CN107715438B - 一种护具、护具的运行控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种护具、护具的运行控制方法及装置，以为人体提供兼顾防护性与穿戴舒适性的保护。护具包括可穿戴支撑本体，以及设置在可穿戴支撑本体上的柔性抗冲击垫、相变控制装置、加速度传感器和控制芯片，其中：柔性抗冲击垫，用于包裹在人体穿戴部位的受保护区，且内部填充有液态金属；相变控制装置，用于在开启时冷却柔性抗冲击垫内的液态金属为固相态；控制芯片，与相变控制装置和加速度传感器分别电连接，用于当判定人体未跌落时，关闭相变控制装置，及当判定人体跌落时，开启相变控制装置。

Description

一种护具、护具的运行控制方法及装置
技术领域
本发明涉及运动装备技术领域，特别是涉及一种护具、护具的运行控制方法及装置。
背景技术
护具能够保护人体关键部位在运动中免受或少受伤害。根据在人体穿戴部位的不同，护具的类型包括护膝、护腕、护肘和护踝等等。
以现有轮滑护膝为例，为避免或减少膝盖在摔倒时受到的伤害，护膝通常采用较硬的高强度材质，以提高抗冲击性能。然而，这也导致人体膝盖部位的舒适感较差，并且无法施展更灵活的运动；如若将护膝设计的较为柔软，又不能起到很好的防护作用，失去了其作为护具的意义。
目前常见的护具，大都存在上述防护性与穿戴舒适性不能兼顾的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供一种护具、护具的运行控制方法及装置，以为人体提供兼顾防护性与穿戴舒适性的保护。
本发明实施例提供了一种护具，包括可穿戴支撑本体，以及设置在可穿戴支撑本体上的柔性抗冲击垫、相变控制装置、加速度传感器和控制芯片，其中：
柔性抗冲击垫，用于包裹在人体穿戴部位的受保护区，且内部填充有液态金属；
相变控制装置，用于在开启时冷却柔性抗冲击垫内的液态金属为固相态；
控制芯片，与相变控制装置和加速度传感器分别电连接，用于当判定人体未跌落时，关闭相变控制装置，及当判定人体跌落时，开启相变控制装置。
人体穿戴本发明实施例提供的护具运动时，如果发生跌落，相变控制装置可在跌落瞬间冷却柔性抗冲击垫内的液态金属为固相态，从而为人体穿戴部位提供保护，防护性较佳；而当人体处于安全运动状态时，柔性抗冲击垫内的液态金属可以使柔性抗冲击垫保持较好的柔性，穿戴舒适性较佳。因此，本发明实施例提供的护具可以为人体提供兼顾防护性与穿戴舒适性的保护。
优选的，护具还包括：设置在可穿戴支撑本体上的加热电路，用于在开启时维持柔性抗冲击垫内的液态金属的液相态；控制芯片，还与加热电路电连接，用于当判定人体未跌落时，开启加热电路，及当判定人体跌落时，关闭加热电路。
采用该技术方案，当人体未跌落时，加热电路处于开启状态，从而可以稳定维持柔性抗冲击垫内的液态金属的液相态，液态金属的相态不受环境温度的影响，护具总能提供较佳的穿戴舒适性。
可选的，所述相变控制装置包括半导体制冷片或制冷循环系统。
优选的，所述柔性抗冲击垫的材质为聚二甲基硅氧烷。
可选的，所述柔性抗冲击垫为注塑成型或者3D打印成型。
优选的，所述柔性抗冲击垫内具有流道，所述液态金属填充于所述流道内。
可选的，所述流道呈网状，或者，所述流道包括多个沿柔性抗冲击垫厚度方向设置的弹簧状子流道。
采用该设计，液态金属在柔性抗冲击垫内的分布较为均匀，不但能够在人体未跌落时提供更佳的穿戴舒适感，而且在人体跌落时，能够提供均匀、全面的高强度防护。此外，当流道设计为包括多个沿柔性抗冲击垫厚度方向设置的弹簧状子流道时，如果人体跌落，弹簧状子流道内的液态金属会转变为固相态，具有一定的弹性，可以起到一定的缓冲减震作用，从而进一步提高了护具的防护性能。
可选的，所述液态金属的成分包括以下中的至少一种：Ga；Ga67In20.5Sn12.5；Ga75.5In24.5；Ca61In25Sn13Zn1。
较佳的，所述柔性抗冲击垫至少为两片，分别用于包裹在人体穿戴部位的不同受保护区，每片柔性抗冲击垫与一相变控制装置对应设置；控制芯片，与每一相变控制装置电连接，用于当判定人体跌落时，根据加速度传感器的检测数据确定待启用的柔性抗冲击垫；并开启所述待启用的柔性抗冲击垫对应的相变控制装置。
采用该设计，控制芯片可根据人体穿戴部位的跌落碰撞区域启用相应的柔性抗冲击垫，其它柔性抗冲击垫则可以继续维持柔性状态，相比前述方案，可以进一步提升穿戴的舒适感。
可选的，所述护具包括护膝、护腕、护肘或护踝。
本发明实施例还提供一种护具的运行控制方法，包括：
获取加速度传感器的检测数据；
根据加速度传感器的检测数据，判断人体是否处于跌落状态；
当判定人体未跌落时，关闭相变控制装置；
当判定人体跌落时，开启相变控制装置，使相变控制装置冷却柔性抗冲击垫内的液态金属为固相态。
优选的，所述运行控制方法还包括：
当判定人体未跌落时，开启加热电路，使加热电路维持柔性抗冲击垫内的液态金属的液相态；
当判定人体跌落时，关闭加热电路。
较佳的，当柔性抗冲击垫至少为两片，分别用于包裹在人体穿戴部位的不同受保护区，且每片柔性抗冲击垫与一相变控制装置对应设置时，所述运行控制方法具体包括：
当判定人体跌落时，根据加速度传感器的检测数据，确定待启用的柔性抗冲击垫；
开启所述待启用的柔性抗冲击垫对应的相变控制装置。
采用上述实施例护具的运行控制方法，如果发生跌落，相变控制装置可及时冷却柔性抗冲击垫内的液态金属为固相态，从而为人体穿戴部位提供保护，防护性较佳；而当人体处于安全运动状态时，柔性抗冲击垫内的液态金属可以使柔性抗冲击垫保持较好的柔性，穿戴舒适性较佳。因此，本发明实施例提供的护具可以为人体提供兼顾防护性与穿戴舒适性的保护。
本发明实施例还提供一种护具的运行控制装置，包括：
获取单元，用于获取加速度传感器的检测数据；
判断单元，用于根据加速度传感器的检测数据，判断人体是否处于跌落状态；
控制单元，用于当判定人体未跌落时，关闭相变控制装置；当判定人体跌落时，开启相变控制装置，使相变控制装置冷却柔性抗冲击垫内的液态金属为固相态。
优选的，所述控制单元，还用于当判定人体未跌落时，开启加热电路，使加热电路维持柔性抗冲击垫内的液态金属的液相态；当判定人体跌落时，关闭加热电路。
较佳的，当柔性抗冲击垫至少为两片，分别用于包裹在人体穿戴部位的不同受保护区，且每片柔性抗冲击垫与一相变控制装置对应设置时:
所述控制单元，具体用于当判定人体跌落时，根据加速度传感器的检测数据，确定待启用的柔性抗冲击垫；及开启所述待启用的柔性抗冲击垫对应的相变控制装置。
采用上述实施例护具的运行控制装置，如果发生跌落，相变控制装置可及时冷却柔性抗冲击垫内的液态金属为固相态，从而为人体穿戴部位提供保护，防护性较佳；而当人体处于安全运动状态时，柔性抗冲击垫内的液态金属可以使柔性抗冲击垫保持较好的柔性，穿戴舒适性较佳。因此，本发明实施例提供的护具可以为人体提供兼顾防护性与穿戴舒适性的保护。
附图说明
图1为本发明一实施例护具示意图；
图2为本发明一实施例护具的柔性抗冲击垫示意图；
图3为本发明另一实施例护具的柔性抗冲击垫示意图；
图4为本发明另一实施例护具示意图；
图5为本发明又一实施例护具示意图；
图6为本发明一实施例护具的运行控制方法流程示意图；
图7为本发明一实施例护具的运行控制装置示意图。
附图标记：
1-可穿戴支撑本体；2-柔性抗冲击垫；3-相变控制装置；4-加速度传感器；
5-控制芯片；6-液态金属；7-加热电路；8-流道；81-弹簧状子流道；
51-获取单元；52-判断单元；53-控制单元。
具体实施方式
为能够给人体提供兼顾防护性与穿戴舒适性的保护，本发明实施例提供了一种护具、护具的运行控制方法及装置。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一实施例提供的护具，包括可穿戴支撑本体1，以及设置在可穿戴支撑本体1上的柔性抗冲击垫2、相变控制装置3、加速度传感器4和控制芯片5，其中：
柔性抗冲击垫2，用于包裹在人体穿戴部位的受保护区，且内部填充有液态金属6；
相变控制装置3，用于在开启时冷却柔性抗冲击垫2内的液态金属6为固相态；
控制芯片5，与相变控制装置3和加速度传感器4分别电连接，用于当判定人体未跌落时，关闭相变控制装置3，及当判定人体跌落时，开启相变控制装置3。
护具的具体类型不限，可以为护膝、护腕、护肘或护踝等等。根据护具的具体类型不同，可穿戴支撑本体1和柔性抗冲击垫2的具体形状、规格也不同。
可穿戴支撑本体1可以采用耐磨、透气的布料。柔性抗冲击垫2的材质可以采用聚二甲基硅氧烷(简称PDMS)，此外，柔性抗冲击垫2可以为注塑成型或者3D打印成型。其中，3D打印是快速成型技术的一种，它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属、塑料、硅胶等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。3D打印不需要为不同产品搭建不同的生产车间和生产机床，并且打印对象的形状类别不受限制，打印的精确度较高，可以大大节约原材料成本和能源。
在本发明实施例中，柔性抗冲击垫2内的液态金属6的成分可以包括以下中的至少一种：Ga；Ga67In20.5Sn12.5；Ga75.5In24.5；Ca61In25Sn13Zn1。Ga的导热系数为40.6W/m.K，Ga基合金的导热率随Ga质量分数的减小，先减小后增大，且与合金的温度有关，总体在25～40W/m.K。Ga和Ga基合金的物性参数如下表一所示，根据护具的具体应用环境，选用恰当的成分配比，可以得到熔点符合使用需求的液态金属，使护具在人体未跌落时维持柔性。
化学组分 Ga Ga<sub>67</sub>In<sub>20.5</sub>Sn<sub>12.5</sub> Ga<sub>75.5</sub>In<sub>24</sub>.5 Ca<sub>61</sub>In<sub>25</sub>Sn<sub>13</sub>Zn<sub>1</sub>
熔点(℃) 29.8 10.5 15.5 7.6
沸点(℃) 2204 ＞1300 2000 ＞900
密度(kg/m<sup>3</sup>) 6080 6360 6280 6500
电导率(Ω-<sup>1</sup>m-<sup>1</sup>) 3.7*10<sup>6</sup> 3.1*10<sup>6</sup> 3.4*10<sup>6</sup> 2.8*10<sup>6</sup>
粘度(m<sup>2</sup>/s) 3.24*10<sup>-7</sup> 2.98*10<sup>-7</sup> 2.7*10<sup>-7</sup> 7.11*10<sup>-7</sup>
表面张力(N/m) 0.7 0.533 0.624 0.5
与水的相容性 不相容 不相容 不相容 不相容
表一镓及其合金物性参数表
柔性抗冲击垫内可以设计容纳腔，以容纳液态金属。在本发明的优选实施例中，柔性抗冲击垫内具有流道，液态金属填充于流道内。这样，可以减少液态金属用量，减轻护具重量，更重要的是，液态金属也可较为均匀的分布在柔性抗冲击垫内。
如图2所示实施例，流道8可以设计呈网状；如图3所示实施例，流道也可以包括多个沿柔性抗冲击垫2厚度方向设置的弹簧状子流道81。采用这些设计，液态金属在柔性抗冲击垫2内的分布较为均匀，不但能够在人体未跌落时提供更佳的穿戴舒适感，而且在人体跌落时，能够提供均匀、全面的高强度防护。此外，当流道设计为图3所示结构时，如果人体跌落，弹簧状子流道81内的液态金属会转变为固相态，具有一定的弹性，可以起到一定的缓冲减震作用，从而进一步提高了护具的防护性能。
加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。通过测量由于重力引起的加速度，可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度，通过分析动态加速度，可以分析出设备移动的方式。由于人体在跌落过程中加速度和人体倾角会发生很大的变化，因此，可以从加速度传感器检测的信息中提取出合成加速度、加速度均值和人体倾角三个特征量基于阈值判断作为跌落及跌落方式(正摔、背摔、侧摔等)判定的依据。
人体穿戴本发明实施例提供的护具运动时，如果发生跌落，相变控制装置3可在跌落瞬间冷却柔性抗冲击垫2内的液态金属6为固相态，从而为人体穿戴部位提供保护，防护性较佳；而当人体处于安全运动状态时，柔性抗冲击垫2内的液态金属6可以使柔性抗冲击垫2保持较好的柔性，穿戴舒适性较佳。因此，本发明实施例提供的护具可以为人体提供兼顾防护性与穿戴舒适性的保护。
请参照图4所示，在本发明的该优选实施例中，护具还包括：设置在可穿戴支撑本体1上的加热电路7，用于在开启时维持柔性抗冲击垫2内的液态金属6的液相态；控制芯片5，还与加热电路7电连接，用于当判定人体未跌落时，开启加热电路7，及当判定人体跌落时，关闭加热电路7。
加热电路7可以将液态金属6加热到略高于其熔点。为了进一步提高护具在人体安全运动状态下的柔软性，加热电路7和其它电路结构优选采用柔性电路。采用该实施例技术方案，当人体未跌落时，加热电路7处于开启状态，从而可以稳定维持柔性抗冲击垫2内的液态金属6的液相态，液态金属6的相态不受环境温度的影响，护具总能提供较佳的穿戴舒适性。可参照图4所示，在一个具体实施例中，护具为滑雪专用护膝，柔性抗冲击垫2内液态金属6的熔点为25℃，由于滑雪场温度较低，环境温度不足以维持液态金属6的液相态，因此，当人体未跌落时，加热电路7处于开启状态，将液态金属6加热至略高于其熔点，以维持液态金属6的液相态；当控制芯片5判断人体跌落时，加热电路7关闭，同时开启相变控制装置3来冷却液态金属6为固相态。在较大的冲击力作用下，转变为固相态的金属可能会粉碎，不过，当人体再次进入安全运动状态时，加热电路7可以再次将金属熔化为液相态。
相变控制装置的具体类型不限。如图5所示，该实施例中，相变控制装置3包括多片半导体制冷片，这些半导体制冷片与柔性抗冲击垫内2的流道间隔设置，当人体跌落时，通过热传导为流道内的液态金属6降温，使液态金属6冷却为固相态。此外，相变控制装置也可以采用制冷循环系统，其蒸发元件包裹在流道外，当人体跌落时，通过热传导为流道内的液态金属降温，使液态金属冷却为固相态。
在本发明一实施例中，在该实施例中，柔性抗冲击垫可以设置为至少两片，分别用于包裹在人体穿戴部位的不同受保护区，每片柔性抗冲击垫与一相变控制装置对应设置；控制芯片，与每一相变控制装置电连接，用于当判定人体跌落时，根据加速度传感器的检测数据确定待启用的柔性抗冲击垫；并开启待启用的柔性抗冲击垫对应的相变控制装置。
采用该设计，控制芯片可根据人体穿戴部位的跌落碰撞区域启用相应的柔性抗冲击垫，其它柔性抗冲击垫则可以继续维持柔性状态，相比前述方案，可以进一步提升穿戴的舒适感。例如，当人体正摔时，控制芯片确定待启用的柔性抗冲击垫为膝盖正前方的那片柔性抗冲击垫，仅需控制膝盖正前方的那片柔性抗冲击垫转变为高度度抗冲击状态，膝盖两侧的柔性抗冲击垫继续维持柔性状态。
如图6所示，本发明实施例还提供一种护具的运行控制方法，包括以下步骤：
步骤101、获取加速度传感器的检测数据；
步骤102、根据加速度传感器的检测数据，判断人体是否处于跌落状态，如果是，执行步骤104，否则，执行步骤103；
步骤103、关闭相变控制装置；
步骤104、开启相变控制装置，使相变控制装置冷却柔性抗冲击垫内的液态金属为固相态。
优选的，运行控制方法还包括：
当判定人体未跌落时，开启加热电路，使加热电路维持柔性抗冲击垫内的液态金属的液相态；
当判定人体跌落时，关闭加热电路。
较佳的，当柔性抗冲击垫至少为两片，分别用于包裹在人体穿戴部位的不同受保护区，且每片柔性抗冲击垫与一相变控制装置对应设置时，运行控制方法具体包括：
当判定人体跌落时，根据加速度传感器的检测数据，确定待启用的柔性抗冲击垫；
开启待启用的柔性抗冲击垫对应的相变控制装置。
采用上述实施例护具的运行控制方法，如果发生跌落，相变控制装置可及时冷却柔性抗冲击垫内的液态金属为固相态，从而为人体穿戴部位提供保护，防护性较佳；而当人体处于安全运动状态时，柔性抗冲击垫内的液态金属可以使柔性抗冲击垫保持较好的柔性，穿戴舒适性较佳。因此，本发明实施例提供的护具可以为人体提供兼顾防护性与穿戴舒适性的保护。
如图7所示，本发明实施例还提供一种护具的运行控制装置，包括：
获取单元51，用于获取加速度传感器的检测数据；
判断单元52，用于根据加速度传感器的检测数据，判断人体是否处于跌落状态；
控制单元53，用于当判定人体未跌落时，关闭相变控制装置；当判定人体跌落时，开启相变控制装置，使相变控制装置冷却柔性抗冲击垫内的液态金属为固相态。
优选的，控制单元53，还用于当判定人体未跌落时，开启加热电路，使加热电路维持柔性抗冲击垫内的液态金属的液相态；当判定人体跌落时，关闭加热电路。
较佳的，当柔性抗冲击垫至少为两片，分别用于包裹在人体穿戴部位的不同受保护区，且每片柔性抗冲击垫与一相变控制装置对应设置时:
控制单元53，具体用于当判定人体跌落时，根据加速度传感器的检测数据，确定待启用的柔性抗冲击垫；及开启待启用的柔性抗冲击垫对应的相变控制装置。
采用上述实施例护具的运行控制装置，如果发生跌落，相变控制装置可及时冷却柔性抗冲击垫内的液态金属为固相态，从而为人体穿戴部位提供保护，防护性较佳；而当人体处于安全运动状态时，柔性抗冲击垫内的液态金属可以使柔性抗冲击垫保持较好的柔性，穿戴舒适性较佳。因此，本发明实施例提供的护具可以为人体提供兼顾防护性与穿戴舒适性的保护。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (16)

1.一种护具，其特征在于，包括可穿戴支撑本体，以及设置在可穿戴支撑本体上的柔性抗冲击垫、相变控制装置、加速度传感器和控制芯片，其中：
柔性抗冲击垫，用于包裹在人体穿戴部位的受保护区，且内部填充有液态金属；
相变控制装置，用于在开启时冷却柔性抗冲击垫内的液态金属为固相态；
控制芯片，与相变控制装置和加速度传感器分别电连接，用于当判定人体未跌落时，关闭相变控制装置，及当判定人体跌落时，开启相变控制装置。
2.如权利要求1所述的护具，其特征在于，还包括：设置在可穿戴支撑本体上的加热电路，用于在开启时维持柔性抗冲击垫内的液态金属的液相态；
控制芯片，还与加热电路电连接，用于当判定人体未跌落时，开启加热电路，及当判定人体跌落时，关闭加热电路。
3.如权利要求1所述的护具，其特征在于，所述相变控制装置包括半导体制冷片或制冷循环系统。
4.如权利要求1所述的护具，其特征在于，所述柔性抗冲击垫的材质为聚二甲基硅氧烷。
5.如权利要求1所述的护具，其特征在于，所述柔性抗冲击垫为注塑成型或者3D打印成型。
6.如权利要求1所述的护具，其特征在于，所述柔性抗冲击垫内具有流道，所述液态金属填充于所述流道内。
7.如权利要求6所述的护具，其特征在于，所述流道呈网状，或者，所述流道包括多个沿柔性抗冲击垫厚度方向设置的弹簧状子流道。
8.如权利要求1所述的护具，其特征在于，所述液态金属的成分包括以下中的至少一种：Ga；Ga67In20.5Sn12.5；Ga75.5In24.5；Ca61In25Sn13Zn1。
9.如权利要求1～8任一项所述的护具，其特征在于，所述柔性抗冲击垫至少为两片，分别用于包裹在人体穿戴部位的不同受保护区，每片柔性抗冲击垫与一相变控制装置对应设置；
控制芯片，与每一相变控制装置电连接，用于当判定人体跌落时，根据加速度传感器的检测数据确定待启用的柔性抗冲击垫；并开启所述待启用的柔性抗冲击垫对应的相变控制装置。
10.如权利要求1所述的护具，其特征在于，所述护具包括护膝、护腕、护肘或护踝。
11.一种如权利要求1～10任一项所述的护具的运行控制方法，其特征在于，包括：
获取加速度传感器的检测数据；
根据加速度传感器的检测数据，判断人体是否处于跌落状态；
当判定人体未跌落时，关闭相变控制装置；
当判定人体跌落时，开启相变控制装置，使相变控制装置冷却柔性抗冲击垫内的液态金属为固相态。
12.如权利要求11所述的运行控制方法，其特征在于，所述运行控制方法还包括：
当判定人体未跌落时，开启加热电路，使加热电路维持柔性抗冲击垫内的液态金属的液相态；
当判定人体跌落时，关闭加热电路。
13.如权利要求11或12所述的运行控制方法，其特征在于，当柔性抗冲击垫至少为两片，分别用于包裹在人体穿戴部位的不同受保护区，且每片柔性抗冲击垫与一相变控制装置对应设置时，所述运行控制方法具体包括：
当判定人体跌落时，根据加速度传感器的检测数据，确定待启用的柔性抗冲击垫；
开启所述待启用的柔性抗冲击垫对应的相变控制装置。
14.一种如权利要求1～10任一项所述的护具的运行控制装置，其特征在于，包括：
获取单元，用于获取加速度传感器的检测数据；
判断单元，用于根据加速度传感器的检测数据，判断人体是否处于跌落状态；
控制单元，用于当判定人体未跌落时，关闭相变控制装置；当判定人体跌落时，开启相变控制装置，使相变控制装置冷却柔性抗冲击垫内的液态金属为固相态。
15.如权利要求14所述的运行控制装置，其特征在于，所述控制单元，还用于当判定人体未跌落时，开启加热电路，使加热电路维持柔性抗冲击垫内的液态金属的液相态；当判定人体跌落时，关闭加热电路。
16.如权利要求14或15所述的运行控制装置，其特征在于，当柔性抗冲击垫至少为两片，分别用于包裹在人体穿戴部位的不同受保护区，且每片柔性抗冲击垫与一相变控制装置对应设置时:
所述控制单元，具体用于当判定人体跌落时，根据加速度传感器的检测数据，确定待启用的柔性抗冲击垫；及开启所述待启用的柔性抗冲击垫对应的相变控制装置。
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