專利名稱：頭頸部損傷防護裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種頭頸部損傷防護裝置，尤其是一種適用于飛行員和航天員的頭頸部損傷防護裝置。
背景技術(shù)：
頸部損傷在飛行員中較為常見。國外職業(yè)飛行員的頸部損傷發(fā)生率高達85. 5% ； 據(jù)調(diào)查，我軍73. 9%的飛行員曾經(jīng)歷過頸部損傷，認為頸部損傷影響飛行訓(xùn)練的飛行員占 47. 1%。已報道頸部損傷包括頸椎骨折、韌帶撕裂、椎間盤退變、椎間盤突出和頸肌拉傷等， 個人主訴主要表現(xiàn)為頸部不適、頸部疼痛。飛機性能越好，其飛行員越會承受較高的G載荷。美國高性能戰(zhàn)斗機飛行員有 5(Γ70%在飛行中感到頸部疼痛，并有跡象表明其發(fā)展成進行性頸椎關(guān)節(jié)炎的趨勢在上升。 F-16戰(zhàn)機飛行員飛行1年發(fā)生頸部損傷的發(fā)生率為56. 6%，我國殲-8飛行員頸部疼痛率明顯高于其它機種飛行員。迄今國內(nèi)外航空界都還未有效地解決飛行員頸部損傷的防護問題。隨著飛機機動性能的逐步提高，飛行員頸部損傷的發(fā)生率將顯著提高，頸部必將成為高性能飛機人-機-環(huán)境中的薄弱環(huán)節(jié)。因此研制用于頸部損傷的防護裝置對預(yù)防高性能飛機飛行員或航天員的頸部損傷有著重要意義。研究表明，頸部過度伸長、肌肉過度收縮、頸椎管壓力脈沖和剪切與軸向壓縮作用等因素都可能是導(dǎo)致頸部損傷的力學(xué)機制。頸肌的拉傷與G增加率成正比，高G載荷引起飛行員頭頸部過度前曲，頸肌拉伸率超過其限值就會導(dǎo)致頸肌拉傷；韌帶撕裂與高G值、頸肌疲勞或受傷以及頭頸部的位置不正確有關(guān)。在高G值和高G增長率條件下，作用于頸椎的力矩增大，當(dāng)作用于椎骨的應(yīng)力超過其耐限時，頸椎就會導(dǎo)致骨折。骨折部位多發(fā)生在C5、C6、 C7的前緣。當(dāng)存在高G值或重復(fù)的較小G值作用時，椎間盤內(nèi)壓增大，可能引起上下軟骨終板損傷，以至其滲透能力下降，使得供給髓核的營養(yǎng)不足，就導(dǎo)致椎間盤提早發(fā)生退變。退變的椎間盤彈性降低，其承載能力亦下降。扭轉(zhuǎn)是導(dǎo)致纖維環(huán)斷裂的主要原因。在髓核壓力的作用下，纖維環(huán)斷裂的部位就容易出現(xiàn)椎間盤突出癥。急性椎間盤突出的出現(xiàn)一般有兩個條件一個是承受高G載荷，另一個是在承受高G載荷時飛行員有頭部扭轉(zhuǎn)動作。研究還表明，頭腳向加速度(Gz)未達到4g時一般不會出現(xiàn)頸部疼痛，大于4g則頸部損傷率逐漸增加。Jones等人的研究發(fā)現(xiàn)，Gz超過5g時頭部轉(zhuǎn)動時會出現(xiàn)頸椎疼痛。 還需要指出的是，長期反復(fù)的低G載荷作用會引起頸部損傷，其系累計性損傷所致。汽車工業(yè)界則是根據(jù)上頸部和下頸部之間的相對加速度Grel)和相對速度(Vm1)制定了頸部損傷標(biāo)準(zhǔn) NIC (Neck Injury Criterion)。
NIC反映了頭部和軀干之間的相對運動幅度，主要用于評估腹背向加速度(Gx)載荷。大量頸部耐沖擊試驗得出下列損傷閾值
①彎曲扭矩190 N · m，外翻扭矩57 N · m ；②軸向拉力3300 N (峰值)，軸向壓力4000N (峰值軸向剪力3100 N (峰值)。Liu等提出了預(yù)測頸部損傷的頸部損傷因子Nij，并
以不可忍受的頸部疼痛為限，制定了頸部運動范圍和允許作用載荷①前屈α=61(Γ770，
M=190Nm 后伸a=60(T760，M=68Nm。另有其他一些指標(biāo)用于損傷評估例如，頸部剪切/ 伸長力、力矩、Nkm、LNL等。迄今為止，各國主要從以下幾方面來防護高G載荷對飛行員頸部的損傷① 根據(jù)人體對加速度沖擊的耐受區(qū)間制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，如美國的“人-系統(tǒng)整合標(biāo)準(zhǔn) (Man-Systems Integration Mandard)”、我國的《航天安全指南》;(|)嚴格選拔和常規(guī)體檢標(biāo)準(zhǔn)，如限制頸椎小關(guān)節(jié)功能紊亂、頸椎活動首入選，關(guān)注飛行員頸部的輕微損傷，以防積累成嚴重的慢性頸椎?。虎鄹纳谱摴πW(xué)環(huán)境，優(yōu)化乘員約束系統(tǒng)，使座艙符合生物工程學(xué)設(shè)計，達到安全、高效和舒適，如優(yōu)化頭盔、調(diào)整座椅的后傾角以及設(shè)計頭頸部支持裝置等； 完善飛行員操作規(guī)程，避免因頸部活動不當(dāng)而導(dǎo)致的損傷； 根據(jù)頸部運動的生
物力學(xué)特點將常規(guī)鍛煉和特殊訓(xùn)練相結(jié)合，如美軍制定了一套專門針對F-16戰(zhàn)機的頸部
訓(xùn)練方案。目前，汽車工業(yè)的防頸部損傷裝置在頸部揮鞭傷的防護方面應(yīng)用較廣泛，并可檢索到大量文獻或?qū)＠?。需要指出的是，汽車工業(yè)中的揮鞭傷防護裝置多是針對汽車被追尾而研制的，主要是解決乘員因突然加速而導(dǎo)致的頸部損傷問題，但飛行員的頸部損傷除起飛過程中的高加速外，也有著陸過程中的高減速度，還有飛行作業(yè)過程中的各種姿勢變化， 因此現(xiàn)有頸部損傷防護裝置還不能解決飛行員頸部損傷的防護問題。另外，我國飛行員體型顯著區(qū)別于歐美人種，以歐美人種體型(數(shù)字或物理假人)來研究頸部損傷，并以此優(yōu)化飛行器的座艙結(jié)構(gòu)和乘員約束系統(tǒng)，顯然不能有效解決我國飛行員的頸部損傷防護問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種頭頸部損傷防護裝置，可以在高G載荷狀態(tài)時，控制駕駛員的頭頸部運動，以避免駕駛員頭頸部損傷，并且在正常行駛狀態(tài)時，解除駕駛員頭頸部的約束，以免影響駕駛舒適度。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種頭頸部損傷防護裝置，包括頭盔和座椅，其特征在于所述頭盔上固定有約束繩索組，所述座椅的頂部設(shè)置有“C”形頭枕，所述約束繩索組穿過約束連接裝置組與限力器組連接，加速度傳感器的輸出端連接控制器的輸入端且控制器的輸出端連接所述限力器組的輸入端連接；
當(dāng)所述加速度傳感器檢測到高G載荷狀態(tài)時，所述控制器控制所述限力器組動作，阻止所述約束繩索組向外拉動，以約束所述頭盔；當(dāng)所述加速度傳感器檢測到所述高G載荷狀態(tài)解除時，所述控制器控制所述限力器組動作，解除對所述約束繩索組的阻止，以解除對所述頭盔的約束。所述約束繩索組穿過所述約束連接裝置組還與預(yù)緊裝置組連接，用于在正常行駛狀態(tài)時向所述約束繩索組提供預(yù)緊力，使其處于緊張狀態(tài)。所述座椅的靠背內(nèi)安裝有高度調(diào)節(jié)機構(gòu)，用于根據(jù)駕駛員的身高調(diào)整所述座椅的尚度。所述約束連接裝置組設(shè)置在所述“C”形頭枕上，且所述約束連接裝置組由三個約束連接裝置組成，其中第一約束連接裝置和第三約束連接裝置設(shè)置在所述“C”形頭枕的兩端，且第二約束連接裝置設(shè)置在所述“C”形頭枕的中間。所述限力器組由第一限力器、第二限力器和第三限力器組成，所述約束繩索組由第一約束繩索、第二約束繩索和第三約束繩索組成，所述約束連接裝置組由第一約束連接裝置、第二約束連接裝置和第三約束連接裝置組成，且所述預(yù)緊裝置組由第一預(yù)緊裝置、第二預(yù)緊裝置和第三預(yù)緊裝置組成，其中所述第一約束繩索穿過所述第一約束連接裝置后一端連接所述第一限力器，另一端連接所述第一預(yù)緊裝置；所述第二約束繩索穿過所述第二約束連接裝置后一端連接所述第二限力器，另一端連接所述第二預(yù)緊裝置；所述第三約束繩索穿過所述第三約束連接裝置后一端連接所述第三限力器，另一端連接所述第三預(yù)緊裝置。所述加速度傳感器選用測量三維加速度的傳感器。在所述高G載荷狀態(tài)下，合加速度大于或者等于4g，其中g(shù)為重力加速度。綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是
1、將頭盔通過約束繩索與限力器組連接，加速度傳感器檢測到高G飛行狀態(tài)時，控制器控制限力器組動作，阻止向外繼續(xù)拉動約束繩索，防止飛行員在高G載荷狀態(tài)時頭頸部損傷，并且加速度傳感器檢測到高G載荷狀態(tài)解除時，控制器控制限力器組控制限力器動作，解除對頭盔的約束，以免影響駕駛舒適度；
2、采用預(yù)緊裝置，用于在正常行駛狀態(tài)向約束繩索組提供預(yù)緊力，加快了實現(xiàn)駕駛員頭頸部約束的響應(yīng)時間，并放置多條繩索的相互纏繞；
3、采用高度調(diào)節(jié)機構(gòu)，可以根據(jù)飛行員的身高調(diào)整座椅的高度，使得駕駛員在正常坐姿下，固定在頭盔上的約束繩索與“C”形頭枕上的約束連接裝置保持在同一水平高度，以使對頭頸部的約束效果更加明顯；
4、分別采用三個約束連接裝置、三個限力器和三個預(yù)緊裝置，且三個約束連接裝置分別設(shè)置在“C”形頭枕的兩端和中部，合理地從三個方向約束頭盔，合理地解決了正常飛行過程中飛行員頭頸部的正常移動，又有效地避免了高G載荷狀態(tài)時飛行員頭部出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)加速或側(cè)向運動；
5、三維加速度的傳感器可以檢測到、 和~向的加速度值，只要合加速度G (^ax2 +a/ +as2 )大于4g，控制器就會控制限力器組約束駕駛員的頭頸部。


本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖； 圖2是本發(fā)明中第一實施例的結(jié)構(gòu)原理圖； 圖3是本發(fā)明的工作流程圖； 圖4是加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是約束連接裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)記1為頭盔，3為約束繩索，4為“C”形頭枕，5為限力器組，5-1為第一限力器，5-2為第二限力器，5-3為第三限力器，6為預(yù)緊裝置組，6-1為第一預(yù)緊裝置，6-2為第二預(yù)緊裝置，6-3為第三預(yù)緊裝置，7為加速度傳感器，8為控制器，9為約束連接裝置組，9-1 為第一約束連接裝置，9-2為第二約束連接裝置，9-3為第三約束連接裝置。
具體實施例方式本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。本說明書(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。如圖1所示，該頭頸部損傷防護裝置包括頭盔1、座椅2、約束繩索組3、“C”形頭枕4、限力器組5、預(yù)緊裝置組6、加速度傳感器7、控制器8、約束連接裝置組9和高度調(diào)節(jié)機構(gòu)10，其中頭盔1上固定有約束繩索組3 (頭盔1與約束繩索組3的固定方式可以采用掛鉤方式，即在約束繩索的一端設(shè)置掛鉤，頭盔上設(shè)置有連接鉤)，座椅2的頂部設(shè)置有“C” 形頭枕4，約束繩索組3穿過約束連接裝置組9分別與限力器組5、預(yù)緊裝置組6連接，加速度傳感器7的輸出端連接控制器8的輸入端，控制器8的輸出端連接限力器組5的輸入端連接。當(dāng)加速度傳感器7檢測到處于正常行駛狀態(tài)時，預(yù)緊裝置組6向約束繩索組3提供預(yù)緊力，使得約束繩索組3 —直處于緊張狀態(tài)，在正常行駛過程中駕駛員的頭頸部可以自由活動，在由正常行駛狀態(tài)轉(zhuǎn)換為高G載荷狀態(tài)時加快了實現(xiàn)駕駛員頭頸部約束的響應(yīng)時間；當(dāng)加速度傳感器7檢測到高G載荷狀態(tài)(即合加速度大于或者等于4g，其中g(shù)為重力加速度)時，控制器8控制限力器組5動作，阻止向外拉動約束繩索組3，從而約束頭盔1，防止駕駛員在高G載荷狀態(tài)時頭頸部損傷；當(dāng)加速度傳感器7檢測到高G載荷狀態(tài)解除(即合加速度小于4g)時，控制器8控制限力器組5動作，解除對約束繩索組3的阻止，從而解除對頭盔1的約束，以免影響駕駛舒適度。當(dāng)然，在高G載荷狀態(tài)下，根據(jù)不同的防護目的，可以設(shè)定不同的合加速度限值，諸如3g、5g等，其中g(shù)表示重力加速度。另外，當(dāng)設(shè)置三個加速度傳感器來分別檢測X軸、Y軸和Z軸方向的加速度時，控制器采集各方向的加速度，并且
計算出合加速度.、/ax2 +ay2 +as2，其中~表示X軸方向的加速度， 表示Y軸方向的加速度，且\表示Z軸方向的加速度。由于預(yù)緊裝置已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車安全帶等領(lǐng)域，且限力器為通用的裝置，因此在此不對預(yù)緊裝置和限力器的具體結(jié)構(gòu)予以累述。另外，預(yù)緊裝置組、限力器組、控制器可以安裝在整個頭頸部損傷防護裝置的任何位置上，諸如設(shè)置在座椅的靠背內(nèi)、座椅的底板
在座椅2的靠背內(nèi)安裝有高度調(diào)節(jié)機構(gòu)10，用于根據(jù)飛機駕駛員的身高調(diào)整座椅的高度，使得駕駛員在正常坐姿下，固定在頭盔上的約束繩索與“C”形頭枕上的約束連接裝置保持在同一水平高度，以使對頭頸部的約束效果更加明顯。高度調(diào)節(jié)機構(gòu)在調(diào)整座椅方面已經(jīng)有所應(yīng)用，此處不對高度調(diào)節(jié)機構(gòu)10的具體安裝方式做詳細描述。上述約束繩索組3、限力器組5、預(yù)緊裝置組6和約束連接裝置組9中組件數(shù)量可以根據(jù)實際需求任意調(diào)整。在本發(fā)明的第一實施例中，如圖2所示，約束繩索組3由三條繩索組成，對應(yīng)地，限力器組5由三個限力器組成，預(yù)緊裝置組6由三個預(yù)緊裝置組成，約束連接裝置組9由三個約束連接裝置組成。頭盔1上固定連接有約束繩索組3，其中第一約束繩索3-1穿過第一約束連接裝置9-1分別與第一限力器5-1、第一預(yù)緊裝置6-1連接，第二約束繩索3-2穿過第二約束連接裝置9-2分別與第二限力器5-2、第二預(yù)緊裝置6-2連接，且第三約束繩索3-3穿過第三約束連接裝置9-3分別與第三限力器5-3、第三預(yù)緊裝置6-3連接。加速度傳感器7選用可以測量三維加速度的傳感器，控制器8的輸出端分別與第一限力器5-1、第二限力器5-2和第三限力器5-3連接，且第一約束連接裝置9-1和第三約束連接裝置9-3設(shè)置在所述“C”形頭枕4的兩端，且第二約束連接裝置9-2設(shè)置在所述“C”形頭枕4的中間。當(dāng)加速度傳感器7檢測到處于正常行駛狀態(tài)時，第一預(yù)緊裝置6-1、第一預(yù)緊裝置6-2和第一預(yù)緊裝置6-3分別向第一約束繩索3-1、第二約束繩索3-2和第三約束繩索3-3提供預(yù)緊力，使得三個方向上均處于緊張狀態(tài)。當(dāng)加速度傳感器7檢測到高G載荷狀態(tài)(即檢測到合加速度超過4g，其中g(shù)表示重力加速度)時，控制器8控制第一限力器 5-1、第二限力器5-2和第三限力器5-3動作，分別阻止向外拉動第一約束繩索3-1、第二約束繩索3-2和第三約束繩索3-3，以從三個方向上約束頭盔，不僅可以防止駕駛員的頭頸部前后運動，還可以防止駕駛員的頭頸部左右運動。當(dāng)加速度傳感器7檢測到高G載荷狀態(tài)解除時，控制器8控制第一限力器5-1、第二限力器5-2和第三限力器5-3動作，解除對第一約束繩索3-1、第二約束繩索3-2和第三約束繩索3-3的阻止，以解除頭盔1的約束。如圖3所示，本發(fā)明中頭頸部損傷防護的控制方法由以下步驟組成
51、系統(tǒng)初始化，當(dāng)加速度傳感器7采集加速度數(shù)據(jù)且計算得出合加速度，判斷合加速度是否超過4g，如果判定超過4g則表示行駛加速度過載，控制器8控制限力器5動作，阻止約束繩索向外拉動，約束頭盔1 ；如果判定未超過4g，則繼續(xù)采集加速度數(shù)據(jù)；
52、控制器8再次判斷合加速度是否超過4g，如果判定超過4g則表示行駛加速度過載， 控制器8繼續(xù)控制限力器5動作，約束頭盔；如果判定未超過4g，控制器8控制限力器5動作，解除頭盔約束。該加速度傳感器7選用測量三維加速度的傳感器，其可以是整體的三維加速度傳感器，諸如應(yīng)變式全剪切三維加速度傳感器等，也可以是將三個傳感器分別組合在測試塊的表面上，從而實現(xiàn)三維加速度測量，如圖4所示。如圖5所示，約束繩索繞過約束連接裝置，一端與預(yù)緊裝置連接，另一端與限力器連接。如果不采用約束連接裝置，則必須要求限力器組、預(yù)緊裝置組與約束繩索在同一水平高度，才能實現(xiàn)約束繩索的拉伸。本發(fā)明可以采用杠桿、滑輪等作為約束連接裝置。本發(fā)明并不局限于前述的具體實施方式
。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
權(quán)利要求
1.一種頭頸部損傷防護裝置，包括頭盔(1)和座椅，其特征在于所述頭盔(1)上固定有約束繩索組(3)，所述座椅的頂部設(shè)置有“C”形頭枕(4)，所述約束繩索組(3)穿過約束連接裝置組(9 )與限力器組(5 )連接，加速度傳感器(7 )的輸出端連接控制器(8 )的輸入端且控制器(8)的輸出端連接所述限力器組(5)的輸入端連接；當(dāng)所述加速度傳感器(7)檢測到高G載荷狀態(tài)時，所述控制器(8)控制所述限力器組 (5)動作，阻止所述約束繩索組(3)向外拉動，以約束所述頭盔(1)；當(dāng)所述加速度傳感器 (7)檢測到所述高G載荷狀態(tài)解除時，所述控制器(8)控制所述限力器組(5)動作，解除對所述約束繩索組(3)的阻止，以解除對所述頭盔(1)的約束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頭頸部損傷防護裝置，其特征在于所述約束繩索組(3)穿過所述約束連接裝置組(9)還與預(yù)緊裝置組(6)連接，用于在正常行駛狀態(tài)時向所述約束繩索組(3 )提供預(yù)緊力，使其處于緊張狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頭頸部損傷防護裝置，其特征在于所述座椅的靠背內(nèi)安裝有高度調(diào)節(jié)機構(gòu)，用于根據(jù)駕駛員的身高調(diào)整所述座椅的高度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的頭頸部損傷防護裝置，其特征在于所述約束連接裝置組(9)設(shè)置在所述“C”形頭枕(4)上，且所述約束連接裝置組(9)由三個約束連接裝置組成，其中第一約束連接裝置(9-1)和第三約束連接裝置(9-3)設(shè)置在所述“C”形頭枕(4)的兩端，且第二約束連接裝置(9-2 )設(shè)置在所述“ C”形頭枕(4 )的中間。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的頭頸部損傷防護裝置，其特征在于所述限力器組(5)由第一限力器(5-1)、第二限力器(5-2)和第三限力器(5-3)組成，所述約束繩索組(3)由第一約束繩索(3-1 )、第二約束繩索(3-2 )和第三約束繩索(3-3 )組成，所述約束連接裝置組(9 ) 由第一約束連接裝置(9-1)、第二約束連接裝置(9-2)和第三約束連接裝置(9-3)組成，且所述預(yù)緊裝置組(6 )由第一預(yù)緊裝置(6-1)、第二預(yù)緊裝置(6-2 )和第三預(yù)緊裝置(6-3 )組成，其中所述第一約束繩索(3-1)穿過所述第一約束連接裝置(9-1)后一端連接所述第一限力器(5-1)，另一端連接所述第一預(yù)緊裝置(6-1)；所述第二約束繩索(3-2)穿過所述第二約束連接裝置(9-2)后一端連接所述第二限力器(5-2)，另一端連接所述第二預(yù)緊裝置 (6-2 )；所述第三約束繩索(3-3 )穿過所述第三約束連接裝置(9-3 )后一端連接所述第三限力器(5-3 )，另一端連接所述第三預(yù)緊裝置(6-3 )。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頭頸部損傷防護裝置，其特征在于所述加速度傳感器(7)選用測量三維加速度的傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頭頸部損傷防護裝置，其特征在于在所述高G載荷狀態(tài)下， 合加速度大于或者等于4g，其中g(shù)為重力加速度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種頭頸部損傷防護裝置，屬于飛行防護領(lǐng)域。該裝置包括頭盔和座椅，頭盔上固定有約束繩索組，座椅的頂部設(shè)置有“C”形頭枕，約束繩索組穿過約束連接裝置組與限力器組連接，加速度傳感器的輸出端連接控制器的輸入端且控制器的輸出端連接限力器組的輸入端連接。當(dāng)加速度傳感器檢測到高G載荷狀態(tài)時，控制器控制限力器組動作，向內(nèi)拉動所述約束繩索組，以約束頭盔，避免駕駛員頭頸部損傷；當(dāng)加速度傳感器檢測到高G載荷狀態(tài)解除時，控制器控制所述限力器組動作，解除向內(nèi)拉動約束繩索組，以解除對頭盔的約束，避免影響駕駛舒適度。
文檔編號B64G1/60GK102407943SQ20111030644
公開日2012年4月11日 申請日期2011年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月11日
發(fā)明者尹志勇, 楊光瑜, 王正國, 王立軍, 趙輝, 陳蓉 申請人:中國人民解放軍第三軍醫(yī)大學(xué)野戰(zhàn)外科研究所