CN204335884U - 一种运动状态感知和气囊主动防护的马甲 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种运动状态感知和气囊主动防护的马甲，其特征在于：包括马甲本体，所述马甲本体上嵌有运动状态感知装置、气囊装置、MCU、无线数据传输模块，电源模块，所述MCU作为所述感知装置、气囊装置的控制处理中心；所述感知装置包括第一、第二片上处理芯片；所述第一片上处理芯片包括三轴加速度计和片上处理电路，第二片上处理芯片包括三轴陀螺仪和片上处理电路；所述气囊装置包括点火充气电路与主、从气囊；所述主气囊设置于马甲靠近头部处，所述从气囊设置于马甲靠近腰部处；电源模块分别与第一、第二片上处理芯片、无线数据传输模块、MCU、点火充气电路相连，提供电能。

Description

一种运动状态感知和气囊主动防护的马甲

技术领域

本实用新型涉及一种马甲，具体来说是一种运动状态感知和气囊主动防护的马甲，属于安全马甲技术领域。

背景技术

当今社会摔倒事故发生越来越频繁，摔倒事故已严重影响了人们的身体健康，甚至威胁到人们的生命安全。例如在一些地面比较湿滑的环境中工作的工作人员很容易摔倒，发生事故。同时由于现代社会老年人越来越多，老年人由于身体运动机能明显衰退，从而老年人摔倒发生率较高、后果严重，已经成为一个严重的医疗问题和社会问题。

实用新型内容

本实用新型旨提供一种智能安全马甲，能够减轻老年人摔倒事故带来的损伤。

本实用新型采取以下技术方案：

一种运动状态感知和气囊主动防护的马甲，包括马甲本体，所述马甲本体上嵌有运动状态感知装置、气囊装置、MCU、无线数据传输模块，电源模块，所述MCU作为所述感知装置、气囊装置的控制处理中心；所述感知装置包括第一、第二片上处理芯片；所述第一片上处理芯片包括三轴加速度计和片上处理电路，第二片上处理芯片包括三轴陀螺仪和片上处理电路；所述气囊装置包括点火充气电路与主、从气囊；所述主气囊设置于马甲靠近头部处，所述从气囊设置于马甲靠近腰部处；电源模块分别与第一、第 二片上处理芯片、无线数据传输模块、MCU、点火充气电路相连，提供电能；

进一步的，所述片上处理电路包含信息预处理模块和信号调理模块；所述信息预处理模块包括带宽处理电路和杂波滤波模块；所述带宽处理电路和杂波滤波模块的输入端皆与三轴加速度计或三轴陀螺仪相连，其输出端与信号调理模块相连；所述信号调理模块包括依次相连的放大器、采样保持器和A/D转换器，放大器连接信息预处理模块，A/D转换器连接MCU模块。

进一步的，所述无线数据传输模块为ZigBee模块。

更进一步的，所述的电源模块包括柔性薄膜电池组件、低电报警电路、电源管理电路，电源管理电路引出的多路电压信号分别与片上处理芯片、MCU、ZigBee模块以及气囊的点火充气电路连接。

进一步的，主气囊比从气囊小。

本实用新型的有益效果在于：在马甲服装中嵌入集成运动感知、气囊主动防护和ZigBee无线通信技术，能实时感知穿着马甲者的运动状态，通过三轴加速度计和三轴陀螺仪分别感知人体摔倒过程中上躯干加速度变化和偏离竖直方向的倾斜角度变化，使采集到的数据更准确更可靠，此外智能安全马甲还可以将信息通过无线通信传送到监控中心的服务器，以便做出后续处理。本实用新型采用的是集成电路，同时对气囊做了适当处理，使马甲更加小巧轻便，从而使马甲穿起来既轻便又不会有异物感，并采用各种抗干扰技术，使马甲更加安全可靠。当马甲穿着者将要摔倒时，能快速及时做出处理，减少伤亡事故。

附图说明

图1是智能安全马甲功能部件的连接框图；

图2是θ_x为自旋角，绕x轴转动时，地面坐标系及人体加速度、躯干转 角定义图；

图3是θ_y为侧倾角，绕y轴转动时，地面坐标系及人体加速度、躯干转角定义图；

图4是θ_z为俯仰角，绕z轴转动，地面坐标系及人体加速度、躯干转角定义图；

图5电源系统结构框图；

图6为智能安全马甲的工作拓扑图；

具体实施方式

微机电系统(MEMS)是源于微电子加工技术，融合了微机械制造、传感、致动及微控制于一体的系统。其特征尺寸极小，学科交叉广泛；技术研究包括微系统理论、设计建模、微机械加工、微器件集成等多个方面；学科分类涵盖了机械、力学、光学、流体、电磁学、生物学等各领域，在民品和军品领域有许多热点应用。

安全气囊现阶段主要应用在汽车方面，旨在减轻汽车碰撞后驾驶员因为惯性发生碰撞的伤害程度。本实用新型将安全气囊应用在马甲中开创了将安全气囊应用于服装的先例。

无线通信是一种仅利用电磁波自由空间传播而不通过线缆进行的通信方式，伴随着当今通信技术的迅猛发展，人们更可以依靠新型无线通信技术实现信息的实时交换；其中，ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准和应用于无线监测与控制的全球性无线通信标准，强调简单易用、近距离、低功耗且极廉价的市场定位，广泛应用于工业控制、医疗护理、远程控制等领域。

利用上述现有技术，并结合附图和具体实施例对本实用新型进一步说 明。

参见图1，一种运动状态感知和气囊主动防护的马甲，包括马甲本体，所述马甲本体上嵌有运动状态感知装置、气囊装置、MCU、用于无线传输的ZigBee模块，电源模块，所述MCU作为所述感知装置、气囊装置的控制处理中心；所述感知装置包括第一、第二片上处理芯片；所述第一片上处理芯片包括三轴加速度计和片上处理电路，第二片上处理芯片包括三轴陀螺仪和片上处理电路；所述气囊装置包括点火充气电路与主、从气囊；所述主气囊设置于马甲靠近头部处，所述从气囊设置于马甲靠近腰部处；电源模块分别与第一、第二片上处理芯片、无线数据传输模块、MCU、点火充气电路相连，提供电能。

参见图2-图4，设在人体运动过程中躯干部位沿x轴方向的加速度为a_x，沿y轴方向的加速度为a_y，沿z轴方向的加速度为a_z，则其合加速度可以用公式(1)来计算：

$a=\sqrt{a_x+a_y+a_z}---\left(1\right)$

可根据计算出的合加速度a与设定的摔倒阈值加速度值a_m进行比较来判断穿着马甲者是否将要摔倒。若a≥a_m说明穿着马甲者将要摔倒，若a＜a_m说明穿着马甲者不会摔倒。但若仅如此，则当行走及落座等非摔倒动作也会产生同样的加速度，有可能出现误操作。因此需要在加速度上组合使用检测身体倾斜状态的角速度传感器来检测马甲穿着者的身体姿势的变化，从而消除误操作。

摔倒过程中通常伴随身体姿态的变化，一般来说，摔倒前躯干接近于竖直方向，摔倒后接近于水平方向，只是在少数情况下会出现不同点，所以可以不考虑，可以把躯干方向的改变可以作为识别摔倒行为的一个辅助依据。躯干方向的改变可以用躯干转角来表示。如图2-图4所示，定义身 体躯干相对于地面坐标系OXYZ的转角为θ_x、θ_y、θ_z，θ_x为自旋角，绕x轴转到；θ_y为侧倾角，绕y轴转动；θ_z为俯仰角，绕z轴转动。在人体摔倒过程中，通常会出现侧倾角θ_y或俯仰角θ_z有较大的变化，当向两侧倒时侧倾角θ_y有较大的变化，当向后倒时俯仰角θ_z有较大的变化，自旋角θ_x在人体摔倒过程中并没有突出变化特点，故一般不作为摔倒过程的特征。然而，陀螺仪测量的是旋转速度，不是旋转角度，因此需要通过不断积分得到角度。假设三轴角速度传感器在某一时刻测得绕y轴的角速度为ω_y，绕z轴的角速度为ω_z，则t₁时刻到t₂时刻的倾仰角θ_y和俯仰角θ_z可以用公式(2)和公式(3)来计算：

${\mathrm{\θ}}_y={\∫}_{t_1}^{t_2}{\mathrm{\ω}}_y\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

${\mathrm{\θ}}_z={\∫}_{t_1}^{t_2}{\mathrm{\ω}}_z\mathrm{dt}---\left(3\right)$

由此在根据计算出的的加速度变化的基础上，再组合计算出的倾仰角或俯仰角的变化就能很准确可靠的判断马甲穿着者是不是将要摔倒。

所述的信息预处理模块包括带宽处理电路和杂波滤波电路，带宽处理电路和杂波滤波电路的输入端皆与运动状态感知模块相连，带宽处理电路和杂波滤波模块的输出端皆与MCU相连。三轴加速度计和三轴陀螺仪检测到的信号，经过带宽处理电路和杂波滤波电路的作用，可以滤除电路中的干扰信号，得到所需的电压信号。此外，信号调理模块包括依次相连的放大器、采样保持器和A/D转换器，放大器分别连接信息预处理模块的带宽处理电路和杂波滤波电路，A/D转换器连接MCU。由于传感器检测到的信号很微弱，必须经过放大器放大，然后经过A/D转换器将模拟信号转换为数字信号后，将转换的数字信号送到MCU进行处理。

如图5所示，为电源系统结构框图，所述的电源系统包括柔性薄膜电池组件、低电报警电路、电源管理电路，电源管理电路引出的多路电压信号分别与片上处理芯片、MCU模块、ZigBee模块以及气囊的点火充气电路连接。电源模块用于所有模块供电。因为所述的智能安全马甲本体在使用中不可避免的有弯曲、折叠等动作，采用硅基薄膜柔性电池可以很好的适应智能安全马甲本体的动作。同时当电池电压过低时报警电路还会自动报警。

如图6所示为多个智能安全马甲的工作拓扑图。可以将多个智能安全马甲通过无线通信模块ZigBee连接起来，以无线的方式将各个马甲穿着者的信息通过无线通信的方式发送出去，传输到监控中心的服务器。

所述的两个气囊分别设于马甲靠近头部和靠近腰部两个部位，其中靠近头部的气囊为主气囊，靠近腰部的气囊为从气囊，主气囊比从气囊小。当传感器检测到马甲穿着者将要摔倒时，MCU控制气囊点火充气电路先对靠近头部的主气囊进行充气，一段时间以后再对靠近腰部的从气囊进行充气。设计主/从两个气囊并分先后顺序充气，是因为如果刚开始就对比较大的从气囊进行充气可能瞬间冲力比较大，人体有时不一定能够承受，特别是老年人。除此之外两个气囊同时作用可以更好的保护马甲穿着者的安全。

Claims (5)

1.一种运动状态感知和气囊主动防护的马甲，其特征在于：

包括马甲本体，所述马甲本体上嵌有运动状态感知装置、气囊装置、MCU、无线数据传输模块，电源模块，所述MCU作为所述感知装置、气囊装置的控制处理中心；

所述感知装置包括第一、第二片上处理芯片；所述第一片上处理芯片包括三轴加速度计和片上处理电路，第二片上处理芯片包括三轴陀螺仪和片上处理电路；

所述气囊装置包括点火充气电路与主、从气囊；所述主气囊设置于马甲靠近头部处，所述从气囊设置于马甲靠近腰部处；

电源模块分别与第一、第二片上处理芯片、无线数据传输模块、MCU、点火充气电路相连，提供电能。

2.如权利要求1所述的马甲，其特征在于：

所述片上处理电路包含信息预处理模块和信号调理模块；

所述信息预处理模块包括带宽处理电路和杂波滤波模块；所述带宽处理电路和杂波滤波模块的输入端皆与三轴加速度计或三轴陀螺仪相连，其输出端与信号调理模块相连；

所述信号调理模块包括依次相连的放大器、采样保持器和A/D转换器，放大器连接信息预处理模块，A/D转换器连接MCU模块。

3.如权利要求1所述的马甲，其特征在于：所述无线数据传输模块为ZigBee模块。

4.如权利要求3所述的马甲，其特征在于：所述的电源模块包括柔性薄膜电池组件、低电报警电路、电源管理电路，电源管理电路引出的多路电压信号分别与片上处理芯片、MCU、ZigBee模块以及气囊的点火充气电路连接。

5.如权利要求1所述的马甲，其特征在于：主气囊比从气囊小。