楊俊飛，朱興元，趙國(guó)如

(1.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430070；2.中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院低成本健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳518055)

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穿戴式跌倒護(hù)髖安全氣囊系統(tǒng)自動(dòng)充氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

楊俊飛1，朱興元1，趙國(guó)如2

(1.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430070；2.中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院低成本健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳518055)

跌倒往往在不可意料的瞬間突然發(fā)生，且經(jīng)常給人造成較大傷害，因此跌倒檢測(cè)與防護(hù)變得尤其重要。利用充氣氣囊作為緩沖來減輕傷害是目前跌倒防護(hù)最有效的手段。研究的目的是為跌倒防護(hù)安全氣囊設(shè)計(jì)成本低、重量輕、體積小、速度快的充氣機(jī)構(gòu)。充氣機(jī)構(gòu)凸輪輪廓的推程被設(shè)計(jì)為正弦規(guī)律加速度曲線，通過對(duì)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的受力分析計(jì)算得出充氣機(jī)構(gòu)對(duì)刺針的推力；對(duì)分別存儲(chǔ)8 g、12 g、16 g的CO2的多個(gè)氣瓶進(jìn)行了沖刺試驗(yàn)驗(yàn)證了充氣機(jī)構(gòu)能可靠地刺穿氣瓶；用高速動(dòng)態(tài)記錄儀測(cè)得該充氣機(jī)構(gòu)給氣囊充滿氣的平均時(shí)間為386.9 ms。該充氣機(jī)構(gòu)體積小、重量輕、充氣快速可靠，不僅適合用于穿戴式跌倒髖防護(hù)安全氣囊，也為設(shè)計(jì)其他多種形式的摔跌防護(hù)裝置提供了參考。

充氣機(jī)構(gòu)凸輪跌倒保護(hù)自動(dòng)充氣

0　引言

跌倒對(duì)老年人的健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，每年超過三分之一的65歲以上老人發(fā)生過跌倒，甚至是我國(guó)該年齡段老人意外傷害死亡的首要原因[1-3]，各國(guó)學(xué)者在跌倒檢測(cè)方面做了大量研究，取得了不少研究成果，但是跌倒保護(hù)方面的研究并不是很多。在國(guó)外，日本千葉大學(xué)的研究人員[4]設(shè)計(jì)的穿戴式跌倒防護(hù)氣囊的充氣機(jī)構(gòu)采用點(diǎn)燃火藥熔穿氣瓶從而使得氣體釋放為氣囊充氣，其優(yōu)點(diǎn)是速度快，能在120 ms內(nèi)將氣囊充滿，缺點(diǎn)是不便于重復(fù)使用，且火藥具有較大的危險(xiǎn)性；在國(guó)內(nèi)，香港中文大學(xué)學(xué)者[5]設(shè)計(jì)的跌倒髖骨保護(hù)氣囊系統(tǒng)采用舵機(jī)帶動(dòng)閥門將壓縮彈簧的彈性勢(shì)能釋放來刺穿氣瓶，其能在333 ms內(nèi)將氣囊充滿，充氣較快，缺點(diǎn)是充氣機(jī)構(gòu)復(fù)雜且不便于重復(fù)使用； 鄭州大學(xué)的翁恒等人[6]設(shè)計(jì)的一種自動(dòng)保護(hù)呼救的人體智能氣囊，其充氣機(jī)構(gòu)采用了硝酸銨的爆炸分解產(chǎn)生的氣體來對(duì)氣囊進(jìn)行充氣，其優(yōu)點(diǎn)是能在110 ms以內(nèi)快速完成充氣，缺點(diǎn)是較危險(xiǎn)且噪音高達(dá)130 dB；武漢理工大學(xué)的姚冕等人[7]設(shè)計(jì)的穿戴式跌倒預(yù)警防護(hù)系統(tǒng)的充氣機(jī)構(gòu)使用舵機(jī)帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)再帶動(dòng)連桿凸輪推動(dòng)刺針刺破氣瓶的方式來實(shí)現(xiàn)氣囊的充氣，舵機(jī)通過逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)刺破氣瓶，再反向旋轉(zhuǎn)拔出刺針釋放氣體，優(yōu)點(diǎn)是便于重復(fù)使用，缺點(diǎn)是充氣速度慢，且機(jī)構(gòu)較復(fù)雜、體積較大。

上述充氣機(jī)構(gòu)充氣快的多具有較大的危險(xiǎn)性，同時(shí)成本也較高、不便于重復(fù)使用；便于重復(fù)使用的，往往充氣機(jī)構(gòu)復(fù)雜、充氣速度較慢。鑒于以上問題，本文針對(duì)跌倒防護(hù)智能穿戴氣囊設(shè)計(jì)了低成本、小體積、重量輕、便于重復(fù)使用的充氣裝置。

1　主要方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的充氣機(jī)構(gòu)主要由原動(dòng)部分、傳動(dòng)部分、執(zhí)行部分和氣源等組成，如圖1所示。

圖1　充氣機(jī)構(gòu)示意圖

1.1氣源

采用二氧化碳高壓儲(chǔ)氣瓶用作氣體發(fā)生器的氣源。由于用于跌倒防護(hù)穿戴設(shè)備，氣瓶在撞擊情況下的安全性能非常重要。本裝置選用的氣瓶瓶身為特種鋼，瓶口用鋁合金密封，氣瓶直徑18 mm，長(zhǎng)度66 mm，內(nèi)裝8 g二氧化碳?xì)怏w，刺穿力220 N～260 N。經(jīng)過500次20 m高度墜落測(cè)試，沒有出現(xiàn)爆炸或漏氣情況。

1.2原動(dòng)部分

跌倒預(yù)警器檢測(cè)到跌倒發(fā)生時(shí)，跌倒防護(hù)系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)激發(fā)充氣裝置給氣囊充氣，在人體與地面間形成緩沖層從而對(duì)人體特定部位實(shí)現(xiàn)保護(hù)。為了便于控制，我們考慮選用伺服電機(jī)。由于瓶口鋁合金的剪切強(qiáng)度較大。即使經(jīng)過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)傳動(dòng)力進(jìn)行了放大，對(duì)伺服電機(jī)的要求依然較高。考慮到低成本及可靠性，通過對(duì)多種舵機(jī)進(jìn)行多次試驗(yàn)測(cè)試，我們選用了運(yùn)行穩(wěn)定可靠、輸出力矩大奧松RB-150CS舵機(jī)。該舵機(jī)全金屬齒輪，重量?jī)H為56 g，扭矩達(dá)到1.5 N·m，規(guī)格為40.8 mm×20.1 mm×38 mm，能實(shí)現(xiàn)360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而且價(jià)格較低。其工作電壓為4.8 V～7.4 V，隨著電壓升高，其輸出扭矩和轉(zhuǎn)速都有所提高。

1.3電池

電池用于給舵機(jī)供電。由于刺穿氣瓶時(shí)負(fù)載較高，需要的瞬時(shí)功率較大。經(jīng)過反復(fù)測(cè)試對(duì)比，最后選用了續(xù)航強(qiáng)、體積小、安全可靠的18350航模鋰電池，為了讓舵機(jī)獲取最大的輸出扭矩及輸出轉(zhuǎn)速，電池電壓選用7.4 V。

1.4傳動(dòng)部分

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是充氣機(jī)構(gòu)的重要組成部分。它將舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成刺針的直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)輸出的力進(jìn)行了放大，刺針刺穿氣瓶后返回原位，使得氣瓶中的二氧化碳通過小孔迅速溢出給氣囊充滿氣。在參考多種充氣機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，我們對(duì)結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了深入分析，最后選定了凸輪機(jī)構(gòu)。推程時(shí)將凸輪輪廓的壓力角控制在20°左右，使得刺針具有大的推力同時(shí)具有較快的速度。回程壓力角設(shè)計(jì)為80°，便于刺針在刺穿氣瓶后迅速回程，方便氣體從氣瓶釋放。

1.5執(zhí)行部分

執(zhí)行部分主要是刺針，刺針在凸輪推桿的作用下刺穿氣瓶，并在彈簧的作用下迅速回復(fù)到原來的位置，使得氣體迅速釋放將氣囊充滿。對(duì)于易跌倒對(duì)象，可能會(huì)常常發(fā)生跌倒，因此刺針需要反復(fù)多次刺穿氣瓶后依然能保持鋒利，這對(duì)刺針的硬度和耐磨性都有較高要求。在刺針的選材方面，我們選擇了Cr12MoV模具鋼。Cr12MoV鋼的特點(diǎn)是具有高的耐磨性、淬透性、微變形[8]，能較好地滿足刺針的使用性能。

2　充氣裝置整體結(jié)構(gòu)及工作原理

圖3　充氣機(jī)構(gòu)實(shí)物圖

充氣機(jī)構(gòu)的原理示意圖如圖2所示，樣機(jī)實(shí)物圖如圖3所示。舵機(jī)的輸出軸與凸輪連接，當(dāng)檢測(cè)到跌倒發(fā)生后，控制系統(tǒng)給舵機(jī)發(fā)送順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的信號(hào)波，舵機(jī)帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，隨著凸輪旋轉(zhuǎn)，刺針直線運(yùn)動(dòng)刺破氣瓶，同時(shí)彈簧儲(chǔ)存能量，凸輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度，由于回程角度較大，刺針迅速回到初始位置，氣瓶通過小孔迅速放氣，舵機(jī)帶動(dòng)凸輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一圈到達(dá)初始位置，便于更換氣瓶后繼續(xù)對(duì)穿戴對(duì)象進(jìn)行跌倒防護(hù)。整個(gè)機(jī)構(gòu)重量為135 g，規(guī)格為59 mm×50 mm×50 mm，總體質(zhì)量較輕、體積較小。

3　凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1刺針運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇

刺破氣瓶時(shí)刺針的運(yùn)動(dòng)速度較高。正弦規(guī)律加速度曲線在全程中速度和加速度都沒有突變，在行程的始末加速度值為0，因此運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)沖擊、噪音小，較適用于該充氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

正弦規(guī)律加速度曲線推程方程為：(0≤φ≤Φ)

(1)

3.2壓力角和基圓半徑的確定

圖4　凸輪結(jié)構(gòu)分析示意圖

凸輪的基本參數(shù)不僅要滿足刺破氣瓶的基本動(dòng)力傳動(dòng)要求，還要考慮整個(gè)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸，選擇合適的壓力角和基圓大小，使機(jī)構(gòu)在滿足動(dòng)力傳動(dòng)要求的情況下，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕。

如圖4所示為凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析示意圖。其中e是推桿(刺針)的偏心距，s為推桿的推程，v是速度，α為壓力角，r0是凸輪基圓半徑。

(1)壓力角

凸輪機(jī)構(gòu)壓力角為從動(dòng)桿件所受到的作用力的方向和該點(diǎn)速度方向之間的夾角(如圖4所示α)。推動(dòng)推桿的有效分力F1=Fcosα。隨著壓力角的增大，有效分力逐漸減小，而摩擦阻力逐漸增大，導(dǎo)致凸輪機(jī)構(gòu)更容易磨損，當(dāng)壓力角大到一定程度還會(huì)導(dǎo)致凸輪機(jī)構(gòu)發(fā)生自鎖。因此，壓力角越小凸輪的動(dòng)力傳動(dòng)性能越好，但是壓力角越小結(jié)構(gòu)會(huì)越大，凸輪在轉(zhuǎn)速一定的情況下推桿速度也會(huì)隨之變慢，因此壓力角的大小需要有一個(gè)合適的范圍。一般設(shè)計(jì)時(shí)壓力角30°～40°，但是小電壓情況下驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的輸出扭矩?zé)o法達(dá)到很大，因此本文壓力角范圍選用15°～25°。

如圖4所示，A點(diǎn)為凸輪和從動(dòng)件的瞬時(shí)重合點(diǎn)，根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理可得vA2=vA1+vA2A1，可推出壓力角公式為：

(2)

(2)基圓半徑

根據(jù)對(duì)凸輪有效作用力的分析，壓力角越小傳動(dòng)的動(dòng)力越大，但是獲取小壓力角的前提是凸輪輪廓曲線的曲率較小，這樣基圓及其輪廓面積將會(huì)增大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變得笨重，因此設(shè)計(jì)時(shí)要合理選擇參數(shù)。由公式(2)可推出基圓公式如下：

(3)

在進(jìn)行參數(shù)確定時(shí)，基圓半徑r0與壓力角α存在矛盾，在工程設(shè)計(jì)中為了使凸輪的結(jié)構(gòu)緊湊，在滿足αmax≤[α]時(shí)，盡可能取小的基圓半徑。設(shè)計(jì)凸輪時(shí)一般可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步確定基圓大小，基圓確定后對(duì)凸輪推程壓力角進(jìn)行校核。

3.3刺針推力計(jì)算

舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩已知為Md，如圖4所示，則：

(4)

根據(jù)刺針尖端長(zhǎng)度設(shè)計(jì)了推程s為2.5mm，將偏心距設(shè)定為1mm，帶入(2)式計(jì)算得α<20°，將α=20°，s=2.5mm，e=1mm帶入(4)式可得到F1=547.4N，超過氣瓶額定刺穿力220N～260N的兩倍，因此認(rèn)為設(shè)計(jì)可靠。

4　試驗(yàn)

4.1充氣可靠性驗(yàn)證

圖5　充氣測(cè)試實(shí)物圖

充氣試驗(yàn)的測(cè)試裝置如圖5所示。試驗(yàn)氣瓶和試驗(yàn)后氣瓶瓶口情況如圖6所示，從左到右依次是8 g、12 g、16 g的氣瓶。每種規(guī)格的氣瓶分別隨機(jī)選取不同廠家生產(chǎn)的氣瓶各50個(gè)。每一次實(shí)驗(yàn)前測(cè)量電池電壓，確保電池電壓不低于7.2 V。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖6　測(cè)試氣瓶和試驗(yàn)后瓶口

表1　不同氣瓶充氣測(cè)試

測(cè)試結(jié)果顯示，針對(duì)8 g、12 g、16 g等不同規(guī)格容量的氣瓶，氣瓶被被刺破的成功率為100%，表明該機(jī)構(gòu)不僅適用于8 g氣瓶，對(duì)于刺穿12 g、16 g等其他規(guī)格容量的氣瓶也同樣可靠。

4.2充氣時(shí)間測(cè)量

圖7　充氣前和充氣后

由于人體跌倒的時(shí)間極短，充氣機(jī)構(gòu)的充氣速度即跌倒緩沖氣囊能否在跌倒前打開氣囊從而保護(hù)人體至關(guān)重要。充氣時(shí)間測(cè)量試驗(yàn)采用的主要設(shè)備如圖7所示。

通過大幅翻動(dòng)跌倒預(yù)警器(模擬人佩戴跌倒預(yù)警器時(shí)的跌倒預(yù)警器的動(dòng)作情景)觸發(fā)充氣機(jī)構(gòu)動(dòng)作，充氣機(jī)構(gòu)刺穿氣瓶后，氣體通過導(dǎo)氣管進(jìn)入到腰包式跌倒保護(hù)氣囊使折疊的氣囊展開。整個(gè)過程采用高速動(dòng)態(tài)記錄儀記錄(TroubleShooter 1000LE)。記錄充氣機(jī)構(gòu)從開始動(dòng)作到氣囊充滿的時(shí)間作為充氣機(jī)構(gòu)的充氣時(shí)間。整個(gè)試驗(yàn)重復(fù)20次取平均值。試驗(yàn)記錄如表2所示。

表2　充氣機(jī)構(gòu)的充氣時(shí)間檢測(cè)數(shù)據(jù)

平均充氣時(shí)間：ta=386.9 ms

標(biāo)準(zhǔn)差：σ=18.5

同樣，我們用該高速動(dòng)態(tài)記錄儀測(cè)量了模擬較快的跌倒過程，經(jīng)多次測(cè)量，人體從開始跌倒到倒地過程大概0.8 s?？梢娫跈z測(cè)到跌倒發(fā)生后，該充氣機(jī)構(gòu)有較為充裕的時(shí)間在人體倒地之前充滿氣。

5　結(jié)論

跌倒時(shí)人體從站立到倒地時(shí)間很短，穿戴式跌倒防護(hù)設(shè)備的重量和體積對(duì)其舒適性有較大影響。本文用正弦規(guī)律加速度方法設(shè)計(jì)了跌倒防護(hù)充氣機(jī)構(gòu)中凸輪的推程輪廓曲線，通過受力分析計(jì)算得出舵機(jī)最終傳遞給刺針的推力超過氣瓶需要刺穿力的2倍，說明該充氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力可靠，并通過對(duì)三種類型氣瓶的測(cè)試驗(yàn)證了充氣的可靠性；使用高速動(dòng)態(tài)記錄儀測(cè)量從接收信號(hào)到氣囊充滿平均耗費(fèi)的時(shí)間為386.9 ms，相較于人體從開始跌倒到倒地約800 ms的時(shí)間，有較為充裕的時(shí)間在人體跌倒倒地之前給氣囊充滿氣為人體提供保護(hù)；本文設(shè)計(jì)的充氣機(jī)構(gòu)總體重量?jī)H為135 g，規(guī)格為59 mm×50 mm×50 mm?？傮w來看本文設(shè)計(jì)的充氣機(jī)構(gòu)重量輕、體積小，充氣可靠、充氣速度較快，更換氣瓶后可重復(fù)使用，成本低廉。這些特點(diǎn)有利于跌倒防護(hù)產(chǎn)品的研制及推廣，對(duì)老年人的跌倒防護(hù)、保障老年人的身體健康具有重要意義。

[1]老年人跌倒干預(yù)技術(shù)指南．http://baike.baidu.com/link?url=jemY7EZ8kJYyviiZ44rBGTgNTVLXTVVp8zZ

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The design and realization of the auto-inflating mechanism for the wearable hip-protecting airbag

YANG Junfei, ZHU Xingyuan, ZHAO Guoru

Falls often happen unexpectedly and suddenly, and often bring heavy injures to people, therefore the fall detection and protection are very important. The airbag is the most effective way for fall protection at present. In this study, we designed a low-cost, light, small and quick-inflating mechanism for the fall protection airbag. Sine acceleration curve was applied to the rise travel of the cam of the inflating mechanism, and through force analysis we concluded that the force on the sting was 547.4N, which was more than twice the force needed to puncture the gas cylinder. We carried out puncturing tests on the gas cylinders with 8 g, 12 g and 16 g CO2respectively, and confirmed the reliability of the inflating mechanism. With a high speed dynamic recorder, we obtained the average time the inflating mechanism needed to fill the airbag(386.9 ms). The inflating mechanism is small, light, quick-inflating and reliable, suitable for the wearable hip-protecting airbag, and has provided reference for the design of other fall protection devices.

inflating mechanism，cam，fall protection，auto-inflating

TH21

A

1002-6886(2016)04-0005-05

國(guó)家自然科學(xué)基金(51105359)。

楊俊飛(1989-)，男，武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生，研究方向穿戴式防跌倒安全氣囊的充氣機(jī)構(gòu)。

2016-02-29