[发明专利]基于压电信号监控的摔倒分级示警装置及其工作方法

权利要求书

1.一种基于压电信号监控的摔倒分级示警装置，其特征在于，包括：检测模块、处理模块以及报警模块，检测模块、报警模块分别与处理模块连接；

所述检测模块用于采集人体摔倒时产生的瞬时压强信号；

所述处理模块中设有人体摔倒模式的分级标准阈值；

所述处理模块还用于将压强值与分级标准阈值进行对比分析，识别摔倒类型及程度，根据压强值与分级标准阈值，传输分级信号至报警模块；

所述报警模块用于在接收到分级信号后根据分级信号进行对应的分级示警；

所述人体摔倒模式包括：晕倒和滑倒；

根据人体摔倒模式，构建物理模型，所述物理模型包括晕倒模型和滑倒模型；其中，所述物理模型包括人体高度h、人体质量m、人体站立及摔倒时的接触面积分别为S₁，S₂；

当人正常站立时，预设人体站立时占地面积S1为0.05m²；

正常站立产生压强为P₁＝F₁/S₁＝mg/0.05＝20mg；

对于晕倒模型：

可将人体晕倒视为以脚下为轴的质量分布均匀的细直杆定轴转动，即初始角速度为0刚体的定轴转动，转动惯量为J＝1/3mh²，晕倒时只有重力作功，重力势能为E_p＝1/2mgh，摔倒接触地面前，转动动能为E_k＝1/2Jω²，根据机械能守恒，Ep＝Ek，推导出摔倒触地前时的角速度

人体在与地面发生接触瞬时冲击压强为P，则触地前的力矩为M_F＝PS₂·h，由体重实现的转动力矩为M_G＝1/2mg·h，

根据角动量定理：M_合＝d(Jω)/dt，M_G-M_F＝0-Jω；

推导出冲击压强

根据晕倒模型计算晕倒时头部着地的压强手肘着地压强P₃为晕倒模型晕倒时头部着地压强的2/3，即膝盖着地压强P₄为晕倒模型晕倒时头部着地压强的1/3，即

获取瞬时压强值P_瞬，当P_瞬＞P₄且P_瞬＜P₃时，为膝盖着地，当P_瞬＞P₃且P_瞬＜P₂时，为肩膀、手肘或者臀部着地，当P_瞬＞P₂时，为头部着地；

对于滑倒模型：

物理模型视人体摔倒为以人体重心为质点的自由落体运动，令摔倒着地瞬间时间为t＝0.1s，设着地面积S₂为头部为0.02m²，重力加速度g＝10N/kg；根据重力势能公式E_p＝1/2mgh和动能公式E_k＝1/2mv²，此时重力势能完全转化为动能，得摔倒时冲击力加速度

摔倒瞬时压强

根据滑到模型计算滑倒时头部着地的压强手肘着地压强为滑到模型头部着地的压强的2/3，即膝盖着地压强为滑到模型头部着地压强的1/3，即

当P_瞬＞P₇且P_瞬＜P₆时，为膝盖着地；当P_瞬＞P₆且P_瞬＜P₅时，为肩膀、手肘或者臀部着地；当P_瞬＞P₅时，为头部着地。

2.根据权利要求1所述的基于压电信号监控的摔倒分级示警装置，其特征在于，所述检测模块包括：

压电传感器组，用于采集人体压强信号；

所述压电传感器组与所述处理模块连接。