WO2010125096A1 - Vorrichtung und verfahren zur sturzerkennung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur sturzerkennung Download PDF

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WO2010125096A1
WO2010125096A1 PCT/EP2010/055706 EP2010055706W WO2010125096A1 WO 2010125096 A1 WO2010125096 A1 WO 2010125096A1 EP 2010055706 W EP2010055706 W EP 2010055706W WO 2010125096 A1 WO2010125096 A1 WO 2010125096A1
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WO
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acceleration
fall
measure
amount
fall detection
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/055706
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Salomon
Marian LÜDER
Gerald Bieber
Original Assignee
Universität Rostock
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Filing date
Publication date
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Publication of WO2010125096A1 publication Critical patent/WO2010125096A1/de

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A61B5/1116—Determining posture transitions
    • A61B5/1117—Fall detection
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B21/00—Alarms responsive to a single specified undesired or abnormal condition and not otherwise provided for
    • G08B21/02—Alarms for ensuring the safety of persons
    • G08B21/04—Alarms for ensuring the safety of persons responsive to non-activity, e.g. of elderly persons
    • G08B21/0438—Sensor means for detecting
    • G08B21/0446—Sensor means for detecting worn on the body to detect changes of posture, e.g. a fall, inclination, acceleration, gait

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method with the features mentioned in the claims 1 and 13.
  • Devices and methods for fall detection are used to register falls of persons as early as possible in order to be able to take appropriate measures in the event of a fall. Such suitable measures may consist, for example, in sending out an emergency call, as a result of which it is possible to ensure as prompt as possible medical care for the fallen person.
  • Fall detection systems are particularly used in older people, as they often can not help themselves after a fall or call a doctor.
  • a detector for fall detection is known for example from DE 60 2004 006 803 T2.
  • a suitable sensor is adhered to the skin of a wearer, whereby the three spatial axes of the sensor are defined aligned to the body axes of the wearer.
  • the sensor has both a three-dimensional acceleration sensor and a three-dimensional sensor for measuring the earth's magnetic field.
  • a fall of the wearer is assumed when a fast rotational acceleration with respect to the earth's gravity field is measured.
  • the teaching disclosed in DE 60 2004 006 803 T2 disadvantageously requires knowledge of the direction of gravitational acceleration with respect to the sensor system / carrier person for fall detection. Another disadvantage is that the lintel may be detected at a relatively late time.
  • Device should be designed as inexpensively as possible and continue to the knowledge of the direction of gravitational acceleration in relation to the sensor can be dispensed with. As a result, it should be possible according to the invention to reliably detect the detection of a fall of a wearer, wherein the preferably portable device according to the invention does not necessarily have to be aligned with the wearer.
  • a particular advantage of the invention is that no orientation or matching with a body-related coordinate system is required for detecting a fall. Rather, according to the invention, a fall is only detected by the correlation of temporally successive, normalized acceleration vectors. It is furthermore advantageous that the lintel can be recognized at a particularly early stage with this approach.
  • a preferably portable system is used which comprises a commercially available 3D acceleration sensor.
  • the fall detection device has a three-dimensional acceleration sensor which is designed
  • Evaluation unit is provided, which is formed from the acceleration components of different points in time, a measure of the spatial orientation change (preferably a solid angle) between determine two acceleration vectors directly successive measurement times, wherein the amount of the measure of the orientation change (preferably the specific solid angle) is compared to the fall detection with a limit value.
  • the determination of the degree of orientation change takes place without reference to the earth's gravitational field or the device has no means for determining the direction of gravitational acceleration.
  • acceleration vectors are measured continuously, wherein the time interval of successive measuring times is less than 0.05 s, more preferably 0.01 s.
  • a fall is assumed if the magnitude of the degree of the solid angle of two acceleration vectors (successive measurement times) is greater than 15 degrees, more preferably greater than 30 degrees per 0.1 second. In particular, a fall is to be assumed if the mentioned degrees are realized per 0.1 second.
  • the invention is based on the observation that a fall is often initiated by a sudden external force and thus an external moment.
  • a simple canonical example is getting your foot caught on a carpet edge.
  • This introduced (rotational) moment leads to a changed orientation of the acceleration vector ⁇ ? , which is preferably by means of the normalized scalar product as follows
  • B 1 and B t _ x denote two temporally successive acceleration vectors.
  • the angle ⁇ in this case represents the degree of the orientation change or the temporal change in the orientation of two acceleration vectors of directly successive measuring times.
  • the following measured variable can be used for fall detection:
  • V fe X fMM_2 (2)
  • B t , B t _ x and B t _ 2 in equation (2) designate three temporally directly successive acceleration vectors and v indicates the spatiate product and thus the degree of orientation change or the temporal change in the orientation of two acceleration vectors of immediately successive measurement times
  • This measure is normally close to zero and increases significantly in the event of a fall, ie v is preferably greater than 0.03 in the event of a fall, and more preferably greater than 0.05 per 0.1 second.
  • the divergence of at least three acceleration vectors of directly successive measurement times can be used for the orientation change and compared with a limit value.
  • the measure of the spatial orientation change can be calculated by different mathematical operations of at least two acceleration vectors of directly successive measurement times.
  • the term "measure of the spatial orientation change" in the sense of the present invention is understood to be the temporal changes of the spatial direction of the acceleration vectors of successive measuring times to one another.
  • the acceleration vector B can be determined with commercially available acceleration sensors.
  • such acceleration sensors can be used, which are already integrated in commercially available mobile phones.
  • the functionality of the invention Fall detection in a particularly inexpensive way to integrate in anyway an acceleration sensor exhibiting mobile phone.
  • a further advantage of the invention is that no further means for determining physical reference quantities are required and the mathematical calculations for determining the angle (or the correlation of the temporally successive acceleration vectors) are relatively simple.
  • the computing power of conventional mobile phones for such calculations easily enough, so that at the same time an emergency call in case of a fall can be integrated.
  • a crash detection device according to the invention can be carried without disturbing properties of persons. It is particularly advantageous that a specific alignment of the wearer to the fall detection device is not necessary. Furthermore, it is preferred that the limit value from which a fall is assumed be adapted to the normal activities or the health status of the wearer.
  • the device according to the invention or the inventive method which does not require alignment with an external reference system, for example, to use for the preservation of the situation, wherein the tipping or slipping of containers or other containers detected in a simple manner can be.
  • the device according to the invention comprises means for triggering an emergency call and / or means for triggering an alarm.
  • the device according to the invention preferably has exactly one three-dimensional acceleration sensor.
  • the device according to the invention comprises means for compensating for a fall, for example means for filling a (gel) cushion or an inflatable neck brace.
  • a wearer In a particularly preferred embodiment of the invention are means for determining the direction of the case based on at least one body axis a wearer, wherein preferably means for selectively compensating for the fall, for example, airbags that trigger only in the direction of fall, are provided.
  • the use of the measure of the orientation change is sufficient in principle for fall detection.
  • the reliability of the fall detection can be further improved by adding further sensor information.
  • the amount (the length) of the acceleration vector B 1 is additionally evaluated.
  • a fall is inventively given when the degree of orientation change has exceeded a defined threshold (for example, greater than 15 degrees per 0.1 second), but the amount of the acceleration vector (or the acceleration vectors at the different measurement times) is not increased too much. This embodiment is based on the following observation: The occurrence of external (rotational) moments, as they occur in the canonical case of tripping on a carpet edge, usually lead to a change in orientation but not to a significant change in the amount.
  • the starting or stopping leads to an additional acceleration, which is usually perpendicular to the earth's gravity, which also leads to an increase in the total amount of the acceleration vector.
  • This amount change is considered according to a preferred embodiment of the invention to avoid false alarms.
  • the threshold value to be used may be freely selected depending on the age and / or the mobility of the wearer (which may be predetermined by a test run). Also, the actual behavior of the wearer may be used to permanently adjust the threshold and / or the amount of orientation change.
  • a fall is assumed when the degree of orientation change has exceeded a defined threshold (eg greater than 15 degrees per 0.1 second), but the magnitude of the acceleration vectors at the different measurement times is less than 50% of the acceleration due to gravity (more preferably less than 50% of the Acceleration of gravity, and more preferably less than 15% of gravitational acceleration).
  • the gravitational acceleration in the present invention is 9.81 m / s 2 .
  • the threshold value is adjusted by evaluating the actual behavior of the carrier, for example by measuring the absolute maximum acceleration and adjusting (equalizing) the threshold value to this absolute maximum acceleration, unless a fall occurred, which is preferably detected by a subsequent data input can.
  • the device for fall detection (preferably additionally) a pressure measuring unit, wherein the pressure measuring unit has at least two pressure sensors for measuring the ambient air pressure, each pressure sensor each having a sensor surface and the surface normals of the at least two sensor surfaces different (spatial ) Have directions.
  • the sensor surfaces are planar, but alternatively it is also possible that non-planar sensor surfaces are used.
  • the surface normal of the sensor surface refers to the surface normal in the geometric center of gravity of the sensor surface.
  • the surface is preferably considered, which undergoes corresponding changes in their shape, position, conductivity or other physical parameters by pressure changes, so that from the ambient air pressure can be derived.
  • this pressure measuring unit is based on the following observation: in the event of a fall, the measurable air pressure also changes due to the drop height.
  • Modern air pressure sensors can already detect an air pressure difference, which corresponds to a height difference of about 30cm. However, these air pressure fluctuations can also be caused by opening doors, a gust of wind, etc. When using the inventive Pressure measuring unit would make these air pressure fluctuations virtually simultaneously on all individual sensors noticeable.
  • a fall direction with respect to the printing unit can be derived, which results from the gradient of the determined pressure values (scalars).
  • a fall is preferably present when the rate of fall derived from the pressure measuring unit is at least 2 m / s.
  • the fall direction determined via the pressure measuring unit and the derived falling speed are adjusted with the measured values of the acceleration sensor.
  • the pressure measuring unit and the acceleration sensor are preferably arranged to be mutually defined.
  • the surface normals of the at least two sensor surfaces have a solid angle greater than 30 °, more preferably greater than 60 ° and even more preferably of exactly 90 °.
  • the pressure measuring unit has six pressure sensors whose sensor surfaces are aligned in each case corresponding to a side surface of a cube.
  • the sensor surfaces have a shield with an opening, wherein the surface normal of the opening is parallel to the surface normal of the respective sensor surface.
  • the evaluation unit is designed such that with it the amount of the measure of the orientation change per unit time is determined and compared with a limit value.
  • the invention also includes a mobile phone with an integrated device according to the invention for fall detection, wherein on the mobile phone is designed such that it automatically triggered an alarm in case of a fall and / or an emergency number is dialed.
  • the mobile telephone further comprises means for determining the position, selects an emergency number in the event of a fall and transmits to the subscriber of the emergency number the current position data.
  • the mobile phone may further be configured such that the three-dimensional acceleration sensor is used in addition to the fall detection for other applications.
  • the method for fall detection comprises the following method steps: Measurement of acceleration vectors with three acceleration components respectively different spatial directions at different times, wherein from the acceleration components of different time points, a solid angle between two acceleration vectors of successive times is determined, wherein the determined solid angle to fall detection with a Limit value is compared.
  • the determination of the solid angle preferably takes place without reference to the earth's gravity field.
  • Fig. 1 shows a device for fall detection according to a preferred
  • Figs. 2 and 3 show the time course of the solid angle of temporally successive acceleration vectors
  • Fig. 4 is a pressure measuring unit according to a preferred
  • Embodiment of the device according to the invention for fall detection Embodiment of the device according to the invention for fall detection.
  • Fig. 1 shows a device for fall detection according to a preferred embodiment of the invention with a three-dimensional
  • Acceleration sensor (shown as a box).
  • the acceleration sensor continuously supplies acceleration values bx, by, bz in with a predefinable frequency, inter alia at the successive times t-1 and t
  • a fixed fixation of the sensor in relation to the carrier system is not required.
  • a fall according to the invention is detected only by correlation of temporally successive, normalized acceleration vectors, ie by correlation of the acceleration values bx, by, bz at the times t-1 and t, wherein the acceleration values bx, by, bz at time t-1 in the direction of
  • Components x t- i, y t- i, z t- i and the acceleration values bx, by, bz are determined at the time t in the direction of the components x t , y t , z t .
  • the solid angle ⁇ is preferably obtained as
  • Fig. 2 and 3 show the change in orientation ⁇ in a fall of a wearer of the device according to the invention in previous walking in
  • Abcissa represents the timeline.
  • the fall takes place in Fig. 1 at t ⁇ 275 and can be detected much earlier by the inventive evaluation of the orientation change ⁇ (cos ⁇ ⁇ 0.6) than by evaluation of the absolute acceleration, which only at t ⁇ 290 shows a significant rash.
  • a unit on the time axis (abscissa) in both embodiments is 1/30 s each.
  • the earlier recognition of the fall can be prevented more effective - is conceivable a weight shift of a corresponding security system - or the consequences of the fall can be mitigated more effectively, for example by triggering integrated in the garment protection mechanisms (airbag, etc.).
  • Fig. 4 shows a pressure measuring unit 1 of the device according to the invention for fall detection.
  • the pressure measuring unit 1 has six pressure sensors whose sensor surfaces 2 each have surface normals 3 with different spatial directions.
  • the change in the pressure values measured by the individual sensors 2 depends on the falling speed and the angle between fall direction and surface normal 3 of the sensor 2.
  • different measured values result, from which both the relative fall direction and the falling speed can be derived.
  • the vectorial fall direction results from the pairwise differences of the measured values.
  • the values thus determined can be used in addition to the fall detection, in particular in order to suppress interference signals.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur Sturzerkennung. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Sturzerkennung anzugeben, das eine sichere Sturzerkennung zu einem möglichst frühen Zeitpunkt gewährleistet, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung möglichst kostengünstig ausgebildet sein soll und wobei weiterhin auf die Kenntnis der Richtung der Erdbeschleunigung verzichtet werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Sturzerkennung weist einen dreidimensionalen Beschleunigungssensor auf, der ausgebildet ist, Beschleunigungsvektoren Formel (A) mit drei Beschleunigungskomponenten Formel (B) jeweils unterschiedlicher Raumrichtungen (x, y, z) zu unterschiedlichen Zeitpunkten (t−1, t) zu messen, wobei eine Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, aus den Beschleunigungskomponenten Formel (B) unterschiedlicher Zeitpunkte (t−1, t) einen Raumwinkel (φ) zwischen zwei Beschleunigungsvektoren Formel (A) aufeinanderfolgender Zeitpunkte (t−1, t) zu bestimmen, wobei der Betrag des bestimmten Raumwinkels (φ) zur Sturzerkennung mit einem Grenzwert verglichen wird.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR STURZERKENNUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den in den Patentansprüchen 1 und 13 genannten Merkmalen.
Vorrichtungen und Verfahren zur Sturzerkennung werden verwendet, um Stürze von Personen möglichst frühzeitig zu registrieren, um im Falle eines Sturzes rechtzeitig geeignete Maßnahmen treffen zu können. Solche geeigneten Maßnahmen können beispielsweise im Aussenden eines Notrufs bestehen, wodurch für die gestürzte Person eine möglichst zeitnahe ärztliche Versorgung gewährleistet werden kann. Sturzerkennungssysteme finden insbesondere bei älteren Menschen Anwendung, da diese sich nach einem Sturz häufig nicht aus eigener Kraft aufhelfen bzw. einen Arzt rufen können.
Ein Detektor zur Sturzerkennung ist beispielsweise aus DE 60 2004 006 803 T2 bekannt. Dort wird ein geeigneter Sensor auf die Haut einer Trägerperson aufgeklebt, wodurch die drei Raumachsen des Sensors definiert zu den Körperachsen des Trägers ausgerichtet werden. Der Sensor weist sowohl einen dreidimensionalen Beschleunigungssensor als auch einen dreidimensionalen Sensor zur Messung des Erdmagnetfeldes auf. Ein Sturz der Trägerperson wird dann angenommen, wenn eine schnelle Rotationsbeschleunigung in Bezug auf das Erdschwerefeld gemessen wird. Die in DE 60 2004 006 803 T2 offenbarte Lehre setzt zur Sturzerkennung nachteilhafterweise die Kenntnis der Richtung der Erdbeschleunigung bezüglich des Sensorsystems/der Trägerperson voraus. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Sturz gegebenenfalls zu einem relativ späten Zeitpunkt erkannt wird.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein
Verfahren zur Sturzerkennung anzugeben, das eine sichere Sturzerkennung zu einem möglichst frühen Zeitpunkt gewährleistet, wobei die erfindungsgemäße
Vorrichtung möglichst kostengünstig ausgebildet sein soll und wobei weiterhin auf die Kenntnis der Richtung der Erdbeschleunigung im Bezug zum Sensor verzichtet werden kann. Dadurch soll es erfindungsgemäß möglich sein, die Erkennung eines Sturzes einer Trägerperson sicher festzustellen, wobei die vorzugsweise tragbare erfindungsgemäße Vorrichtung nicht notwendigerweise definiert zur Trägerperson ausgerichtet werden muss.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 (Vorrichtungsanspruch) sowie des Anspruchs 13 (Verfahrensanspruch) im Zusammenwirken mit den Merkmalen im Oberbegriff gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass für das Erkennen eines Sturzes keinerlei Orientierung bzw. Abgleich mit einem körperbezogenen Koordinatensystem erforderlich ist. Vielmehr wird ein Sturz erfindungsgemäß lediglich durch die Korrelation zeitlich aufeinanderfolgender, normierter Beschleunigungsvektoren erkannt. Weiterhin vorteilhaft ist, dass sich mit diesem Ansatz der Sturz in einem besonders frühen Stadium erkennen lässt. Vorzugsweise wird ein vorzugsweise tragbares System verwendet, das einen handelsüblichen 3D-Beschleunigungssensor aufweist. Der Beschleunigungs- sensor liefert einen Vektor B = (bx, by, bz)τ, wobei die einzelnen, linear unabhängigen Komponenten des Beschleunigungsvektors sowohl von der Bewegung als auch der Lage des Systems relativ zur Trägerperson abhängen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Sturzerkennung weist einen dreidimensionalen Beschleunigungssensor auf, der ausgebildet ist,
Beschleunigungsvektoren mit drei zueinander linear unabhängigen
Beschleunigungskomponenten jeweils unterschiedlicher Raumrichtungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten zu messen, wobei erfindungsgemäß eine
Auswerteeinheit vorgesehen ist, die ausgebildet ist, aus den Beschleunigungskomponenten unterschiedlicher Zeitpunkte ein Maß der räumlichen Orientierungsänderung (vorzugsweise einen Raumwinkel) zwischen zwei Beschleunigungsvektoren direkt aufeinanderfolgender Messzeitpunkte zu bestimmen, wobei der Betrag des Maßes der Orientierungsänderung (vorzugsweise des bestimmten Raumwinkels) zur Sturzerkennung mit einem Grenzwert verglichen wird.
Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung des Maßes der Orientierungsänderung (des Raumwinkels) ohne Bezug zum Erdschwerefeld bzw. weist die Vorrichtung keine Mittel zur Bestimmung der Richtung der Erdbeschleunigung auf. Vorzugsweise werden fortlaufend Beschleunigungsvektoren gemessen, wobei der zeitliche Abstand aufeinanderfolgender Messzeitpunkte geringer als 0.05s, noch bevorzugter 0.01 s ist. Vorzugsweise wird ein Sturz angenommen, wenn der Betrag des Gradmaßes des Raumwinkels zweier Beschleunigungsvektoren (aufeinanderfolgender Messzeitpunkte) größer als 15 Grad, noch bevorzugter größer als 30 Grad pro 0.1 Sekunde ist. Insbesondere ist ein Sturz anzunehmen, wenn die genannten Gradzahlen pro 0.1 Sekunde realisiert werden.
Der Erfindung liegt die Beobachtung zugrunde, dass ein Sturz häufig durch eine plötzliche äußere Kraft und somit ein äußeres Moment eingeleitet wird. Ein einfaches kanonisches Beispiel ist das Hängenbleiben mit dem Fuß an einer Teppichkante. Dieses eingeleitete (Dreh-)Moment führt zu einer veränderten Orientierung des Beschleunigungsvektorsϊ? , was vorzugsweise mittels des normierten Skalarprodukts wie folgt
Figure imgf000005_0001
bestimmt werden kann. In Gleichung (1 ) bezeichnen B1 und Bt_x zwei zeitlich aufeinanderfolgende Beschleunigungsvektoren. Der Winkel φ repräsentiert dabei das Maß der Orientierungsänderung bzw. die zeitliche Änderung der Orientierung zweier Beschleunigungsvektoren unmittelbar aufeinanderfolgender Messzeitpunkte. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung kann zur Sturzerkennung folgende Messgröße:
V = feXfMM_2 (2)
verwendet werden, wobei Bt , Bt_x und Bt_2 in Gleichung (2) drei zeitlich direkt aufeinanderfolgende Beschleunigungsvektoren bezeichnen und v das Spatprodukt angibt und somit das Maß der Orientierungsänderung bzw. die zeitliche Änderung der Orientierung zweier Beschleunigungsvektoren unmittelbar aufeinanderfolgender Messzeitpunkte repräsentiert, wobei dieses Maß normalerweise nahe Null liegt und im Falle eines Sturzes signifikant ansteigt, d.h. v ist im Falle eines Sturzes vorzugsweise größer als 0.03, und noch bevorzugter größer als 0.05 pro 0.1 Sekunde.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung kann die Divergenz mindestens dreier Beschleunigungsvektoren unmittelbar aufeinanderfolgender Messzeitpunkte Maß für die Orientierungsänderung verwendet und mit einem Grenzwert verglichen werden.
Wie sich aus den oben genannten Ausführungen ergibt, kann das Maß der räumlichen Orientierungsänderung durch unterschiedliche mathematische Operationen von mindestens zwei Beschleunigungsvektoren direkt aufeinanderfolgender Messzeitpunkte errechnet werden. Unter dem Begriff „Maß der räumlichen Orientierungsänderung" im Sinne der vorliegenden Erfindung wird die zeitliche Änderungen der Raumrichtung der Beschleunigungsvektoren aufeinanderfolgender Messzeitpunkte zueinander verstanden.
Vorteilhafterweise lässt sich der Beschleunigungsvektor B mit handelsüblichen Beschleunigungssensoren bestimmen. So können beispielsweise zur Bestimmung des Beschleunigungsvektors B solche Beschleunigungssensoren verwendet werden, die in heute bereits handelsüblichen Mobiltelefonen integriert sind. Damit ist es erfindungsgemäß möglich, die Funktionalität der erfindungsgemäßen Sturzerkennung in besonders preiswerter Weise in ein ohnehin einen Beschleunigungssensor aufweisendes Mobiltelefon zu integrieren.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass keine weiteren Mittel zur Bestimmung physikalischer Referenzgrößen benötigt werden und die mathematischen Berechnungen zur Bestimmung des Winkels (bzw. der Korrelation der zeitlich aufeinanderfolgenden Beschleunigungsvektoren) relativ einfach sind. So reicht die Rechenleistung herkömmlicher Mobiltelefone für solche Berechnungen problemlos aus, so dass gleichzeitig ein Notruf im Falle eines Sturzes integriert werden kann. Aufgrund des geringen Aufwandes an Gerätekomponenten kann eine erfindungsgemäße Sturzerkennungsvorrichtung ohne störende Eigenschaften von Personen mitgeführt werden. Insbesondere vorteilhaft ist es, dass ein bestimmtes Ausrichten von Trägerperson zur Sturzerkennungsvorrichtung nicht notwendig sind. Weiterhin ist es bevorzugt, dass derjenige Grenzwert, ab welchem ein Sturz angenommen wird, an die normalen Aktivitäten bzw. den Gesundheitszustand der Trägerperson angepasst wird. Neben den bereits genannten Anwendungsmöglichkeiten ist es weiterhin möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren, welches ohne Ausrichtung zu einem externen Bezugssystem auskommt, beispielweise für die Lageerhaltung zu verwenden, wobei das Umkippen oder das Verrutschen von Containern oder anderen Behältnissen in einfacher Weise detektiert werden kann.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung Mittel zum Auslösen eines Notrufs und/oder Mittel zum Auslösen eines Alarms auf. Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung genau einen dreidimensionalen Beschleunigungssensor auf. Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung Mittel zum Kompensation eines Sturzes auf, beispielsweise Mittel zur Befüllung eines (Gel-)Kissens oder eine aufblasbare Halskrause.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung sind Mittel zur Bestimmung der Richtung des Falles bezogen auf mindestens eine Körperachse einer Trägerperson, wobei vorzugsweise Mittel zur selektiven Kompensation des Sturzes, beispielsweise Airbags, die lediglich in Fallrichtung auslösen, vorgesehen sind.
Die Verwendung des Maßes der Orientierungsänderung (vorzugsweise Änderung des Raumwinkels) reicht prinzipiell zur Sturzerkennung aus. Vorzugsweise kann die Zuverlässigkeit der Sturzerkennung durch Hinzunahme weiterer Sensorinformationen noch weiter verbessert werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wird daher zusätzlich der Betrag (die Länge) des Beschleunigungsvektors B1 ausgewertet. Ein Sturz ist erfindungsgemäß dann gegeben, wenn das Maß der Orientierungsänderung einen definierten Schwellwert (beispielsweise größer als 15 Grad pro 0.1 Sekunde) überschritten hat, sich jedoch der Betrag des Beschleunigungsvektors (bzw. der Beschleunigungsvektoren zu den unterschiedlichen Messzeitpunkten) nicht zu stark vergrößert. Dieser Ausführungsvariante liegt folgende Beobachtung zugrunde: Das Auftreten externer (Dreh-)Momente, wie sie beim kanonischen Fall des Stolperns an einer Teppichkante auftreten, führen in der Regel zu einer Orientierungsänderung aber nicht zu einer deutlichen Änderung des Betrages. Andererseits führt das Loslaufen oder Anhalten zu einer zusätzlichen Beschleunigung, die i.d.R. senkrecht zur Erdgravitation steht, was auch zu einer Vergrößerung des Gesamtbetrages des Beschleunigungsvektors führt. Diese Betragsänderung wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung zur Vermeidung von Fehlalarmen berücksichtigt. Der zu verwendende Schwellwert kann in Abhängigkeit des Alters und/oder der Mobilität des Trägers (welche durch einen Testlauf vorab bestimmt werden kann) frei gewählt werden. Auch kann das tatsächliche Verhalten des Trägers zur permanenten Justierung des Schwellwerts und/oder des Maßes der Orientierungsänderung verwendet werden. In einer besonders bevorzugten Variante wird ein Sturz angenommen, wenn das Maß der Orientierungsänderung einen definierten Schwellwert (beispielsweise größer als 15 Grad pro 0.1 Sekunde) überschritten hat, jedoch der Betrag der Beschleunigungsvektoren zu den unterschiedlichen Messzeitpunkten kleiner als 50% der Erdbeschleunigung (bevorzugter kleiner als 50% der Erdbeschleunigung und noch bevorzugter kleiner als 15% der Erdbeschleunigung) ist. Die Erdbeschleunigung beträgt i.S.d. vorliegenden Erfindung 9,81 m/s2. Es ist besonders bevorzugt, dass der Schwellwert durch Auswertung des tatsächlichen Verhaltens des Trägers angepasst wird, beispielsweise durch Messung der absoluten Maximalbeschleunigung und Anpassung (Gleichsetzen) des Schwellwerts auf diese absoluten Maximalbeschleunigung, sofern nicht ein Sturz erfolgte, was vorzugsweise durch eine nachträgliche Dateneingabe festgestellt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung weist die Vorrichtung zur Sturzerkennung (bevorzugt zusätzlich) eine Druckmesseinheit auf, wobei die Druckmesseinheit mindestens zwei Drucksensoren zur Messung des Umgebungsluftdrucks aufweist, wobei jeder Drucksensor jeweils eine Sensorfläche aufweist und die Flächennormalen der mindestens zwei Sensorflächen unterschiedliche (Raum-)Richtungen aufweisen. Vorzugsweise sind die Sensorflächen planar ausgebildet, alternativ ist es jedoch auch möglich, dass nicht planare Sensorflächen verwendet werden. Dann bezieht sich die Flächennormale der Sensorfläche auf die Flächennormale im geometrischen Schwerpunkt der Sensorfläche. Als Sensorfläche wird vorzugsweise diejenige Fläche angesehen, welche durch Druckänderungen entsprechende Änderungen in ihrer Form, Position, Leitfähigkeit oder sonstigen physikalischen Parametern erfährt, so dass daraus der Umgebungsluftdruck abgeleitet werden kann. Mit der genannten Druckmesseinheit können weitere Störsignale, beispielsweise das Öffnen einer Tür, eliminiert werden, welche zu unerwünschten Beschleunigungen des Beschleunigungssensors führen können.
Die Verwendung dieser Druckmesseinheit liegt folgende Beobachtung zugrunde: im Falle eines Sturzes ändert sich aufgrund der Fallhöhe auch der messbare Luftdruck. Moderne Luftdrucksensoren können bereits einen Luftdruckunterschied detektieren, der einem Höhenunterschied von etwa 30cm entspricht. Allerdings können diese Luftdruckschwankungen auch durch das Öffnen von Türen, einem Windstoss etc. verursacht werden. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Druckmesseinheit würden sich diese Luftdruckschwankungen quasi zeitgleich an allen Einzelsensoren bemerkbar machen. Diese zeitliche Quasiparallelität wäre aber nicht mehr im Falle eines Sturzes beobachtbar, da diejenigen Sensorflächen, die in Fallrichtung zeigen, einen höheren Luftdruck messen (Staudruck), als diejenigen, die entgegengesetzt der Fallrichtung liegen (Windschatten); Sensoren, die quer zur Fallrichtung angeordnet sind, zeigen aufgrund der Sogeffekte ebenfalls einen verringerten Luftdruck an. Aufgrund dieser Beobachtung kann bei Verwendung der Druckmesseinheit eine Fallrichtung bezüglich der Druckeinheit abgeleitet werden, die sich aus dem Gradienten der ermittelten Druckwerte (Skalare) ergibt. Ein Sturz liegt vorzugsweise dann vor, wenn die aus der Druckmesseinheit abgeleitete Fallgeschwindigkeit mindestens 2 m/s entspricht. Vorzugsweise wird die über die Druckmesseinheit ermittelte Fallrichtung und die abgeleitete Fallgeschwindigkeit mit den Messwerten des Beschleunigungssensors abgeglichen. Dazu sind Druckmesseinheit und Beschleunigungssensor vorzugsweise definiert zueinander angeordnet.
Vorzugsweise weisen die Flächennormalen der mindestens zwei Sensorflächen einen Raumwinkel größer als 30°, bevorzugter größer als 60° und noch bevorzugter von genau 90° auf. Vorzugsweise weist die Druckmesseinheit sechs Drucksensoren auf, deren Sensorflächen jeweils entsprechend einer Seitenfläche eines Würfels ausgerichtet sind. Vorzugsweise weisen die Sensorflächen eine Abschirmung mit einer Öffnung auf, wobei die Flächennormale der Öffnung parallel zur Flächennormale der jeweiligen Sensorfläche ist.
Vorteilhafterweise ist die Auswerteeinheit derart ausgebildet, dass mit ihr der Betrag des Maßes der Orientierungsänderung je Zeiteinheit ermittelt wird und mit einem Grenzwert verglichen wird.
Die Erfindung umfasst außerdem ein Mobiltelefon mit einer erfindungsgemäßen integrierten Vorrichtung zur Sturzerkennung, wobei über das Mobiltelefon derart ausgestaltet ist, dass es im Falle eines Sturzes automatisch einen Alarm ausgelöst und/oder eine Notrufnummer gewählt wird. Vorzugsweise umfasst das Mobiltelefon weiterhin Mittel zur Positionsbestimmung auf, wählt im Falle eines Sturzes eine Notrufnummer und übermittelt an den Gesprächsteilnehmer der Notrufnummer die aktuellen Positionsdaten. Das Mobiltelefon kann des Weiteren derart ausgestaltet sein, dass der dreidimensionale Beschleunigungssensor neben der Sturzerkennung auch für weitere Anwendungen genutzt wird.
Das Verfahren zur Sturzerkennung gemäß der vorliegenden Erfindung weist folgende Verfahrensschritte auf: Messung von Beschleunigungsvektoren mit drei Beschleunigungskomponenten jeweils unterschiedlicher Raumrichtungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten, wobei aus den Beschleunigungskomponenten unterschiedlicher Zeitpunkte ein Raumwinkel zwischen zwei Beschleunigungsvektoren aufeinanderfolgender Zeitpunkte bestimmt wird, wobei der bestimmte Raumwinkel zur Sturzerkennung mit einem Grenzwert verglichen wird. Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung des Raumwinkels ohne Bezug zum Erdschwerefeld.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Sturzerkennung gemäß einer bevorzugten
Ausführungsvariante der Erfindung mit einem dreidimensionalen Beschleunigungssensor,
Fig. 2 und 3 den zeitlichen Verlauf des Raumwinkels zeitlich aufeinanderfolgender Beschleunigungsvektoren
(Orientierungsänderung) bei einem Sturz einer Trägerperson bei vorherigem Gehen sowie den absoluten mittels des Beschleunigungssensors gemessenen Betrag der Beschleunigung, und Fig. 4 eine Druckmesseinheit gemäß einer bevorzugten
Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Sturzerkennung.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Sturzerkennung gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung mit einem dreidimensionalen
Beschleunigungssensor (als Quader dargestellt). Der Beschleunigungssensor liefert fortlaufend mit einer vorgebbaren Frequenz, unter anderem zu den aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t-1 und t, Beschleunigungswerte bx, by, bz in
Richtung einzelner, linear unabhängiger Komponenten x, y, z, die sowohl von der Bewegung als auch der Lage des Systems relativ zur Trägerperson abhängen.
Eine feste Fixierung des Sensors in Relation zum Trägersystem ist nicht erforderlich. Dabei wird ein Sturz erfindungsgemäß lediglich durch Korrelation zeitlich aufeinanderfolgender, normierter Beschleunigungsvektoren erkannt, also durch Korrelation der Beschleunigungswerte bx, by, bz zu den Zeitpunkten t-1 und t, wobei die Beschleunigungswerte bx, by, bz im Zeitpunkt t-1 in Richtung der
Komponenten xt-i, yt-i, zt-i und die Beschleunigungswerte bx, by, bz im Zeitpunkt t in Richtung der Komponenten xt, yt, zt ermittelt werden. Vorzugsweise wird aus den resultierenden Beschleunigungsvektoren Bt_x bzw. B1 der Raumwinkel φ als
Maß der Orientierungsänderung bestimmt, und der Betrag des bestimmten Raumwinkels φ (der Orientierungsänderung) zur Sturzerkennung mit einem Grenzwert verglichen. Ist der Grenzwert - beispielsweise 15 Grad pro 0.1 Sekunde - überschritten, wird ein Sturz angenommen.
Fig. 2 und 3 zeigen die Orientierungsänderung φ bei einem Sturz einer Trägerperson der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei vorherigem Gehen im
Vergleich zur absolut gemessenen Beschleunigung des Sensors, wobei die
Abzisse die Zeitachse darstellt. Der Sturz findet in Fig. 1 bei t~275 statt und kann durch die erfindungsgemäße Auswertung der Orientierungsänderung φ deutlich früher erkannt werden (cos φ~ 0.6) als durch Auswertung der absoluten Beschleunigung, die erst bei t~290 einen deutlichen Ausschlag zeigt. Eine Einheit auf der Zeitachse (Abzisse) beträgt in beiden Ausführungsbeispielen je 1/30 s. Durch das frühere Erkennen kann der Sturz effektiver verhindert - denkbar ist eine Gewichtsverlagerung eines entsprechenden Sicherheitssystems - bzw. können die Folgen des Sturzes effektiver abgemildert werden, beispielsweise durch Auslösen von in der Bekleidung integrierten Schutzmechanismen (Airbag etc.). Im Beispiel der Fig. 2 findet der Sturz bei t=695 statt (cos φ= 0.1 ).
Fig. 4 zeigt eine Druckmesseinheit 1 einer der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Sturzerkennung. Die Druckmesseinheit 1 weist sechs Drucksensoren auf, deren Sensorflächen 2 jeweils Flächennormalen 3 mit unterschiedlichen Raumrichtungen aufweisen. Die von den einzelnen Sensoren 2 gemessene Änderung der Druckwerte hängen von der Fallgeschwindigkeit und dem Winkel zwischen Fallrichtung und Flächennormale 3 des Sensors 2 ab. Je nach Ausführung der Messeinheit 1 ergeben sich verschiedene Messwerte, aus denen sowohl die relative Fallrichtung als auch die Fallgeschwindigkeit abgeleitet werden kann. Es ist bekannt, dass sich die vektorielle Fallrichtung aus den paarweisen Differenzen der Messwerte ergeben. Die so ermittelten Werte können zusätzlich zur Sturzerkennung verwendet werden, insbesondere, um Störsignale zu unterdrücken.

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zur Sturzerkennung, aufweisend: einen dreidimensionalen Beschleunigungssensor, der ausgebildet ist,
Beschleunigungsvektoren {Bt_γ , Bt ) mit drei Beschleunigungskomponenten {bx , by , bz ) jeweils unterschiedlicher Raumrichtungen (x, y, z) zu unterschiedlichen Zeitpunkten (t-1 , t) zu messen, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, aus den
Beschleunigungskomponenten (bx , by , bz ) unterschiedlicher Zeitpunkte (t-1 , t) ein Maß (φ) der Orientierungsänderung zweier Beschleunigungsvektoren
(Bt_x , Bt ) aufeinanderfolgender Zeitpunkte (t-1 , t) zu bestimmen, wobei der
Betrag des Maßes (φ) der Orientierungsänderung zur Sturzerkennung mit einem Grenzwert verglichen wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Maß der Orientierungsänderung ein Raumwinkel (φ) zwischen zwei
Beschleunigungsvektoren (Bt_x , Bt ) aufeinanderfolgender Zeitpunkte (t-1 , t) bestimmt wird, und der Betrag des bestimmten Raumwinkels (φ) zur Sturzerkennung mit einem Grenzwert verglichen wird.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass die Bestimmung des Raumwinkels (φ) ohne Bezug zum Erdschwerefeld erfolgt.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung keine Mittel zur Bestimmung der Richtung der Erdbeschleunigung aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sukzessive Beschleunigungsvektoren (Bt_x , Bt ) gemessen werden, wobei der zeitliche Abstand aufeinanderfolgender Messzeitpunkte (t-1 , t) geringer als 0.5 s ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sturz angenommen wird, wenn der Betrag des Gradmaßes des
Raumwinkels (φ) zweier Beschleunigungsvektoren (Bt_x , Bt ) aufeinanderfolgender Messzeitpunkte (t-1 , t) größer als 10 Grad ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit zusätzlich ausgebildet ist, den Betrag mindestens eines Beschleunigungsvektors (Bt_ι t Bt ) zu bestimmen, wobei der Betrag des
Beschleunigungsvektors {Bt_γ , Bt ) zur Sturzerkennung mit einem Grenzwert verglichen wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sturz angenommen wird, wenn der Betrag des mindestens einen
Beschleunigungsvektors (Bt_x , Bt ) kleiner als 20% der Erdbeschleunigung ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
Mittel zum Auslösen eines Notrufs und/oder Mittel zum Auslösen eines Alarms vorgesehen sind, und anhand der ermittelten
Beschleunigungsvektoren (Bt_x , Bt ) und/oder einer ermittelten Fallhöhe einer Trägerperson eine Klassifizierung über Risiko einer potentiellen
Schwere einer Verletzung erfolgt, und die potentielle Schwere der Verletzung über den Notrufs übermittelt wird.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit derart ausgebildet ist, dass mit ihr der Betrag des Maßes der Orientierungsänderung je Zeiteinheit ermittelt wird und mit einem Grenzwert verglichen wird.
11. Mobiltelefon mit einer integrierten Vorrichtung zur Sturzerkennung nach einem der Ansprüche 1 -10, wobei über das Mobiltelefon im Falle eines Sturzes automatisch einen Alarm ausgelöst und/oder eine Notrufnummer gewählt wird.
12. Mobiltelefon nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Mobiltelefon weiterhin Mittel zur Positionsbestimmung aufweist und im Falle eines Sturzes eine Notrufnummer gewählt wird und an den Gesprächsteilnehmer der Notrufnummer die aktuellen Positionsdaten übermittelt werden.
13. Verfahren zur Sturzerkennung, mit folgenden Verfahrensschritten:
Messung von Beschleunigungsvektoren {Bt_γ , Bt ) mit drei
Beschleunigungskomponenten (bx , by , bz ) jeweils unterschiedlicher Raumrichtungen (x, y, z) zu unterschiedlichen Zeitpunkten (t-1 , t), dadurch gekennzeichnet, dass aus den Beschleunigungskomponenten (bx , by ,bz ) unterschiedlicher Zeitpunkte (t-1 , t) ein Maß (φ) der Orientierungsänderung zwischen zwei Beschleunigungsvektoren (Bt_x , Bt ) aufeinanderfolgender Zeitpunkte (t-1 , t) bestimmt wird, wobei der Betrag des Maßes (φ) der Orientierungsänderung zur Sturzerkennung mit einem Grenzwert verglichen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Maß der Orientierungsänderung ein Raumwinkel (φ) zwischen zwei
Beschleunigungsvektoren {Bt_γ , Bt ) aufeinanderfolgender Zeitpunkte (t-1 , t) bestimmt wird, und der Betrag des bestimmten Raumwinkels (φ) zur Sturzerkennung mit einem Grenzwert verglichen wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Bestimmung des Raumwinkels (φ) ohne Bezug zum Erdschwerefeld erfolgt.
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