CN102407943B - 头颈部损伤防护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种头颈部损伤防护装置，属于飞行防护领域。该装置包括头盔和座椅，头盔上固定有约束绳索组，座椅的顶部设置有“C”形头枕，约束绳索组穿过约束连接装置组与限力器组连接，加速度传感器的输出端连接控制器的输入端且控制器的输出端连接限力器组的输入端连接。当加速度传感器检测到高G载荷状态时，控制器控制限力器组动作，向内拉动所述约束绳索组，以约束头盔，避免驾驶员头颈部损伤；当加速度传感器检测到高G载荷状态解除时，控制器控制所述限力器组动作，解除向内拉动约束绳索组，以解除对头盔的约束，避免影响驾驶舒适度。

Description

头颈部损伤防护装置

技术领域

本发明涉及一种头颈部损伤防护装置，尤其是一种适用于飞行员和航天员的头颈部损伤防护装置。

背景技术

颈部损伤在飞行员中较为常见。国外职业飞行员的颈部损伤发生率高达85.5%；据调查，我军73.9％的飞行员曾经历过颈部损伤，认为颈部损伤影响飞行训练的飞行员占47.1%。已报道颈部损伤包括颈椎骨折、韧带撕裂、椎间盘退变、椎间盘突出和颈肌拉伤等，个人主诉主要表现为颈部不适、颈部疼痛。

飞机性能越好，其飞行员越会承受较高的G载荷。美国高性能战斗机飞行员有50~70%在飞行中感到颈部疼痛，并有迹象表明其发展成进行性颈椎关节炎的趋势在上升。F-16战机飞行员飞行1年发生颈部损伤的发生率为56.6%，我国歼-8飞行员颈部疼痛率明显高于其它机种飞行员。迄今国内外航空界都还未有效地解决飞行员颈部损伤的防护问题。随着飞机机动性能的逐步提高，飞行员颈部损伤的发生率将显著提高，颈部必将成为高性能飞机人-机-环境中的薄弱环节。因此研制用于颈部损伤的防护装置对预防高性能飞机飞行员或航天员的颈部损伤有着重要意义。

研究表明，颈部过度伸长、肌肉过度收缩、颈椎管压力脉冲和剪切与轴向压缩作用等因素都可能是导致颈部损伤的力学机制。颈肌的拉伤与G增加率成正比，高G载荷引起飞行员头颈部过度前曲，颈肌拉伸率超过其限值就会导致颈肌拉伤；韧带撕裂与高G值、颈肌疲劳或受伤以及头颈部的位置不正确有关。在高G值和高G增长率条件下，作用于颈椎的力矩增大，当作用于椎骨的应力超过其耐限时，颈椎就会导致骨折。骨折部位多发生在C₅、C₆、C₇的前缘。当存在高G值或重复的较小G值作用时，椎间盘内压增大，可能引起上下软骨终板损伤，以至其渗透能力下降，使得供给髓核的营养不足，就导致椎间盘提早发生退变。退变的椎间盘弹性降低，其承载能力亦下降。扭转是导致纤维环断裂的主要原因。在髓核压力的作用下，纤维环断裂的部位就容易出现椎间盘突出症。急性椎间盘突出的出现一般有两个条件：一个是承受高G载荷，另一个是在承受高G载荷时飞行员有头部扭转动作。

研究还表明，头脚向加速度（Gz）未达到4g时一般不会出现颈部疼痛，大于4g则颈部损伤率逐渐增加。Jones等人的研究发现，Gz超过5g时头部转动时会出现颈椎疼痛。还需要指出的是，长期反复的低G载荷作用会引起颈部损伤，其系累计性损伤所致。汽车工业界则是根据上颈部和下颈部之间的相对加速度（a_rel）和相对速度（v_rel）制定了颈部损伤标准NIC（Neck Injury Criterion）。

NIC反映了头部和躯干之间的相对运动幅度，主要用于评估腹背向加速度（Gx）载荷。大量颈部耐冲击试验得出下列损伤阈值：                                                

弯曲扭矩：190 N·m，外翻扭矩：57 N·m；轴向拉力：3300 N（峰值），轴向压力：4000 N（峰值）；

轴向剪力：3100 N（峰值）。Liu等提出了预测颈部损伤的颈部损伤因子N_ij，并以不可忍受的颈部疼痛为限，制定了颈部运动范围和允许作用载荷：

前屈 ɑ=610~770，M=190Nm；

后伸 ɑ=600~760，M=68Nm。另有其他一些指标用于损伤评估：例如，颈部剪切/伸长力、力矩、Nkm、LNL等。

迄今为止，各国主要从以下几方面来防护高G载荷对飞行员颈部的损伤：

根据人体对加速度冲击的耐受区间制定相应的标准，如美国的“人-系统整合标准（Man-Systems Integration Standard）”、我国的《航天安全指南》；

严格选拔和常规体检标准，如限制颈椎小关节功能紊乱、颈椎活动首入选，关注飞行员颈部的轻微损伤，以防积累成严重的慢性颈椎病；

改善座舱功效学环境，优化乘员约束系统，使座舱符合生物工程学设计，达到安全、高效和舒适，如优化头盔、调整座椅的后倾角以及设计头颈部支持装置等；

完善飞行员操作规程，避免因颈部活动不当而导致的损伤；

根据颈部运动的生物力学特点将常规锻炼和特殊训练相结合，如美军制定了一套专门针对F-16战机的颈部训练方案。

目前，汽车工业的防颈部损伤装置在颈部挥鞭伤的防护方面应用较广泛，并可检索到大量文献或专利。需要指出的是，汽车工业中的挥鞭伤防护装置多是针对汽车被追尾而研制的，主要是解决乘员因突然加速而导致的颈部损伤问题，但飞行员的颈部损伤除起飞过程中的高加速外，也有着陆过程中的高减速度，还有飞行作业过程中的各种姿势变化，因此现有颈部损伤防护装置还不能解决飞行员颈部损伤的防护问题。另外，我国飞行员体型显著区别于欧美人种，以欧美人种体型（数字或物理假人）来研究颈部损伤，并以此优化飞行器的座舱结构和乘员约束系统，显然不能有效解决我国飞行员的颈部损伤防护问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种头颈部损伤防护装置，可以在高G载荷状态时，控制驾驶员的头颈部运动，以避免驾驶员头颈部损伤，并且在正常行驶状态时，解除驾驶员头颈部的约束，以免影响驾驶舒适度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种头颈部损伤防护装置，包括头盔和座椅，其特征在于：所述头盔上固定有约束绳索组，所述座椅的顶部设置有“C”形头枕，所述约束绳索组穿过约束连接装置组与限力器组连接，加速度传感器的输出端连接控制器的输入端且控制器的输出端连接所述限力器组的输入端连接；

当所述加速度传感器检测到高G载荷状态时，所述控制器控制所述限力器组动作，阻止所述约束绳索组向外拉动，以约束所述头盔；当所述加速度传感器检测到所述高G载荷状态解除时，所述控制器控制所述限力器组动作，解除对所述约束绳索组的阻止，以解除对所述头盔的约束。

所述约束绳索组穿过所述约束连接装置组还与预紧装置组连接，用于在正常行驶状态时向所述约束绳索组提供预紧力，使其处于紧张状态。

所述座椅的靠背内安装有高度调节机构，用于根据驾驶员的身高调整所述座椅的高度。

所述约束连接装置组设置在所述“C”形头枕上，且所述约束连接装置组由三个约束连接装置组成，其中第一约束连接装置和第三约束连接装置设置在所述“C”形头枕的两端，且第二约束连接装置设置在所述“C”形头枕的中间。

所述限力器组由第一限力器、第二限力器和第三限力器组成，所述约束绳索组由第一约束绳索、第二约束绳索和第三约束绳索组成，所述约束连接装置组由第一约束连接装置、第二约束连接装置和第三约束连接装置组成，且所述预紧装置组由第一预紧装置、第二预紧装置和第三预紧装置组成，其中所述第一约束绳索穿过所述第一约束连接装置后一端连接所述第一限力器，另一端连接所述第一预紧装置；所述第二约束绳索穿过所述第二约束连接装置后一端连接所述第二限力器，另一端连接所述第二预紧装置；所述第三约束绳索穿过所述第三约束连接装置后一端连接所述第三限力器，另一端连接所述第三预紧装置。

所述加速度传感器选用测量三维加速度的传感器。

在所述高G载荷状态下，合加速度大于或者等于4g，其中g为重力加速度。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、将头盔通过约束绳索与限力器组连接，加速度传感器检测到高G飞行状态时，控制器控制限力器组动作，阻止向外继续拉动约束绳索，防止飞行员在高G载荷状态时头颈部损伤，并且加速度传感器检测到高G载荷状态解除时，控制器控制限力器组控制限力器动作，解除对头盔的约束，以免影响驾驶舒适度；

2、采用预紧装置，用于在正常行驶状态向约束绳索组提供预紧力，加快了实现驾驶员头颈部约束的响应时间，并放置多条绳索的相互缠绕；

3、采用高度调节机构，可以根据飞行员的身高调整座椅的高度，使得驾驶员在正常坐姿下，固定在头盔上的约束绳索与“C”形头枕上的约束连接装置保持在同一水平高度，以使对头颈部的约束效果更加明显；

4、分别采用三个约束连接装置、三个限力器和三个预紧装置，且三个约束连接装置分别设置在“C”形头枕的两端和中部，合理地从三个方向约束头盔，合理地解决了正常飞行过程中飞行员头颈部的正常移动，又有效地避免了高G载荷状态时飞行员头部出现旋转加速或侧向运动；

5、三维加速度的传感器可以检测到a_x、a_y和a_z向的加速度值，只要合加速度G（）大于4g，控制器就会控制限力器组约束驾驶员的头颈部。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的结构原理图；

图2是本发明中第一实施例的结构原理图；

图3是本发明的工作流程图；

图4是加速度传感器的结构示意图；

图5是约束连接装置的结构示意图。

图中标记：1为头盔，3为约束绳索，4为“C”形头枕，5为限力器组，5-1为第一限力器，5-2为第二限力器，5-3为第三限力器，6为预紧装置组，6-1为第一预紧装置，6-2为第二预紧装置，6-3为第三预紧装置，7为加速度传感器，8为控制器，9为约束连接装置组，9-1为第一约束连接装置，9-2为第二约束连接装置，9-3为第三约束连接装置。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，该头颈部损伤防护装置包括头盔1、座椅2、约束绳索组3、 “C”形头枕4、限力器组5、预紧装置组6、加速度传感器7、控制器8、约束连接装置组9和高度调节机构10，其中头盔1上固定有约束绳索组3（头盔1与约束绳索组3的固定方式可以采用挂钩方式，即在约束绳索的一端设置挂钩，头盔上设置有连接钩），座椅2的顶部设置有“C”形头枕4，约束绳索组3穿过约束连接装置组9分别与限力器组5、预紧装置组6连接，加速度传感器7的输出端连接控制器8的输入端，控制器8的输出端连接限力器组5的输入端连接。当加速度传感器7检测到处于正常行驶状态时，预紧装置组6向约束绳索组3提供预紧力，使得约束绳索组3一直处于紧张状态，在正常行驶过程中驾驶员的头颈部可以自由活动，在由正常行驶状态转换为高G载荷状态时加快了实现驾驶员头颈部约束的响应时间；当加速度传感器7检测到高G载荷状态（即合加速度大于或者等于4g，其中g为重力加速度）时，控制器8控制限力器组5动作，阻止向外拉动约束绳索组3，从而约束头盔1，防止驾驶员在高G载荷状态时头颈部损伤；当加速度传感器7检测到高G载荷状态解除（即合加速度小于4g）时，控制器8控制限力器组5动作，解除对约束绳索组3的阻止，从而解除对头盔1的约束，以免影响驾驶舒适度。当然，在高G载荷状态下，根据不同的防护目的，可以设定不同的合加速度限值，诸如3g、5g等，其中g表示重力加速度。另外，当设置三个加速度传感器来分别检测X轴、Y轴和Z轴方向的加速度时，控制器采集各方向的加速度，并且计算出合加速度 

，其中表示X轴方向的加速度，

表示Y轴方向的加速度，且

表示Z轴方向的加速度。 

由于预紧装置已经广泛应用于汽车安全带等领域，且限力器为通用的装置，因此在此不对预紧装置和限力器的具体结构予以累述。另外，预紧装置组、限力器组、控制器可以安装在整个头颈部损伤防护装置的任何位置上，诸如设置在座椅的靠背内、座椅的底板上等。

在座椅2的靠背内安装有高度调节机构10，用于根据飞机驾驶员的身高调整座椅的高度，使得驾驶员在正常坐姿下，固定在头盔上的约束绳索与“C”形头枕上的约束连接装置保持在同一水平高度，以使对头颈部的约束效果更加明显。高度调节机构在调整座椅方面已经有所应用，此处不对高度调节机构10的具体安装方式做详细描述。

上述约束绳索组3、限力器组5、预紧装置组6和约束连接装置组9中组件数量可以根据实际需求任意调整。在本发明的第一实施例中，如图2所示，约束绳索组3由三条绳索组成，对应地，限力器组5由三个限力器组成，预紧装置组6由三个预紧装置组成，约束连接装置组9由三个约束连接装置组成。头盔1上固定连接有约束绳索组3，其中第一约束绳索3-1穿过第一约束连接装置9-1分别与第一限力器5-1、第一预紧装置6-1连接，第二约束绳索3-2穿过第二约束连接装置9-2分别与第二限力器5-2、第二预紧装置6-2连接，且第三约束绳索3-3穿过第三约束连接装置9-3分别与第三限力器5-3、第三预紧装置6-3连接。加速度传感器7选用可以测量三维加速度的传感器，控制器8的输出端分别与第一限力器5-1、第二限力器5-2和第三限力器5-3连接，且第一约束连接装置9-1和第三约束连接装置9-3设置在所述“C”形头枕4的两端，且第二约束连接装置9-2设置在所述“C”形头枕4的中间。当加速度传感器7检测到处于正常行驶状态时，第一预紧装置6-1、第一预紧装置6-2和第一预紧装置6-3分别向第一约束绳索3-1、第二约束绳索3-2和第三约束绳索3-3提供预紧力，使得三个方向上均处于紧张状态。当加速度传感器7检测到高G载荷状态（即检测到合加速度超过4g，其中g表示重力加速度）时，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动作，分别阻止向外拉动第一约束绳索3-1、第二约束绳索3-2和第三约束绳索3-3，以从三个方向上约束头盔，不仅可以防止驾驶员的头颈部前后运动，还可以防止驾驶员的头颈部左右运动。当加速度传感器7检测到高G载荷状态解除时，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动作，解除对第一约束绳索3-1、第二约束绳索3-2和第三约束绳索3-3的阻止，以解除头盔1的约束。

如图3所示，本发明中头颈部损伤防护的控制方法由以下步骤组成：

S1、系统初始化，当加速度传感器7采集加速度数据且计算得出合加速度，判断合加速度是否超过4g，如果判定超过4g则表示行驶加速度过载，控制器8控制限力器5动作，阻止约束绳索向外拉动，约束头盔1；如果判定未超过4g，则继续采集加速度数据；

S2、控制器8再次判断合加速度是否超过4g，如果判定超过4g则表示行驶加速度过载，控制器8继续控制限力器5动作，约束头盔；如果判定未超过4g，控制器8控制限力器5动作，解除头盔约束。

该加速度传感器7选用测量三维加速度的传感器，其可以是整体的三维加速度传感器，诸如应变式全剪切三维加速度传感器等，也可以是将三个传感器分别组合在测试块的表面上，从而实现三维加速度测量，如图4所示。

如图5所示，约束绳索绕过约束连接装置，一端与预紧装置连接，另一端与限力器连接。如果不采用约束连接装置，则必须要求限力器组、预紧装置组与约束绳索在同一水平高度，才能实现约束绳索的拉伸。本发明可以采用杠杆、滑轮等作为约束连接装置。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种头颈部损伤防护装置，包括头盔（1）和座椅，其特征在于：所述头盔（1）上固定有约束绳索组（3），所述座椅的顶部设置有“C”形头枕（4），所述约束绳索组（3）穿过约束连接装置组（9）与限力器组（5）连接，加速度传感器（7）的输出端连接控制器（8）的输入端且控制器（8）的输出端连接所述限力器组（5）的输入端连接；

当所述加速度传感器（7）检测到高G载荷状态时，所述控制器（8）控制所述限力器组（5）动作，阻止所述约束绳索组（3）向外拉动，以约束所述头盔（1）；当所述加速度传感器（7）检测到所述高G载荷状态解除时，所述控制器（8）控制所述限力器组（5）动作，解除对所述约束绳索组（3）的阻止，以解除对所述头盔（1）的约束；

所述加速度传感器（7）设置为三个加速度传感器来分别检测X轴、Y轴和Z轴方向的加速度时，控制器采集各方向的加速度，并且计算出合加速度其中a_x表示X轴方向的加速度，a_y表示Y轴方向的加速度，且a_z表示Z轴方向的加速度，将三个加速度传感器分别组合在测试块的表面上，从而实现三维加速度测量；

所述约束绳索组（3）穿过所述约束连接装置组（9）还与预紧装置组（6）连接，用于在正常行驶状态时向所述约束绳索组（3）提供预紧力，使其处于紧张状态；

所述限力器组（5）由第一限力器（5-1）、第二限力器（5-2）和第三限力器（5-3）组成，所述约束绳索组（3）由第一约束绳索（3-1）、第二约束绳索（3-2）和第三约束绳索（3-3）组成，所述约束连接装置组（9）由第一约束连接装置（9-1）、第二约束连接装置（9-2）和第三约束连接装置（9-3）组成，且所述预紧装置组（6）由第一预紧装置（6-1）、第二预紧装置（6-2）和第三预紧装置（6-3）组成，其中所述第一约束绳索（3-1）穿过所述第一约束连接装置（9-1）后一端连接所述第一限力器（5-1），另一端连接所述第一预紧装置（6-1）；所述第二约束绳索（3-2）穿过所述第二约束连接装置（9-2）后一端连接所述第二限力器（5-2），另一端连接所述第二预紧装置（6-2）；所述第三约束绳索（3-3）穿过所述第三约束连接装置（9-3）后一端连接所述第三限力器（5-3），另一端连接所述第三预紧装置（6-3）。

2.根据权利要求1所述的头颈部损伤防护装置，其特征在于：所述座椅的靠背内安装有高度调节机构，用于根据驾驶员的身高调整所述座椅的高度。

3.根据权利要求1所述的头颈部损伤防护装置，其特征在于：所述约束连接装置组（9）设置在所述“C”形头枕（4）上，且所述约束连接装置组（9）由三个约束连接装置组成，其中第一约束连接装置（9-1）和第三约束连接装置（9-3）设置在所述“C”形头枕（4）的两端，且第二约束连接装置（9-2）设置在所述“C”形头枕（4）的中间。

4.根据权利要求1所述的头颈部损伤防护装置，其特征在于：所述加速度传感器（7）选用测量三维加速度的传感器。

5.根据权利要求1所述的头颈部损伤防护装置，其特征在于：在所述高G载荷状态下，合加速度大于或者等于4g，其中g为重力加速度。

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