过程中避免二次损伤的方法。

此方法主要介绍了适用于拖拽运输过程中的二次损伤预警算法。在拖拽过程可能造成的二次损伤，

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种适应于受伤人员的拖拽运输中避免二次损伤的方法，由力和加速度两个指标来判断是否达到了二次损伤的预警线；运输过程当中的二次损伤主要存在于头部以及胸部当中，通过测量三个方向的分加速度建立损伤指标函数，从而能够达到二次损伤的预警。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种适应于受伤人员的拖拽运输中避免二次损伤的方法，包括以下步骤；

S1、安装上颈部传感器，设定上颈部损伤指标和避免上颈部损伤准则；

S2、安装下颈部传感器，设定下颈部损伤指标和避免下颈部损伤准则；

S3、安装腰部传感器，设定腰部损伤指标和避免腰部损伤准则；

S4、安装胸部传感器，设定胸部损伤指标和避免胸部损伤准则；

S5、拖拽过程中，对上颈部传感器、下颈部传感器、腰部传感器和胸部传感器导出数据进行滤波降噪；

S6、应用滤波后的导出数据进行拖拽过程的二次损伤预警；

S7、安装头部传感器，设定头部损伤指标和避免头部损伤准则；

S8、运输过程中，对胸部传感器和头部传感器导出数据进行滤波降噪，进行运输过程的二次损伤预警。

本发明技术方案的进一步改进在于：S1中，具体包括以下步骤：

上颈部传感器测量出上颈部X、Y、Z三轴的剪切力F_x1、F_y1、F_z1和转矩Mx、My、Mz；上颈部损伤指标N_km，避免上颈部损伤准则为N_km的耐受限度为1；其损伤预测是根据拖拽过程中计算上颈部的剪切力和弯矩确定的，其计算公式如下所示：

其中，F_int和M_int分别是X轴剪切力和Y轴转矩的临界常数值，与受伤人员的颈部受到的载荷情况有关；剪切力和转矩的临界值分别为：F_int＝845N，M_int＝47.5Nm；F_x1为可以直接测量出，M_y需要进行测量并修正，这是由于上颈部传感器输出值为传感器与头部连接平面处的受载荷情况，然而由于传感器坐标中心与实际枕骨髁的位移存在偏离，需要对Y轴在伸张方向的转矩进行修正：

M_y＝M_y’-D·F_x

其中，M_y’为上颈部力传感器的输出值，D为传感器的坐标中心与枕骨髁关节间的距离，为0.0179m。

本发明技术方案的进一步改进在于：S2中，具体包括以下步骤：

下颈部传感器测量下颈部出X、Y、Z三轴的剪切力F_x2、F_y2、F_z2；下颈部损伤指标为下颈部剪切力F_x2、下颈部拉力F_z2，

F_x2max＝max(F_x2(t))

F_z2max＝max(F_z2(t))

其中，F_x2max、F_z2max分别为在一个传感器的采样周期内，在X轴、Z轴所采集到的力的最大值；

避免下颈部损伤准则为F_x2max≤370N并且F_z2max≤740N。

本发明技术方案的进一步改进在于：S3中，具体包括以下步骤：

腰部传感器测量腰椎X、Y、Z三轴的剪切力F_x3、F_y3、F_z3，腰部损伤指标为三向合力的峰值F_thorax，公式如下：

F_thorax＝max(F_∑(t))

其中，拖拽状态下假人腰椎的合力F_∑(t)为

避免腰部损伤准则为F_thorax不超过850N。

本发明技术方案的进一步改进在于：S4中，具体包括以下步骤：

胸部传感器采集的胸部X、Y、Z三轴的分加速度，A_x1(t)，A_y1(t)和A_z1(t)为在时间t时胸部X、Y、Z三轴加速度值；胸部损伤指标为胸部最大加速度值A_1thorax，公式如下：

A_1thorax＝max(A₁(t))

胸部的合加速度A₁(t)：

避免胸部损伤准为胸部最大加速度值≤0.2g，其中g为重力加速度，大小为9.8。

本发明技术方案的进一步改进在于：S5中，具体包括以下步骤：

S5.1低通滤波算法滤除尖峰噪音；

低通滤波算法公式为：

Y(n)＝αX(n)+(1-α)Y(n-1)

其中，α为滤波系数；X(n)为传感器初始采样值；Y(n-1)为上次滤波输出值；Y(n)为本次滤波输出值；

S5.2滑动平均滤波算法滤除随机噪声；

滑动平均滤波算法的公式为：

y_t＝(f_t-1+f_t-2+…+f_t-L)/L

其中，y_t为对下一期的预测值，L为滑动的平均期数，f_t-L为测试动态数据的实际值。

本发明技术方案的进一步改进在于：S6中，具体包括以下步骤：

在拖拽过程中，为了避免受伤人员二次损伤，违反避免上颈部损伤准则、避免下颈部损伤准则、避免腰部损伤准则和避免胸部损伤准任一项，停止动作，避免对受伤人员造成更大的伤害。

本发明技术方案的进一步改进在于：S7中，具体包括以下步骤：

头部传感器采集的头部X、Y、Z三轴的分加速度，A_x2(t)，A_y2(t)和A_z2(t)为在时间t时头部X、Y、Z三轴加速度值，头部损伤指标为头部最大加速度值A_2thorax，公式如下：

A_2thorax＝max(A₂(t))

头部的合加速度A₂(t)：

避免头部损伤准为头部最大加速度值≤0.2g，其中g为重力加速度，大小为9.8。

本发明技术方案的进一步改进在于：S8中，具体包括以下步骤：

在运送过程中，利用道路情况与受伤人员由于颠簸情况造成的身体振幅变化信息来预测未来胸部传感器和头部传感器的变化曲线，通过判断避免头部损伤准则和胸部损伤准则得到运输预警信息，并根据运输预警信息来降低车速并寻找平坦路线，从而避免受伤人员的二次损伤。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

1、本发明通过测量拖拽过程中的上下颈部和腰椎的受力情况以及胸部的加速度大小，得到了拖拽过程中的二次损伤预警指标。

2、本发明通过测量运输过程中的胸部以及头部的加速度大小，得到了运输过程中的二次损伤预警指标。

3、本发明分别通过低通滤波算法以及滑动平均滤波算法，剔除了尖峰噪音和频繁起伏的随机噪声，起到滤波降噪的作用。

附图说明

图1是上颈部传感器测量示意图；

图2是下颈部及腰部传感器测量示意图；

图3是拖拽过程二次预警算法流程图；

图4是运送过程二次预警算法流程图；

图5是各传感器导出数据滤波降噪流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：

一种适应于受伤人员的拖拽运输中避免二次损伤的方法，包括以下步骤：

S1、安装上颈部传感器，设定上颈部损伤指标和避免上颈部损伤准则；

如图1所示，所述上颈部传感器为六轴上颈部力传感器T521，上颈部传感器测量出上颈部X、Y、Z三轴的剪切力F_x1、F_y1、F_z1和转矩Mx、My、Mz。假人上颈部损伤指标N_km(NeckInjury Predictor)，避免上颈部损伤准则为N_km的耐受限度为1；其损伤预测是根据拖拽过程中计算上颈部的剪切力和弯矩确定的，其计算公式如下所示：

其中，F_int和M_int分别是X轴剪切力和Y轴转矩的临界常数值，与受伤人员的颈部受到的载荷情况有关；剪切力和转矩的临界值分别为：F_int＝845N，M_int＝47.5Nm；F_x1为可以直接测量出，M_y需要进行测量并修正，这是由于上颈部传感器输出值为传感器与头部连接平面处的受载荷情况，然而由于传感器坐标中心与实际枕骨髁的位移存在偏离，需要对Y轴在伸张方向的转矩进行修正：

M_y＝M_y’-D·F_x

其中，M_y’为上颈部力传感器的输出值，D为传感器的坐标中心与枕骨髁关节间的距离，为0.0179m。

S2、安装下颈部传感器，设定下颈部损伤指标和避免下颈部损伤准则；

如图2所示，所述下颈部传感器为三轴力传感器Model 5011，下颈部传感器测量下颈部出X、Y、Z三轴的剪切力F_x2、F_y2、F_z2。假人下颈部损伤指标是基于2018版C-NCAP的标准来进行评价。下颈部损伤指标为下颈部剪切力F_x2、下颈部拉力F_z2，

F_x2max＝max(F_x2(t))

F_z2max＝max(F_z2(t))

其中，F_x2max、F_z2max分别为在一个传感器的采样周期内，在X轴、Z轴所采集到的力的最大值。

避免下颈部损伤准则为F_x2max≤370N并且F_z2max≤740N。

S3、安装腰部传感器，设定腰部损伤指标和避免腰部损伤准则；

如图2所示，所述腰部传感器为三轴力传感器Model 5011，腰部传感器测量腰椎X、Y、Z三轴的剪切力F_x3、F_y3、F_z3。假人腰椎指的是腰椎与骨盆之间的作用点，基于2018版C-NCAP的标准来进行评价，腰部损伤指标为三向合力的峰值F_thorax，公式如下：

F_thorax＝max(F_∑(t))

其中，拖拽状态下假人腰椎的合力F_∑(t)为

避免腰部损伤准则为F_thorax不超过850N。

S4、安装胸部传感器，设定胸部损伤指标和避免胸部损伤准则；

所述胸部传感器为三轴加速度传感器HWT901B，采集的胸部X、Y、Z三轴的分加速度，A_x1(t)，A_y1(t)和A_z1(t)为在时间t时胸部X、Y、Z三轴加速度值。假人的胸部损伤指标是基于2018版C-NCAP的标准来进行评价。胸部损伤指标为胸部最大加速度值A_1thorax，公式如下：

A_1thorax＝max(A₁(t))

胸部的合加速度A₁(t)：

通过三轴加速度传感器HWT901B分别测出假人胸部X、Y、Z三轴的震动变化的加速度分量，直接代入合加速度的公式然后通过软件将采集到的数据放入表格当中去便可以查看最大加速度值。

按照2018版C-NCAP的标准，避免胸部损伤准为胸部最大加速度值≤0.2g，其中g为重力加速度，大小为9.8。

S5、拖拽过程中，对上颈部传感器、下颈部传感器、腰部传感器和胸部传感器导出数据进行滤波降噪；

在传感器的使用过程中，由于人为、设备、技术以及环境等不确定因素，传感器采集的原始信号中可能会存在诸多噪声：持续时间短、峰值大的尖峰噪声以及分布在整个范围内的随机噪声。针对这两种噪声，分别采用低通滤波算法以及滑动平均算法进行降噪，最后将得出的数据进行误差处理以及参数计算。

S5.1低通滤波算法滤除尖峰噪音；

低通滤波算法主要是将持续时间短、峰值大的尖峰噪声进行隔断，保留相对低峰值的波形，其公式为：

Y(n)＝αX(n)+(1-α)Y(n-1)

其中，α为滤波系数；X(n)为传感器初始采样值；Y(n-1)为上次滤波输出值；Y(n)为本次滤波输出值。通过此算法可以保证数据始终出现在一个合理的区间内，不再有尖峰噪声。

S5.2滑动平均滤波算法滤除随机噪声；

滑动平均滤波算法是将一次采样值和过去的若干次采样值一起求出平均值，将得到的有效采样值投入使用。保存到的数据始终是最新更新的数据。滑动平均滤波算法的公式为：

y_t＝(f_t-1+f_t-2+…+f_t-L)/L

其中，y_t为对下一期的预测值，L为滑动的平均期数，f_t-L为测试动态数据的实际值。滑动平均滤波法采用本次采样值与上次滤波输出值进行加权，得到有效滤波值，得到较为光滑的测量结果，过滤掉频繁起伏的随机误差。

S6、应用滤波后的导出数据进行拖拽过程的二次损伤预警；

如图3所示，在拖拽过程中，为了避免受伤人员二次损伤，对其所受力和加速度进行监测，违反避免上颈部损伤准则、避免下颈部损伤准则、避免腰部损伤准则和避免胸部损伤准任一项，停止动作，避免对受伤人员造成更大的伤害。在拖拽过程中通过预测，提前预知受伤人员的身体状态，并根据预警信息来调整拖拽角度与拖拽拉力，从而避免受伤人员的二次损伤。

S7、安装头部传感器，设定头部损伤指标和避免头部损伤准则；

所述头部传感器为三轴加速度传感器HWT901B，采集的头部X、Y、Z三轴的分加速度，A_x2(t)，A_y2(t)和A_z2(t)为在时间t时头部X、Y、Z三轴加速度值。假人的头部损伤指标是基于2018版C-NCAP的标准来进行评价。头部损伤指标为头部最大加速度值A_2thorax，公式如下：

A_2thorax＝max(A₂(t))

头部的合加速度A₂(t)：

通过三轴加速度传感器HWT901B分别测出假人头部X、Y、Z三轴的震动变化的加速度分量，直接代入合加速度的公式然后通过软件将采集到的数据放入表格当中去便可以查看最大加速度值。

按照2018版C-NCAP的标准，避免头部损伤准为头部最大加速度值≤0.2g，其中g为重力加速度，大小为9.8。

S8、运输过程中，对胸部传感器和头部传感器导出数据进行滤波降噪，进行运输过程的二次损伤预警；

在运送过程中，利用道路情况与受伤人员由于颠簸情况造成的身体振幅变化信息来预测未来胸部传感器和头部传感器的变化曲线，提前预知受伤人员的颠簸状态，通过判断避免头部损伤准则和胸部损伤准则得到运输预警信息，并根据运输预警信息来降低车速并寻找平坦路线，从而避免受伤人员的二次损伤。

综上所述，本发明由力和加速度两个指标来判断是否达到了二次损伤的预警线；运输过程当中的二次损伤主要存在于头部以及胸部当中，通过测量三个方向的分加速度建立损伤指标函数，从而能够达到二次损伤的预警。

Claims (9)

1.一种适应于受伤人员的拖拽运输中避免二次损伤的方法，其特征在于：包括以下步骤；

S1、安装上颈部传感器，设定上颈部损伤指标和避免上颈部损伤准则；

S2、安装下颈部传感器，设定下颈部损伤指标和避免下颈部损伤准则；

S3、安装腰部传感器，设定腰部损伤指标和避免腰部损伤准则；

S4、安装胸部传感器，设定胸部损伤指标和避免胸部损伤准则；

S5、拖拽过程中，对上颈部传感器、下颈部传感器、腰部传感器和胸部传感器导出数据进行滤波降噪；

S6、应用滤波后的导出数据进行拖拽过程的二次损伤预警；

S7、安装头部传感器，设定头部损伤指标和避免头部损伤准则；

S8、运输过程中，对胸部传感器和头部传感器导出数据进行滤波降噪，进行运输过程的二次损伤预警。

2.根据权利要求1所述的一种适应于受伤人员的拖拽运输中避免二次损伤的方法，其特征在于：S1中，具体包括以下步骤：

上颈部传感器测量出上颈部X、Y、Z三轴的剪切力F_x1、F_y1、F_z1和转矩Mx、My、Mz；上颈部损伤指标N_km，避免上颈部损伤准则为N_km的耐受限度为1；其损伤预测是根据拖拽过程中计算上颈部的剪切力和弯矩确定的，其计算公式如下所示：

其中，F_int和M_int分别是X轴剪切力和Y轴转矩的临界常数值，与受伤人员的颈部受到的载荷情况有关；剪切力和转矩的临界值分别为：F_int＝845N，M_int＝47.5Nm；F_x1为可以直接测量出，M_y需要进行测量并修正，这是由于上颈部传感器输出值为传感器与头部连接平面处的受载荷情况，然而由于传感器坐标中心与实际枕骨髁的位移存在偏离，需要对Y轴在伸张方向的转矩进行修正：

M_y＝M_y’-D·F_x

其中，M_y’为上颈部力传感器的输出值，D为传感器的坐标中心与枕骨髁关节间的距离，为0.0179m。

3.根据权利要求1所述的一种适应于受伤人员的拖拽运输中避免二次损伤的方法，其特征在于：S2中，具体包括以下步骤：

下颈部传感器测量下颈部出X、Y、Z三轴的剪切力F_x2、F_y2、F_z2；下颈部损伤指标为下颈部剪切力F_x2、下颈部拉力F_z2，

F_x2max＝max(F_x2(t))

F_z2max＝max(F_z2(t))

其中，F_x2max、F_z2max分别为在一个传感器的采样周期内，在X轴、Z轴所采集到的力的最大值；

避免下颈部损伤准则为F_x2max≤370N并且F_z2max≤740N。

4.根据权利要求1所述的一种适应于受伤人员的拖拽运输中避免二次损伤的方法，其特征在于：S3中，具体包括以下步骤：

腰部传感器测量腰椎X、Y、Z三轴的剪切力F_x3、F_y3、F_z3，腰部损伤指标为三向合力的峰值F_thorax，公式如下：

F_thorax＝max(F_∑(t))

其中，拖拽状态下假人腰椎的合力F_∑(t)为

避免腰部损伤准则为F_thorax不超过850N。

5.根据权利要求1所述的一种适应于受伤人员的拖拽运输中避免二次损伤的方法，其特征在于：S4中，具体包括以下步骤：

胸部传感器采集的胸部X、Y、Z三轴的分加速度，A_x1(t)，A_y1(t)和A_z1(t)为在时间t时胸部X、Y、Z三轴加速度值；胸部损伤指标为胸部最大加速度值A_1thorax，公式如下：

A_1thorax＝max(A₁(t))

胸部的合加速度A₁(t)：

避免胸部损伤准为胸部最大加速度值≤0.2g，其中g为重力加速度，大小为9.8。

6.根据权利要求1所述的一种适应于受伤人员的拖拽运输中避免二次损伤的方法，其特征在于：S5中，具体包括以下步骤：

S5.1低通滤波算法滤除尖峰噪音；

低通滤波算法公式为：

Y(n)＝αX(n)+(1-α)Y(n-1)

其中，α为滤波系数；X(n)为传感器初始采样值；Y(n-1)为上次滤波输出值；Y(n)为本次滤波输出值；

S5.2滑动平均滤波算法滤除随机噪声；

滑动平均滤波算法的公式为：

y_t＝(f_t-1+f_t-2+…+f_t-L)/L

其中，y_t为对下一期的预测值，L为滑动的平均期数，f_t-L为测试动态数据的实际值。

7.根据权利要求1所述的一种适应于受伤人员的拖拽运输中避免二次损伤的方法，其特征在于：S6中，具体包括以下步骤：

在拖拽过程中，为了避免受伤人员二次损伤，违反避免上颈部损伤准则、避免下颈部损伤准则、避免腰部损伤准则和避免胸部损伤准任一项，停止动作，避免对受伤人员造成更大的伤害。

8.根据权利要求1所述的一种适应于受伤人员的拖拽运输中避免二次损伤的方法，其特征在于：S7中，具体包括以下步骤：

头部传感器采集的头部X、Y、Z三轴的分加速度，A_x2(t)，A_y2(t)和A_z2(t)为在时间t时头部X、Y、Z三轴加速度值，头部损伤指标为头部最大加速度值A_2thorax，公式如下：

A_2thorax＝max(A₂(t))

头部的合加速度A₂(t)：

避免头部损伤准为头部最大加速度值≤0.2g，其中g为重力加速度，大小为9.8。

9.根据权利要求1所述的一种适应于受伤人员的拖拽运输中避免二次损伤的方法，其特征在于：S8中，具体包括以下步骤：

在运送过程中，利用道路情况与受伤人员由于颠簸情况造成的身体振幅变化信息来预测未来胸部传感器和头部传感器的变化曲线，通过判断避免头部损伤准则和胸部损伤准则得到运输预警信息，并根据运输预警信息来降低车速并寻找平坦路线，从而避免受伤人员的二次损伤。

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