CN110545686B - 具有剪切力管理的头盔 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于在头盔中使用的缓冲垫，其包括用于以传入力冲击的外壳体，当穿戴头盔时，缓冲垫设置在外壳体与头部之间，缓冲垫包括：包括柔性膜的密封囊状物；容纳在囊状物中的衬垫，所述衬垫包括可压缩构件，其具有开孔到衬垫的外部的空隙；以及囊状物的内部中的液体；其中，在未压缩时，所述衬垫吸收所述液体中的至少一些，并且在压缩时所述衬垫排出所述液体；并且其中，囊状物中的液体的体积足以允许囊状物的相反对面在缓冲垫被压缩并承受剪切力时以剪切运动相对于彼此移位，以解耦所述头盔与头部之间的剪切力。

Description

具有剪切力管理的头盔

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年十二月13日提交的美国临时申请No.62/433,551的优先权，其内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及身体冲击保护装备(比如，头盔)，并且具体地涉及一种具有在受冲击时管理剪切力和旋转力的能力的头盔。

背景技术

头盔的主要目的是保护使用者的头部免受损伤。头盔通常包括硬质外壳体和能量吸收衬里。外壳体被设计成分配力，以便接合更大体积的能量吸收衬里。衬里通常包括可压缩材料，其通过使用材料的弹性和/或可压缩特性来扭转和吸收冲击而吸收冲击能量或者通过由材料破裂来粉碎和吸收能量而吸收冲击能量。

头部损伤通常由作用在头部上的线性力和/或旋转力造成。某些类型的头部损伤，比如，颅骨破裂和颅内出血，通常是由线性加速度引起的。比如脑震荡和硬脑膜下血肿的损伤被认为是由旋转加速度引起的。传统头盔主要设计用于管理线性力，并且在管理剪切力或旋转力上不太有效。这造成了成功地减轻了与线性力相关联的损伤(比如颅骨破裂和颅内溢血)，但是在减少与旋转力或剪切力更加密切关联的损伤(比如，脑震荡)上不太成功。

已经发展并提出了旨在管理旋转运动的各种解决方案，比如，提供光滑表面材料以覆盖头盔，从而降低头盔的表面与冲击物体之间的摩擦。其它解决方案包括使用在头盔壳体与内头部抓持构件之间的低摩擦层或者在壳体与衬里之间或材料的其它层之间的由凝胶、液体或其它软材料组成的层，以允许外壳体独立于衬里或使用者的头部水平地旋转和/或滑动。

类似原理施用到用于保护其它区域的身体护具，但是特别严重的损伤通常是在头部。

发明内容

允许头盔壳体的独立旋转的至少一些传统解决方案的缺点是附加的重量，其增加了疲劳并且还可能增加头盔的惯性矩，以及其它缺点。

我们公开了一种身体护具系统(比如，头盔)，其包括能量吸收层或壳体，以及安装在其内(面向身体)侧部内的缓冲垫。缓冲垫由囊状物组成，囊状物包括柔性的液体填充的膜，其容纳可压缩且有弹性的衬垫。

在一个实施例中，衬垫具有向衬垫(比如，开孔泡沫)的外部敞开的孔或其它空隙，以在衬垫被压缩和减压时允许液体被衬垫排出和吸收。在冲击发生之前，衬垫处于膨胀位置，由此液体完全或基本上被吸收在衬垫内，并且衬垫至少部分地饱和。在冲击时，衬垫被压缩。这继而从衬垫挤压液体，然后在囊状物内围绕衬垫形成液体层，这继而增加了衬垫管理剪切力的能力。然后当从缓冲垫释放压力时，衬垫返回其膨胀的饱和状态，在该状态中它更加抵抗剪切。特性的这种组合允许头盔在正常使用期间保持舒适地安置在使用者的头部上，而不会过度旋转，但在头盔受冲击时具有增加的旋转自由度。

当被压缩时，囊状物内的自由流动的液体的存在允许囊状物的相对表面相对于彼此以剪切运动移位，从而在缓冲垫承受剪切力时有效地允许囊状物“滚动”。这允许缓冲垫在装备承受倾斜定向的冲击时使在壳体与使用者的身体之间引起的剪切力的至少一部分解耦。

缓冲垫提供以下的部分或全部的组合：

a)液体填充的囊状物比传统泡沫衬垫压缩性更小，并因此提供了改进的冲击保护，以减弱线性(径向)力。

b)在接收冲击之前，缓冲垫内的液体被吸收和/或移位到囊状物内，从而使缓冲垫的旋转移动最小化。这在使用期间改进了使用者的舒适度并稳定了头盔。

c)在接收倾斜冲击时，囊状物内的液体允许囊状物的相对侧部相对于彼此滑移，从而允许头盔的壳体相对于使用者的头部横向移动。这允许头盔在冲击时旋转以减弱施加至头部的旋转力/剪切力。因为缓冲垫中的液体层在剪切型力下形成了自由变换的滑移平面，所以发生了这种结果。

在一个方面，我们公开了一种用于安装在相对层之间的缓冲垫，包括：密封囊状物，其包括柔性膜；衬垫，其容纳在囊状物中，所述衬垫包括可压缩构件，所述可压缩构件具有向衬垫的外部敞开的空隙；以及液体，其在囊状物的内部；其中，所述衬垫在未压缩时吸收至少一些所述液体并在压缩时排出所述液体；并且其中，当缓冲垫被压缩并承受剪切力时，囊状物内的液体的体积足以允许囊状物的相对表面相对于彼此以剪切运动移位，以使所述相对层之间的剪切力解耦。

根据一个方面，囊状物包括弹性体材料，比如，热塑性聚氨酯(TPU)或聚氯乙烯(PVC)。液体可以包括油或凝胶。衬垫可以包括开孔泡沫，比如，乙烯基腈泡沫，或者可以包括闭孔泡沫。

我们进一步公开了一种头盔，其包括：外壳体和/或能量吸收层(比如刚性泡沫)；以及缓冲垫的阵列，所述缓冲垫如本文所述抵靠使用者的头部安装。

我们进一步公开了一种减弱来自传入力的冲击能量以降低对身体部位的创伤的方法，该方法包括使用身体保护系统，比如包括外壳体和/或能量吸收层以及如本文所述抵靠使用者安装的缓冲垫的阵列的头盔。在接收倾斜冲击时，在壳体或能量吸收层与使用者之间生成剪切力，剪切力由缓冲垫管理并被其减弱。

在一个实施例中，我们公开了一种身体护具系统，其包括外部冲击接收层和在所述层内部用于管理冲击外部冲击接收层的剪切力的至少一个缓冲垫，所述缓冲垫包括密封柔性囊状物，该密封柔性囊状物填充有液体并在其内包含可压缩且有弹性的固体元件，其中，固体元件构造成允许液体至少部分地围绕该元件流动。

在一个实施例中，我们公布了一种用于管理身体护具中的剪切力的缓冲垫，缓冲垫包括密封柔性囊状物，密封柔性囊状物填充有液体并在其内包含可压缩且有弹性的固体元件，其中，固体元件与囊状物的至少上部表面或下部表面分开，以允许液体至少部分地围绕该元件流动。

除非另有说明，否则本文中的方向参考指的是直立位置中的头盔和头部。此外，本文的详细描述仅旨在提供本发明的示例和代表性实施例，并且不旨在限制本发明的范围。本发明的全部范围作为整体呈现在说明书中。

附图说明

图1是头盔的侧视立面图，部分透明以示出内部结构，该头盔包括附接至头盔壳体的能量吸收缓冲垫；

图2是根据本发明的实施例的缓冲垫的透视图；

图3是图2的缓冲垫的俯视平面图；

图4是沿图3的线4-4的截面图；

图5是缓冲垫的内部衬垫部件的透视图；

图6是根据另一实施例的衬垫的俯视平面图；

图7a、7b和7c示出了沿图3的线4-4的横截面视图，示出了承受各种冲击的缓冲垫；

图8a至8h示出了缓冲垫的各种实施例的俯视平面图；

图9是根据另一个实施例的衬垫的分解图，在该实施例中衬垫被材料包裹；

图10是图9的衬垫的截面图；

图11是雪上运动头盔的透视图，其是透明的以示出内部结构；

图12是雪上运动头盔的仰视平面图；

图13是自行车头盔的透视图，其中外壳体是透明的；并且

图14是自行车头盔的仰视平面图。

具体实施方式

图1中示出了用于保护使用者的头部10的头盔100。头盔100可以被构造用于其中穿戴者可能承受冲击的基本上任何活动，包括接触运动(比如，足球和曲棍球)、骑自行车、驾驶摩托车和其它机动车运动、攀爬、骑马、雪上运动和工作头盔。

头盔100包括外壳体102，其通常(但不一定)是相对刚性的，并且可以包括聚碳酸酯、聚乙烯或其它合适材料。壳体材料及其厚度和其它参数将取决于预期使用的功能性需求。例如，雪上运动或速降自行车头盔的壳体可以包括相对厚且刚性的玻璃纤维或碳纤维层，而公路自行车头盔壳体可以包括薄的略微柔性的材料。外壳体102可以旨在单次强力冲击后报废，或者经受重复冲击。

壳体102具有用于吸收能量的内层或衬里104。衬里104可以包括可压缩材料，比如乙烯基腈、聚苯乙烯(EPS)或聚丙烯(EPP)泡沫。衬里104可以基本上排列在壳体102的整个内部表面上，或者替代地可以在结构中具有窗口或其它间隙。

缓冲垫200的阵列安装在壳体102内。缓冲垫102可以直接附接至壳体102，由此它们定位在壳体102和衬里104之间，或者替代地，缓冲垫200可以附接至衬里104的内表面以更直接地接触使用者的头部10。其它最内层衬里(比如薄织物或网状材料)可以被提供以用于使用者舒适度。

如图2至4所示，缓冲垫200包括容纳液体204和可压缩衬垫206的囊状物202。囊状物202形成密封封套，该密封封套包括高度柔性材料的片材。示例包括热塑性弹性体材料，比如，热塑性聚氨酯(TPU)或聚氯乙烯(PVC)。TPU可以具有约85A的肖氏硬度。囊状物202应该足够坚固以在宽范围的条件(比如，温度波动、正常使用期间以及冲击时的压缩、暴露于各种物质等)下使穿刺或其它泄漏的风险最小化。为了密封囊状物202，其边缘被焊接或另外地以本领域已知的坚固方式密封。例如，囊状物202的边缘可以使用粘结剂来密封以形成凸缘203。

液体204可以是油、凝胶或在宽范围的环境温度条件下保持为液相的水性液体。合适的示例包括油，优选为低粘度油，比如植物油或矿物油。合适的矿物油是结晶加油(crystal plus oil)，这是一种无气味、无味道、晶莹剔透的食品级白色矿物油。

参考图5，衬垫206是固体元件并且包括大致扁平的盘状或冰球状构造，其具有相对的上部表面和下部表面208和210。如下所述，衬垫206可以包括其它构造。

根据一个示例，衬垫206由具有弹性的可压缩材料(比如，开孔泡沫，其可以具有约20的肖氏OO硬度制成。衬垫206的敞开结构由孔口212或其它空隙提供以用于吸收液体204，并且所述孔口或空隙允许衬垫206分别在膨胀和压缩时顺序地吸收和挤压出液体204。衬垫206是高度可压缩的，由此它可以被容易地压缩至其原始厚度的小的百分比。合适的开孔泡沫材料具有相对低的密度、牢固的支撑、良好的耐用性、良好的吸震作用和振动抑制，以及抵抗通过暴露于所选择的液体204而劣化的能力。示例包括开孔乙烯基腈或聚氨酯泡沫。其它合适的泡沫包括K329或类似的低密度泡沫。

在另一个实例中，衬垫206包括可压缩的格栅结构，例如由熔合在一起的珠状物或其它单元形成的结构，其中珠状物可以单独地压缩或扭曲。该结构在珠状物之间具有空隙，当结构被减压和压缩时，所述空隙交替地保持和排出液体。例如，如图6所示，衬垫206可以包括格栅状结构，其是可压缩的以从固体构件之间的空隙/孔口212吸收或排出液体。这种类型的结构在重量轻的同时可以吸收大量液体，并且还能够快速压缩和膨胀。衬垫206的厚度、形状和材料类型可以基于液体吸收特征和冲击减弱特性的期望水平来调节。

在替代实例中，衬垫206可以包括闭孔泡沫，比如乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)泡沫，或开孔和闭孔部件的复合物。

如图7a所示，衬垫206在未被压缩时基本上填充了囊状物202的内部。衬垫206可以与囊状物202完全分离，由此它在囊状物202内自由浮动，或者替代地，衬垫206的上部表面或下部表面208或210中的至少一个可以附接至囊状物202。在衬垫206的侧部208/210中的一个或两个与囊状物202的对应的内表面之间存在间隙214。间隙214允许足够的液体204存在于衬垫206与囊状物202之间，以允许在承受剪切力时在这些部件之间容易发生滑移；理解的是，该间隙214可以非常小以仍然允许这种移动。间隙214的范围可以从略高于零到高达约1mm，或者在约1mm与约3mm之间。

在正常使用期间穿戴头盔100时，在其上任何冲击之前，衬垫206通常未被压缩或者只是轻微压缩。除非另有说明，否则本文所用的术语“未被压缩”包括在头盔的这种正常穿戴期间可能发生的少量压缩。在这种状态下，至少一部分液体并且优选地大部分液体被吸收在衬垫206内。衬垫206可以基本上被液体204饱和，由此头盔100上的冲击使大部分液体204从衬垫206中迅速地释放，由此液体204然后在囊状物202内自由流动。

如本文所使用的，术语“吸收”和类似术语是指衬垫206在物理过程中以可逆方式将液体204吸入并将液体保持在孔口212内的特性。

参考图7b和7c，在冲击时，力(F)从壳体102朝向使用者的头部10传递。该力可以以如图7b所示的向壳体102施加旋转力的方式在冲击点处以一定倾斜角度到达壳体102的表面，或者该力可以在冲击点处直接垂直于壳体102的表面，如图7c所示。在任一情况下，至少一些压缩力被施加至缓冲垫200，这首先压缩了衬垫206，同时这处于饱和状态。在这种状态下，衬垫206略微抵抗了压缩。当衬垫206被压缩时，液体204从孔口212释放到间隙214中，其通常可以在间隙中自由地流动。当液体204被释放时，它形成了液体层216，其允许囊状物202的上部部分和下部部分相对于彼此容易地滑移。以这种方式，液体204在囊状物202内从被捕获的非自由流动状态转变为自由流动状态，由此囊状物202可以容易地管理剪切力。

作用在壳体102上的倾斜的(即“带角度的”)或旋转力在缓冲垫200上生成了剪切力。根据冲击的方向，在传统头盔中形成的施加到使用者的头部10上的旋转加速度可能增加硬脑膜下血肿或脑震荡的风险。在头盔100的情形下，缓冲垫200通过将壳体102的移动与头部10分开来减弱这些旋转力，这继而允许壳体102相对于使用者的头部10旋转。壳体102上的旋转力生成了作用在缓冲垫200上的剪切力。冲击之后在缓冲垫200内生成的液体层216用作滑移平面，其允许囊状物202的相对的上部部分和下部部分相对于彼此自由地移位，有效地允许了缓冲垫200“滚动”，由此允许壳体102相对于使用者的头部的旋转自由度。可以看到，“滚动”的程度部分地基于缓冲垫200的厚度。

缓冲垫200还用于通过衬垫206的压缩以及囊状物202在压缩时的柔性和扭曲来减弱定向为径向向内地朝向使用者的头部10的中心的线性力。

在初始的冲击力被移除之后，衬垫206的弹性致使其膨胀回到其冲击前厚度，这继而将液体204再吸收到衬垫206中，如图7a所示。

按照不同应用的需要，缓冲垫200和衬垫206可以包括一定范围的构造。举例来说，如图1至4所示，缓冲垫200和衬垫206可以是椭圆的，或者如图5所示，衬垫206可以是圆盘状的。

如图8a至8h所示，缓冲垫200和衬垫206可以采用不同的构造。例如，缓冲垫200在长度上可以定范围为从约50mm至约150mm，并且在宽度上从约20mm至50mm。缓冲垫200的厚度可以部分地基于期望的偏移的程度。通常，缓冲垫200的厚度定范围为从约3至5mm，并且更优选地约4mm。通常衬垫206为约3mm至4mm，并且更优选地3mm。通常囊状物202的壁厚度为约0.5至1mm。凸缘203可以具有适于密封囊状物202的任何尺寸，并且在宽度上可以约3mm。

合适的尺寸包括，对于缓冲垫200是圆形的，可以提供具有约65mm的直径和约4mm的高度，约0.5mm的囊状物厚度，约3mm的凸缘长度，约59mm的泡沫直径和约4mm的泡沫厚度，以及约3mm的间隙距离。在该示例中，囊状物202填充有约3.0ml的植物油。在其它示例中，缓冲垫200为圆形，其具有约35mm的直径，约5mm的高度，约0.5mm的囊状物厚度，约3mm的凸缘长度，约29mm的泡沫直径，约4mm的泡沫厚度，约3mm的间隙214，以及约1.2ml的流体204。

缓冲垫200的尺寸应该可适于允许囊状物202的上部表面和下部表面之间的足够的侧向移动，以将剪切力减弱到对身体护具来说有效的程度。可以看出，不同的用途和应用将需要不同的构造和尺寸，尤其是在考虑附加需要(比如，重量限制以及头盔或其它护具的总体厚度)的时候。缓冲垫的构造可以因此优化为用于任何给定的应用。

与仅填充有液体的类似尺寸的囊状物相比，缓冲垫200的有点是减小重量。本示例估计为仅容纳液体的具有类似尺寸的囊状物的重量的约一半。

缓冲垫200可以覆盖有材料300以增强使用者的舒适度，保护囊状物202，改进与其它头盔部件的附接等。如图9和10所示，不同织物材料302和304的组合可以覆盖缓冲垫200，并且可以通过高频焊接或其它手段熔合到其上。材料300可以是天然或合成材料，比如例如，尼龙、聚酯或氨纶。

缓冲垫200可以构造成在各种身体护具装置(包括用于许多活动的头盔)中使用。缓冲垫200的数量、布置和构造将反映身体护具装置的期望特性。例如，图1、11和12示出了雪上运动头盔100中的围绕使用者的头部分布的六个缓冲垫200。缓冲垫200可以固定或可移除地固接到衬里104上，以直接或通过覆盖缓冲垫200的材料的薄层接触使用者的头部。在这种构造中，在冲击时通过倾斜力由缓冲垫200形成的滑移平面定位在使用者的头部与能量吸收衬里104之间。缓冲垫200的厚度(以及其它特性)可以被构造成与任何舒适的衬里106无缝地起作用，所述舒适的衬里可以被固接至头盔100的内部。

图13和14示出了在自行车头盔100中的五个缓冲垫200的集成。从外向内，头盔100包括外壳体102、可粉碎的刚性泡沫衬里104、可调节的颅骨抓持部108、以及缓冲垫200的阵列。缓冲垫200在头盔的前部、后部、侧部和顶部以阵列的形式定位。缓冲垫200例如，通过胶合或焊接附接至颅骨抓持部108的内表面。缓冲垫200直接或通过插入的材料的薄层(未示出)接触使用者的头部。当倾斜力冲击头盔100时，缓冲垫200在使用者的头部和颅骨抓持部108之间产生滑移平面。这样，倾斜力被施加到壳体102上，其被直接传递至衬里104和颅骨抓持部108。然而，这种倾斜(剪切/旋转)力通过缓冲垫200变得减弱，从而减小了对着使用者的头部的这些倾斜力。

如图1和11-14所示，头盔100包括定位在颅骨的周边的周围的缓冲垫200的阵列，比如，其分布在头盔的前部、后部和侧部以及顶部。可以提供替代构造，其中缓冲垫200用于维持使用者的头部与下一个头盔部件(比如，颅骨抓持部或刚性泡沫衬里)之间的间隔。

表1示出了在围绕传统头盔和根据本发明的头盔的四个位置(前部、侧部、后部、以及冠部)处的线性加速度与旋转加速度的测量结果，根据本发明的头盔包括安装在颅骨抓持部108上的四个缓冲垫200，在冠部处具有6mm缓冲垫并且在各侧部和前部处具有4mm的缓冲垫(全部都有乙烯基腈泡沫)。在表1中，与传统头盔相比，根据本发明的头盔提供了约13.9％的线性加速度的平均降低和约14.7％的旋转加速度的平均降低。

表1：

表2示出了在围绕传统头盔和根据本发明的头盔的四个位置(前部、侧部、后部、以及冠部)处的线性加速度与旋转加速度的测量结果，所述根据本发明的头盔包括安装在颅骨抓持部上的两个缓冲垫200，在冠部处具有6mm缓冲垫并且在前部处具有4mm缓冲垫(全部都有乙烯基腈泡沫)。在表2中，与传统头盔相比，根据本发明的头盔提供了约12.3％的线性加速度的平均降低和约9.4％的旋转加速度的平均降低。

表2：

表1和2的实验结果是在根据CE-1077/1078执行的测试条件下获得的。

在其它实施例中，头盔100也可以包括用于降低和/或使旋转力或剪切力重新定向的其它部件，比如，申请人的PCT申请No.PCT/CA2017/050109中公开的力重新定向缓冲垫400的类型，其内容通过引用结合于此。

本文所述的实施例仅旨在提供本发明的示例。在不脱离本发明的预期范围的情况下，可以对这些实施例进行各种改变、修改和变化。可以选择来自一个或更多个上述实施例的特征以产生包括可能未在上面明确描述的特征的子组合的替代实施例。本文描述的主题旨在涵盖并包含所有合适的技术上的变化。

Claims (16)

1.一种用于管理身体护具中的剪切力的缓冲垫，所述缓冲垫包括密封柔性囊状物，所述密封柔性囊状物填充有液体并在其内包含可压缩且有弹性的固体元件，其中，所述固体元件与所述囊状物的至少上部表面或下部表面分开，以允许所述液体至少部分地围绕所述元件流动。

2.根据权利要求1所述的缓冲垫，其中，所述液体是油。

3.根据权利要求1所述的缓冲垫，其中，所述固体元件具有小于所述液体的密度。

4.根据权利要求1所述的缓冲垫，其中，所述固体元件包括开孔泡沫或开孔格栅，由此当被压缩和减压时，所述液体从所述元件被排出和被吸收。

5.根据权利要求1所述的缓冲垫，其中，所述固体元件包括闭孔材料。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的缓冲垫，其中，所述固体元件在未被压缩时填充所述囊状物的内部。

7.一种身体护具系统，包括外部冲击接收层和至少一个根据权利要求1至6中任一项所述的缓冲垫，至少一个缓冲垫在所述层内部用于管理冲击所述外部冲击接收层的剪切力。

8.根据权利要求7所述的系统，进一步包括在所述外部冲击接收层和所述至少一个缓冲垫之间的能量吸收层。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述能量吸收层包括刚性泡沫。

10.根据权利要求7所述的系统，其中，所述外部冲击接收层包括刚性壳体。

11.根据权利要求7所述的系统，进一步包括头盔。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述头盔进一步包括内颅骨抓持部，并且所述至少一个缓冲垫定位在所述颅骨抓持部与穿戴者的头部之间。

13.根据权利要求11所述的系统，包括布置在所述头盔的前部、侧部和后部处的根据权利要求1至6中任一项所述的缓冲垫的阵列。

14.根据权利要求13所述的系统，其中所述缓冲垫的阵列包括在所述头盔的顶部处的至少一个缓冲垫。

15.根据权利要求7至14中任一项所述的系统，进一步包括至少一个力重新定向缓冲垫，所述至少一个力重新定向缓冲垫构造成在远离造成最高风险损伤的方向的方向上使冲击所述外部冲击接收层的力重新定向。

16.一种使使用者的身体与冲击在由使用者穿戴的身体护具上的角向力或旋转力解耦的方法，所述方法包括使用权利要求7至15中任一项所述的系统。

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