Пристрій для запобігання травмуванню голови людини при падінні

1. Пристрій для запобігання травмуванню голови людини лри падінні, що містить акселерометр, закріплений на тулубі людини і підключений до блока управління, та керований газогенератор, з'єднаний з надувними мішками безпеки, який відрізняється тим, що пристрій містить декілька акселерометрів, підключених попарно до блока управління, який додатково містить схеми корекції та порівняння сигналів, причому вимірювальні осі чутливості кожної пари акселерометрів не співпадають і розміщені у площинах, що перпендикулярні до земної, виходи кожного з пари акселерометрів підключено до диференціальних входів схеми корекції, а схема порівняння містить елементи пам'яті, в яких зберігаються еталонні значення сигналів, характерних для процесу падіння, при цьому виходи блока управління з'єднані з входами керованих газогенераторів, їх вихідні отвори - з вхідними отворами надувних мішків безпеки, що розміщені на накладці-основі позаду та спереду шиї 2. Пристрій для запобігання травмуванню голови людини при падінні по п.1, який відрізняється тим, що у схему корекції сигналів включені диференціюючі, інтегруючі, інтегро-диференціюючі та фільтруючі ланки для оптиАшації співвідношення рівнів інформативних сигналів, характерних для падіння, та артефактів, що не є падінням 3. Пристрій для запобігання травмуванню голови людини при падінні по п 1, який відрізняється тим, що частина акселерометрів може бути представлена акселерометрами кутового прискорення, при цьому їх вимірювальні осі орієнтуються паралельно до горизонтальної земної поверхні. 4. Пристрій для запобігання травмуванню голови людини при падінні по п.1, який відрізняється тим, що має один або декілька газогенераторів та один або декілька надувних мішків безпеки. 00 Корисна модель відноситься до захисних предметів одежі, а саме, до пристроїв для запобігання травмування людини при падінні, і може бути використаний для запобігання травмування голови у людей, схильних до раптового падіння, наприклад - при запамороченні голови, епілептичному нападі, хворобі Паркінсона, Альцгеймера, для людей похилого віку тощо Відомі активні пристрої для запобігання травмування мотоцикліста (у тому числі, його голови) при аварії (патенти Великобританії GB 2099687 -А Inflatable protective garment; GB1479733 - Protective garments; Германії -DE3616890 - Sicherheitsbekleidungsstuck fur Motorradfahrer). Принцип їх дії полягає у розгортанні навколо мотоцикліста різноманітних надувних елементів (мішків безпеки) під час аварії. Недоліком таких пристроїв є те, що їх через громіздкість не можна застосовувати людиною поза транспортним засобом. Іншим недоліком цих пристроїв є низька чутливість використаних у них сенсорів, що розраховані на аварію мотоцикла В зв'язку з викладеним, сфера використання таких пристроїв обмежена їх конкретним призначенням Відомі активні пристрої для запобігання травмування кісток тазу (по-перше - шийки стегна) людини при падінні (патенти США №5,500,952 - Нір inflatable protection device, №4,637,074 - Protective garment; Франції FR2650189 - Appareil preventif des fractures du col du femur pour les personnes agees). Принцип їх дії полягає у розгортанні, на початку падіння, надувних мішків безпеки різноманітної конфігурації. Кожен з таких пристроїв складаються з сенсорів для вимірювання кутового руху та прискорення, тригерно-клапанного механізму для випуску газу, картриджу з газом, надувних мішків безпеки, що закріплюються на тілі людини поверх со о ю 5068 одежі та електричної' батареї' для живлення пристрою Вищезазначені пристрої (патенти США №5,500,952; №4,637,074,Франціі FR2650189) не розраховані на захист голови людини при її падінні. Найближчим аналогом до запропонованого пристрою для запобігання травмування голови людини при падінні є пристрій, що розгортає при падінні людини надувні мішки безпеки в області стегна (патент N2W09101658 - Device for preventing fractures of the neck of the femur in elderly people). Цей пристрій призначений для захисту ВІД переломів у випадку падіння шийки стегна у людей похилого віку. Такий пристрій складається з поясу-на кладки і розміщених на ньому датчиків кутового руху та його прискорення, блока управління, керованого газогенератора та надувних мішків безпеки Пристрій працює таким чином. В момент початкової фази падіння людини датчики кута нахилу та кутового руху замикають свої контакти, що спричиняє видачу блоком управління команди управління на розгортання, шляхом запуску газогенератора, надувних мішків безпеки. Такий пристрій не захищає голову людини при падінні, але якщо спробувати розширити сферу застосування цього пристрою, розмістивши надувні мішки в області шиї і голови, виявляться наступне. Недоліком такого пристрою є його низькі експлуатаційні якості, пов'язані з тим, що датчик кута нахилу тулубу людини у цьому пристрої виконаний у вигляді герметичної ампули з контактами та електропровідної' рідини у ній (ртуті). Такий датчик нахилу видає помилкові сигнали (замикання контактів) через плескання рідини при розгойдуванні його, наприклад, під час різких рухів. Ця проблема збільшується тим, що використаний датчик кутового прискорення, що складається з спіральної пружини та закріпленого на ній важеля і двох мас на ньому, також не є достатньо надійним по відношенню до різких рухів людини. Одночасна робота датчиків, що дають на виході паразитні сигнали робить роботу пристрою схильною до помилкових спрацювань. На практиці це призведе до необхідності частої заміни керованих газогенераторів (піротехнічного типу, що продукує газ під тиском за рахунок хімічних реакцій, або пневматичного типу, що випускає стиснений газ з балончика). Ненадійна робота пристрою через таку незручність його використання може призвести до відмови від нього В основу корисної моделі Пристрою для запобігання травмування голови людини при падінні покладено задачу удосконалення Пристрою для захисту від переломів шийки стегна у людей, в якому шляхом додавання нових елементів та новому алгоритму їх роботи забезпечується принципово нові функціональні можливості, а саме, забезпечується надійна ідентифікація (визначення) факту падіння, і тим самим пристрій запобігає травмуванню голови людини при падінні або пом'якшує його наслідки. Це є дуже актуальним для певних груп людей, падіння яких може спричинити їм серйозних травм або зашкодити здоров'ю. До таких груп людей можна віднести хворих на епілепсію та інших людей, схильних до раптового падіння. Для реалізації цього задуму використаний пристрій, що містить акселерометр, закріплений на тулубі людини і підключений до блоку управління та керований газогенератор, підключений до надувних мішків безпеки. Новим у пристрої є те, що він містить декілька акселерометрів, підключених попарно до блоку управління, який додатково містить схеми корекції та порівняння сигналів, причому вимірювальні осі чутливості кожної пари акселерометрів не співпадають і розміщені у площинах, що перпендикулярні до земної, виходи кожного з пари акселерометрів підключено до диференціальних входів схеми корекції, а схема порівняння містить елементи пам'яті, в яких зберігаються еталонні значення сигналів, характерних для процесу падіння, при цьому виходи блоку управління з'єднані з входами керованих газогенераторів, їх вихідні отвори - з вхідними отворами надувних мішків безпеки, що розміщені на накладці-основі позаду та спереду шиї. У схемі корекції сигналів шляхом застосування диференціюючих, інтегруючих, інтегродиференціюючих та фільтруючих ланок оптимізується співвідношення рівнів інформативних сигналів, характерних для падіння, та артефактів, що не є падінням. Частина акселерометрів може бути представлена акселерометрами кутового прискорення, при цьому їх вимірювальні осі чутливості орієнтуються паралельно до горизонтальної земної поверхні. Пристрій може мати один або декілька газогенераторів та один або декілька надувних мішків. Такі різновидності пристрою будуть забезпечувати дещо відмінну ступінь захисту голови, що може знадобитися для людей різного віку, маси, схильностей. Блок управління та акселерометри отримують електричне живлення від автономного джерела Новим у запропонованому пристрої, по-перше, є те, що він містить декілька акселерометрів, розміщених на тулубі людини, що дозволяє отримувати сигнал від них при усіх можливих напрямках падіння При використанні двох пар акселерометрів забезпечується чутливість до будь-якого напрямку падіння. При використанні їх більшої кількості можуть бути поліпшені технічні характеристики пристрою, зокрема, підвищена його надійність. По-друге - кожен з пари акселерометрів, вимірювальні осі чутливості яких не співпадають і розміщені у площинах, що перпендикулярні до земної, підключено до диференціальних входів схеми корекції, чим утворюється датчик кута нахилу диференціального типу. Такий датчик характеризується поліпшеними метрологічними характеристиками. Зокрема, він малочутливий до лінійних прискорень вздовж вимірювальні осі чутливості утвореного таким чином датчика диференціального типу. Враховуючи, що лінійні прискорення також мають місце при русі людини, при застосуванні такого датчика підвищуються рівні інформативних сигналів відносно артефактів. Потретє, пристрій містить схему корекції сигналів, де 5068 шляхом застосування диференціюючих, інтегруючих, інтегро-диференціюючих та фільтруючих ланок, оптимізується співвідношення рівнів сигналів, характерних для падіння, до артефактів, що не є падінням. Зокрема, шляхом диференціювання сигналу з Інформацією про кут нахилу виділяється інформація про кутову швидкість нахилу тулубу людини. Вона є характерною ознакою процесу падіння. По-четверте - складова частина блоку управління - схема порівняння сигналів - містить елементи пам'яті, в яких зберігаються еталонні значення сигналів, характерних для процесу падіння. Частина акселерометрів може бути представлена акселерометрами кутового прискорення, при цьому їх вимірювальні осі чутливості орієнтуються паралельно до горизонтальної земної поверхні. В такому варіанті виконання пристрою шляхом інтегрування сигналу з інформацією про кутове прискорення виділяється інформація про кутову швидкість нахилу тулубу людини. Внаслідок використання зазначеної сукупності ознак покращуються експлуатаційні якості пристрою, пов'язані з тим, що забезпечується надійна ідентифікація (визначення) факту падіння і, як наслідок, запобігається травмування голови людини при падінні, або пом'якшуються його наслідки. Крім того, пристрій не реагує на різкі рухи, що не є падінням. Це є важливою особливістю пристрою, що дозволяє комфортно використовувати його у повсякденному ЖИТТІ. В зв'язку з викладеним, сфера використання запропонованого пристрою є досить широкою. Це є суттєвою перевагою такого пристрою тому, що до нього практично не існувало надійних та компактних пристроїв для запобігання травмування голови людини при падінні. Застосування запропонованого пристрою безпосередньо впливатиме на здоров'я людей та якість їх життя. Суть корисної моделі, що заявлено, ілюструється кресленнями Фіг. 1-4. На них зображені: на Фіг 1 - функціональна схема пристрою, Фіг.2 - орієнтація вимірювальних осей чутливостей акселерометрів (штрих-пунктирною лінією) відносно користувача (вид зверху, умовно) та горизонтальної земної поверхні; Фіг.З - структурна схема блоку управління, в якій містяться схеми корекції, порівняння та елементи пам'яті; Фіг 4 - загальний вигляд пристрою з розгорнутими мішками безпеки, що надітий на користувача. Пристрій для запобігання травмування голови людини при падінні містить накладку-основу 1, на якій розміщені всі елементи пристрою, акселерометри 2, 2-1 та 3, 3-1, блок управління 4, керовані газогенератори 5, 5-1, надувні мішки безпеки 6, 61. Ці МІШКИ у робочому стані (при носінні) згорнуті і закріплені поверх накладки-основи 1. У розгорнутому стані (при падінні) мішки безпеки 6, 6-1 оточують область шиїта голови. Електричні виходи акселерометрів 2, 2-1 та З, 3-1, вимірювальні осі чутливості яких не співпадають (див. Фіг.2), з'єднані (див. Фіг 3) з диференціальними входами схеми корекції, що входить до складу блоку управління 4, його виходи з'єднані з входами, що забезпечує спрацювання, керованих 6 газогенераторів 5, 5-1, їх вихідні отвори - з вхідними отворами надувних мішків безпеки 6, 6-1 Блок управління 4 містить у собі також схему порівняння, причому схема порівняння містить елементи пам'яті, що зберігають еталонні значення сигналів щодо кутів та кутових рухів у напрямках, характерних для процесу падіння. Блок управління 4, акселерометри 2, 2-1 та З, 3-1 отримують електричне живлення від автономного джерела 7. Накладка-основа 1 розміщується на плечах людини поверх одежі, подібно коміру, з можливістю продовження її до нагрудних карманів одежі для розміщення у них складових пристрою, окрім мішків безпеки. Конструктивне виконання зазначених вище складових частин пристрою загальновідоме в приладобудуванні та машинобудуванні. Пристрій для запобігання травмування голови людини при падінні працює наступним чином. Пристрій розташовують поверх одежі на тулубі людини, на плечах Як правило - під коміром одежі, якщо він не жорсткий, із естетичних міркувань. Далі пристрій приводять у робочий стан (вмикають) шляхом подачі напруги на електронні блоки пристрою. В якості джерела живлення 7 може бути використане будь-яке автономне джерело електроенергії з відповідними параметрами: електрична батарея, акумулятор тощо. Після цього, акселерометри 2, 2-1 та 3, 3-1 безперервно видають на блок управління 4 сигнали, що несуть інформацію про характер руху тулубу людини. В якості акселерометрів можуть бути використані такі, мініатюрні механічні елементи яких виготовлені методами фотолітографії у чипі з кремнію (В.Голуб., Акселерометры фирмы Analog Devices. CHIP NEWS #10(30), декабрь 2003). В одному з можливих варіантів виконання пристрою, частина акселерометрів може бути представлена акселерометрами кутового прискорення. В якості таких, наприклад, можуть бути використані акселерометри типу описаного у патенті США №6,520,017 "Міcromechanical spin angular acceleration sensor". Інформація про кут нахилу поступає у схему корекції", що міститься у блоці управління 4, безпосередньо від акселерометрів. У схемі корекції спочатку здійснюється віднімання сигналу одного акселерометра з пари від сигналу іншого, наприклад з допомогою диференціального підсилювача. Оскільки вимірювальні осі чутливості у них не співпадають, у випадку нахилу пристрою сигнал з одного акселерометра збільшується, а з іншого зменшується. Отриманий на виході такого підсилювача сигнал використовується для подачі на схему порівняння в якості сигналу про проекцію кута нахилу на одну з площин. Додатково, обчислюється його похідна за допомогою диференціюючого підсилювача. Отримані, для двох площин, на виході таких підсилювачів сигнали (а\ = d a / d t © 2 = dp/dt) використовується для подачі на схему порівняння в якості сигналів про кутову швидкість. У повсякденному житті людина не відхиляє тулуб під кутом -ЗО град, назад або вбік, такий нахил є ознакою лише небезпечного положення, що передує падінню Для процесу падіння характерне також велика кутова швидкість, що виникає внаслідок кутового прискорення тулу 5068 бу людини. Далі, дві групи найважливіших фізичних параметрів, що характеризують процес падіння: кут нахилу та кутова швидкість аналізуються шляхом порівняння з еталонними сигналами у даному пристрої. У варіанті виконання пристрою, коли частина акселерометрів представлена акселерометрами кутового прискорення, інформація про кутову швидкість виділяється з сигналів про кутове прискорення шляхом їх інтегрування. В процесі роботи, коли одночасно сигнали про кут нахилу та кутову швидкість досягають рівнів еталонних сигналів, що зберігаються у елементах пам'яті блоку управління 4, у ньому генерується команда на спрацювання газогенераторів. Типовими умовами видачі команди на спрацювання подушок безпеки є такі співвідношення між поточними та еталонними значеннями параметрів кута нахилу та кутового руху людини: 1) Кут відхилення від вертикалі назад або вперед а >-30 [град.] Кут відхилення від вертикалі назад або вперед р >~30 [град.] 2) Кутова швидкість руху назад або вперед о>і > ш^1 [град./с] Кутова швидкість руху назад або вперед °>2 > де а та р - кути нахилу, що виміряні у площинах, де лежать вимірювальні осі чутливості кожної пари акселерометрів ЛІНІЙНОГО руху, со? та pt G2 > • характерні для падіння (еталонні) кутові швидкості руху тулубу людини. Визначаються експериментальним шляхом. Умовою видачі команди блоком 4 на спрацювання газогенератору 5 є одночасне виконання 2-х умов з вищенаведених груп 1) та 2), коли знак відхилення відповідає нахилу назад, а газогенератору 5-1 - виконання 2-х умов з груп 1) та 2), коли знак відхилення відповідає нахилу вперед. Сигнали, спричинені нахилом тулубу людини, генеру 8 ються при будь-якому напрямку нахилу. В якості керованих газогенераторів 5, 5-1 можуть використовуватися газогенератори піротехнічного типу, аналогічні тим, що застосовуються в системах активної безпеки автомобілів, але меншої потужності. Можливо також використовувати генератори, що виконані як балончик стисненого газу з керовано-розривною мембраною або керованим клапаном. За короткий проміжок часу (до - 0,3 секунд) вони наповнюють мішки безпеки 6 або/ і 6-1. В якості мішків безпеки 6, 6-1 можуть використовуватися мішки з .тонкого, еластичного, газонепроникного матеріалу, що у розгорнутому стані роздуваються попереду або/ і позаду шиї та голови людини (див. Фіг.4). Удар головою при падінні амортизується цими мішками. Як правило, розгортається один з мішків, проте, при певних рухах, можуть розгорнутися послідовно обидва мішки. Функції корекції сигналів у блоці 4 виконуються електронною схемою, що виконана на базі аналогових мікросхем з можливістю виконання диференціювання, інтегрування, інтегро-діференціювання та фільтрації, що забезпечується відповідними коригуючими ланками. При використанні таких коригуючих ланок підвищуються показники якості роботи схеми корекції сигналів. Функції порівняння поточної величини сигналів з еталонними значеннями та генерації команди управління на розгортання мішків безпеки у блоці аналізу сигналів і управління 4 можуть виконуватися відповідними електронними схемами, виконаними на базі аналогових та цифрових мікросхем. Конструктивне та схемотехнічне виконання такого блоку загальновідоме в електроніці. Функції' елементів пам'яті можуть виконувати, наприклад, ділителі стабілізованої напруги. Таким чином, пропонований пристрій запобігання травмування голови людини при падінні та його реалізація за рахунок його досить широкої сфери застосування у повсякденному житті, може безпосередньо впливати на здоров'я людей, якість їх життя і можливо, зберігатиме їх життя. 10 5068 Площини, І яких знаходяться вимірювальні осі чутливосп 1-ї та 2-і пари акселерометрів 3-1 2-1 5-1 Горизонтальна площина земної поверхні 6-1 Тулуб людини (умовно) Вимірювальні ОСІ чутливості однієї з пар акселерометрів ДО 2 до З до 2-1 до 3-1 Фіг. 2 Фіг. 1 Схема корекції Елементи памяті \ 2 / V / * 2-1 О U 3 ал. 3-1 ь dw* I N •a \ / / • Г S \ \ Схема ^лорівнян ля ' 5-1 Фіг. 4 Фіг. З Комп'ютерна верстка В. Мацело Підписне Тираж 37 прим. Міністерство ОСВІТИ і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул Урицького, 45, м. Ки'їв, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Глазунова, 1, м Київ - 42, 01601