基于穿戴式传感技术的老年人主动式防摔鞋的设计

陈强 闫瑾 蒋钥莹

摘 要：针对目前老年人防摔功能产品存在功效差、设计感不足、服用性不强等弊端，在充分了解老年人跌倒的原因、预防措施、防摔用具的对象需求与设计要求的基础上，设计一款帮助老年人步行时防止摔倒的穿戴设备——主动式防摔鞋。本设计基于MEMS （ Micro-Electro Mechanical System）惯性传感器来实现，监测机构能够控制驱动机构带动插钩伸出，起到防滑的效果。同时注重形态创新及审美设计，使老年人与防摔鞋进行人机交互时产生良好的体验，并希望为今后适老化防护装置的研发提供参考。

关键词：主动式防摔鞋;老年人;步行;传感

作者简介：陈强（1999-），男，汉族，山东威海人，山东中医药大学2018级康复治疗专业本科在读。通讯作者：*闫瑾（2000-），女，山东中医药大学2018级康复治疗专业本科在读。

基金项目：本文为山东中医药大学省级大学生创新创业训练计划项目资助，项目号：S202010441040。

一、老年人跌倒的预防

2019年12月，中国疾病监测系统的数据显示，跌倒已经成为我国65岁以上老年人因伤致死的首位原因[1]。因受伤到医疗机构就诊的老年人中，一半以上是因为跌倒，而在这其中，有一半以上都是发生在滑湿路面的。据统计，美国每年约有30%的65岁以上的老年人发生跌倒[2]，而且跌倒的发生比例随着年龄的增长而增加，80岁以上的老年人跌倒的年发生率可高达50% [3] ，可见跌倒是是威胁老年人健康和独立生活的主要原因。

但是，跌倒是可以预防的[2]。提升对于老年人跌倒风险的评估认知是预防工作的第一步。风险因素可分为生物、行为、环境风险因素三大类。生物因素主要为老年人视力变化与缺失、肌肉力量下降、平衡功能障碍、足部感觉障碍以及受服用抗高压药、降糖药等药物产生的副作用影响，是经常出现的;行为风险因素如长期卧床或因疾病原因制动、酗酒等;环境因素最为普遍，路面滑湿、不平整，没有扶手等等均会增加跌倒的机会。对于骨质疏松症高发的老年人群体，一旦摔倒相较于年轻人群更易发生骨折或导致更严重的后果[4]。老年人群庞大，除了鼓励老年人通过坚持体育锻炼提高身体素质、提高安全意识、改造居家环境外，防护装置的设计发明对于保证老年人拥有健康安全的日常生活活动越来越重要。

根据评估结果采取相应的干预措施，才可有效降低老年人跌倒的发生率，减轻老年人跌倒的损伤程度。主动式防摔鞋，可以帮助老年人群在步行过程中进行有效的健康管理，构建健康、安全、幸福的老年生活。在进行该产品设计时，不仅需要关注了老年人群生理机能衰退对产品尺度、材质、加工方式等的特殊需求，也要尽量尊重老年人心理需求，给予老年人更多的人文关怀，引导老年人自主锻炼，给他们树立一个健康生活的理念，在一定程度上减轻子女与社会的负担，对于老年人健康和社会经济发展具有重要意义。

目前市场上往往通过在鞋底设置防滑纹、防滑钉等防滑结构以增加鞋底的抓地力，但是其防滑效果有限，尤其是在使用一段时间后，防滑效果容易下降。采用了防滑钉的鞋子，使用者在行走时，防滑钉始终与地面接触，防滑钉容易损坏，在鞋子不容易打滑时，还会增加使用者在行走时的阻力。伴随着科技发展，传统原始的老年人防摔产品已经不能满足人们日益增多的需求[5]。为了解决上述技术问题，设计主动式防摔鞋。老年人在正常行走时，插钩不影响使用者行走;使用者在有脚滑的趋势时，监测机构能够控制驱动机构带动插钩伸出，起到防滑的效果，有效的解决了现有技术中存在的问题。并结合人体工学原理，以防摔功能性为前提，不断加强功能研发，提高舒适性、灵活性与轻便性。将来可以针对多功能、实效性进行研发，通过不同科技手段的创新运用，结合创新设计理念，服务于更多的老年人群。

二、老年人防摔鞋的设计

1.机械设计

本研究的主动式防摔鞋总体结构有：鞋体，包括鞋底和后帮;防摔机构，包括上连杆、下连杆、插钩，上连杆的一端与后帮铰接、另一端与插钩的上段铰接，下连杆的一端与后帮铰接、另一端与插钩铰接，插钩与上连杆、下连杆、后帮共同组成连杆结构;驱动机构;监测机构，包括MEMS压力传感器、加速度传感器和处理器，压力传感器小于设定阈值、且加速度传感器大于设定阈值时，处理器能够控制驱动机构带动插钩向下伸出鞋底的下侧。本设计的有益效果在于，老年人在使用其在正常行走时，插钩不影响使用者行走，插钩与路面不接触，既可以减少材料本身的损耗，还可减少插钩与路面之間接触导致的使用者行走不便的情况发生。其机械结构简图如图1，（为了更好的展示本技术原理结构，附图中未绘出鞋子的帮面等结构，在优选的实施例中，本领域技术人员能够根据设计需求选择帮面等结构部件的安装。）使用者在有脚滑的趋势时，监测机构能够控制驱动机构带动插钩伸出，起到防滑的效果，有效的解决了现有技术中存在的问题。

2.2 机构特征

防摔机构，由能够变形的连杆结构组成，位于鞋后帮的两侧，分别设有一个上连杆、一个下连杆、一个插钩，两插钩之间通过一个连接杆相连，使用时，所述插钩在收缩状态和伸出状态之间切换，当插钩处于伸出状态时，其下端伸出所述鞋底的下侧，插钩处于收缩状态时，其下端缩回至所述鞋底底面的上侧。

驱动机构，包括电机、与电机相连的驱动杆、从动杆，作为主动式防摔鞋控制系统的核心实现带动插钩在伸出状态和收缩状态之间切换，驱动机构还包括弹性伸缩件（气弹簧），弹性伸缩件的一端与后帮铰接、另一端与插钩铰接，此弹性伸缩件能够向所述插钩提供向外的弹性力;弹性伸缩件利用上侧设有的限位部控制向插钩提供的弹力方向，限位部为设置于气弹簧上侧的限位板。当插钩处于收缩状态时，弹性伸缩件向插钩提供斜向上的弹力，限位部限制插钩向上移动;当插钩处于收缩状态时，弹性伸缩杆向所述插钩提供向下的弹力。

根据设计思路，处理器为Arduino单片机，监测机构包括供电单元，可采用锂电池供电，由鞋底包括底面和与相连的顶面之间构成容纳所述监测机构的空间。考虑到下肢行走动作过程中，脚掌对行走状态的感应，分别在鞋底的后跟和前脚掌处设有两个压力传感器，避免整个机械结构复杂，体积庞大。

2.3 安全性设计

主动式防摔鞋作为监测和保护老年人步行的设备，为避免使用过程中对本身就生理功能较弱的使用者造成二次伤害，其安全性设计尤为重要。本主动式防摔鞋的研究分别从防摔机构、监测机构等几个方面对安全性进行设计。

首先是防摔机构，对于图1所示的实施例中，连杆机构可以便于对插钩5的移动进行控制，尤其是插钩向下伸出以防止鞋体滑动时，插钩5会整体的受到向后的推力，通过上连杆3和下连杆4与插钩5连接，上連杆3和下连杆4均大致的沿插钩5受力的方向延伸，能够向插头在水平方向上提供充足的约束力，进而可以提高插钩5在受力时的稳定性。进一步具体的说，在所述后帮2的两侧分别设有一个上连杆3、一个下连杆4、一个插钩5，两所述插钩5之间通过一个连接杆9相连，如图2。如图所示，由此可以使得插钩5和连杆更加稳定，尤其是在鞋体侧滑时，能够通过连杆提高对于插钩5在侧向上的约束力。

其次，通过设置了弹性伸缩件，在插钩5处于收缩状态时，弹性伸缩杆斜向上提供对于插钩5的抵接力，可以在使用者正常行走时，能够保证插钩5不落下，不影响使用者正常的行走。在使用时鞋底1打滑时，电机带动插钩5克服弹性伸缩见的弹力向下移动一定程度后，弹性伸缩件开始向插钩5提供斜向下的弹性力，此时，插钩5可以快速的伸出，缩短插钩5的响应时间，能够快速的起到防滑的效果。

监测机构的前后两个压力传感器可以同时监测使用者脚后跟和脚掌处的压力，以在处理器8监测到其中任何一个压力传感器6大于设定阈值且加速度传感器7大于设定阈值时，判断使用者有滑到的危险，如图3。从而可以防止出现监测的准确性问题。

2.4形态设计

作为功能性福祉用具，其第一要素是功能性，防摔作为首要功能。研究表明，防摔护具佩戴舒适性欠佳，负担感很重，患者不愿意在日常生活中佩戴，护具临床依从性差，从而使护具防摔效果得不到证实[6]。老年人感觉自身被捆绑束缚、着装异于常类[7]，有悖于“通用设计原理”。因此兼顾美观和舒适性的考量是款式设计中的重点。主动式防摔鞋外观与普通鞋类款式类似，鞋帮后部添加轻材料插钩，原理结构固定，作为老年人穿戴设备，其外观设计应遵循老年人的喜好并与设备功能和需求相符合。考虑到老年人的审美情趣、消费取向、生理及心理特征等因素，本产品从材质、色彩、结构与功能等方面进行综合性设计[8]。

人性化设计强调“以人为本”的理念，老年福祉用具更加关注老年人的生活方式，给予人文关怀。考虑到老年人足弓在长期负重的压力下， 一般都变小，且足部血液循环不畅， 脚部浮肿，所以鞋腔结构需要留有一定的松量，不能过窄，最好可以让老年人根据自身尺寸进行调节。由于老年人身体灵活度差的问题，首选魔术贴或弹性带“一脚蹬”式结构，

材质方面，以柔软透气、吸湿性较好的材质为最佳选择， 可以最大程度的保持足部的干爽舒适， 有利于老年人脚部的健康，对老年人足部与其关节保护方面具有一定的意义。如山羊皮、粒面革、纯棉布等材料。

色彩搭配具有特定的科学内涵，适度转向色调明快的生态色，暖色系，既带来愉悦、舒适的穿着感受，有助于心理健康，还具有安全性。

三、结语

随着社会的不断发展，人类的平均寿命不断延长，老年人在整个社会中的人口比率也在不断的增长。“含饴弄孙，颐养天年”一直是中国人传统中对老年人美好的祝福，智能产品正愈加融入我们的生活，医疗模式需要从以往的治疗向预防的方向转化。本文主要对一款以老年人为主体的主动式防摔鞋进行设计和分析，为老年智能化防护装置的的研究提供了一种新思路和新方法，尤其在如今老龄化程度不断加深的现代社会中，对于帮助改善和消除疾病引起的身体功能和结构障碍，提高老年人的独立生活能力，提升老年人社会参与度具有重要意义。但主动式防摔鞋的控制算法仍需要进一步优化设计，后续研究需要同时考虑惯性力矩、离心力矩等非线性力矩，利用控制算法，提高系统的控制准确性。

参考文献：

[1]中国新闻网.跌倒是我国65岁以上老年人因伤致死的首位原因[J/OL].2019-06-12.http：//www.hnshanshui.com/h-nd-4890.html.

[2] National Center for Injury Prevention and Control. （2015）.Preventing Falls： A Guide to Implementing Effective Community-based Fall Prevention Programs. 2nd ed. Atlanta， GA： Centers for Disease Control and Prevention， 2015.

[3]中国疾病预防控制中心.老年人防跌倒联合提示[J/OL].2019-11-23.https：//www.thepaper.cn/newsDetail_forward_5040912.

[4] 董克芳.老年人最常见的3种骨折[J].老年人，2012（ 5） ： 54-54.

[5] 程柯翔，万君，朱婉柔，唐洁，易文琪.一种防老年痴呆手部锻炼装置的设计与研究[J].产业与科技论坛，2018，17（04）：95-96.

[6] 孙培栋，欧阳钧. 髋关节保护器的研究现况及展望[J]. 中 国 修 复 重 建 外 科 杂 志，2012，26 （1）：48 -52.

[7] 朱达辉，宋婧，宇锋.老年防摔功能服装设计[J].毛纺科技，2018，46（11）：63-68.

[8] 陈宇刚.老年鞋靴产品人性化设计研究[J].中外鞋业，2017（07）：24-26+29.

山东中医药大学康复医学院，山东 济南 250355