CN113734481A - 一种自调控式压力梯度抗荷服及调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自调控式压力梯度抗荷服及调控方法，心电贴片、血压袖带、血氧检测仪分别监测心电、血压、血氧的实时值并输入控制器，将实时值和1g重力场下的正常参考值分别一一对比，超重状态下其中任一实时值增大到正常参考值30%以上，失重状态下其中任一实时值减小到正常参考值30%以上，超重状态下使腰部加压带的加压速率保持在固定范围值内，从上到下的臀部加压带、大腿加压带、小腿加压带的加压速率相对于腰部加压带的加压速率按梯度逐渐减小，失重状态下使小腿加压带的加压速率保持在固定范围值内，从下到上的加压带的加压速率相对于小腿加压带的加压速率按梯度逐渐减小，实现对人体梯度式施压，有效克服人体各部位血流压差变化的问题。

Description

一种自调控式压力梯度抗荷服及调控方法

技术领域

本发明属于航空航天飞行人员安全防护装备技术领域，尤其涉及一种自调控式压力梯度抗荷服。

背景技术

航空航天活动是一个以人为核心的过程，在这个过程中，只有正常发挥航天员的能力才能完成预定的任务，然而在实际执行航空航天任务的过程中，作用于飞行员身体的加速度过载，会使机体表现出明显的血液动力学及生物力学特性的变化，往往远超人体的耐受极限，严重影响飞乘人员的工作状态甚至生命安全，同时也限制了航天飞行器性能的发挥。例如：当加速度值达到+4~5.5Gz左右时，飞乘人员可能产生黑视或意识丧失等反应；在加速度值达到+7~10Gz左右时，飞乘人员将会产生更加强烈的反应，如果+Gz值再进一步增加，可引起飞乘人员的立即昏厥。因此，为保证飞乘人员身体健康和人身安全，研制新型、可靠的防护装备，尤其直接用于保护人体的抗荷服势装置势在必行。

目前使用的飞行员抗荷服仍然是传统形式的抗荷服，仅包含了对机体下肢的加压单元，按加压形式可划分为囊式和管式两种。囊式抗荷服有5个气囊，其中1个腹囊、2个大腿囊和2个小腿囊，当飞行器的加速度过载值超过+1.75~2Gz时，自动启动与抗荷服连接的充气装置，通过对抗荷服充气加压来减缓血液在人体内的转移与集中，从而提升飞行员的抗过载能力，加压速率的标准约为6.65-10.32kPa/g，囊式抗荷服可提高2.0G左右的耐力，具体数值取决于它所覆盖的面积、服装设计及加压条件。管式抗荷服基本结构是使用拉伸系数小的材料制成紧身裤，在抗荷服的两侧，各有一条由踝部至腹部可以充气的侧管，当此管充气膨胀时，导压带将衣面拉紧时对肢体加压。这种抗荷服结构较复杂，单加压面积较大，压力分布均匀。经过合理设计，管式抗荷服的保护作用比囊式抗荷服更加有效，但使用较不方便。上述抗荷服均要和气源、压力控制阀配套使用，虽然能有效对抗加速度的作用，但缺点是比较笨重，透气性差，且无法根据飞乘人员的实时生理特征来进行压力调控。

为解决上述问题，中国发明专利公开号为CN110182368A的文献中公开了一种电动加压式抗荷服，在飞乘人员下肢装设由电机转动拉动束缚绳的结构，通过拉紧束缚绳的方式对飞乘人员产生持续压力，解决了现有抗荷服重量大、透气性差等问题，但其无法实现对飞乘人员的重要生理特征的实时监测与压力调控，且电动机的使用，增加了噪声对飞乘人员的影响；另外，现有抗荷服各作用部位之间仍然是恒压力，无法有效解决飞乘人员血液流动压差变化的问题，难以实现对飞乘人员的实时全面防护。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种自调控式压力梯度抗荷服以及抗荷服的压力梯度调控方法，能对飞乘人员的重要生理参数进行实时监测，对人体各作用部位实现梯度式施压，有效克服人体各部位血流压差变化的问题，实现对穿戴者的实时与全面防护。

本发明一种自调控式压力梯度抗荷服采用的技术方案是：其包括穿戴在人体身上的阻燃衣面和穿戴在双脚上的弹性袜，阻燃衣面是内外双层结构，在人体前胸和阻燃衣面内表面之间覆盖心电贴片，阻燃衣面的上腋处通过固定带连接能套在人体手臂上的血压袖带，弹性袜的大拇指套内表面固定贴在大拇趾上的血氧检测仪，人体前腹位置处的阻燃衣面外表面上固定设置显示器与控制器，所述的心电贴片、血压袖带以及血氧检测仪分别通过信号线连接显示器的输入端，显示器的输出端连接控制器的输入端；人体腰部处的阻燃衣面的内外层之间设置腰部加压带，臀部处的阻燃衣面的内外层之间设置臀部加压带，大腿部处的阻燃衣面的内外层之间设置大腿加压带，小腿部处的阻燃衣面的内外层之间设置小腿加压带；所有的加压带均采用EAP材料制成且都通过控制线连接至控制器的输出端。

本发明一种自调控式压力梯度抗荷服的调控方法采用的技术方案是具有以下步骤：

步骤A）当穿戴者处于超重环境下，心电贴片、血压袖带以及血氧检测仪分别监测穿戴者的心电、血压、血氧的实时值并输入至控制器中，控制器将实时值和预存的1g重力场下的心率、血压、血氧的正常参考值分别一一对比，当其中任一实时值增大到正常参考值30%以上时，控制器对腰部加压带、臀部加压带、大腿加压带和小腿加压带增大输出电流，使腰部加压带的加压速率保持在设定的固定范围值内，使从上到下的臀部加压带、大腿加压带、小腿加压带的加压速率相对于腰部加压带的加压速率按梯度逐渐减小；

步骤B）当穿戴者处于失重状态下，心电贴片、血压袖带以及血氧检测仪分别监测穿戴者的心电、血压、血氧的实时值并输入至控制器中，控制器将实时值和预存的1g重力场下的心率、血压、血氧的正常参考值分别一一对比，当其中任一实时值减小到正常参考值的30%以上时，控制器对腰部加压带、臀部加压带、大腿加压带和小腿加压带增大输出电流，使小腿加压带的加压速率保持在设定的固定范围值内，使从下到上的大腿加压带、臀部加压带、腰部加压带的加压速率相对于小腿加压带的加压速率按梯度逐渐减小；

步骤C）当穿戴者趋近平稳运行时，心电贴片、血压袖带以及血氧检测仪分别监测穿戴者的心电、血压、血氧的实时值并输入至控制器中，控制器将实时值和预存的1g重力场下的心率、血压、血氧的正常参考值分别一一对比，若实时值小于或等于正常参考值的30%，控制器控制腰部加压带、臀部加压带、大腿加压带、小腿加压带的压力呈2-3kPa/s的速度逐渐减小，直至全部降为0。

进一步地，步骤A）中，所述的按梯度逐渐减小的方法是：臀部加压带的加压速率为腰部加压带的加压速率的80%，大腿加压带的加压速率为腰部加压带的加压速率的60%，小腿加压带的加压速率为腰部加压带的加压速率的40%。

进一步地，步骤B）中，所述的按梯度逐渐减小的方法是：大腿加压带的加压速率为小腿加压带的加压速率的80%，臀部加压带的加压速率为小腿加压带的加压速率的60%，腰部加压带的加压速率为小腿加压带的加压速率的40%。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：

（1）本发明同时具备体征监测单元与压力调控单元，在传统抗荷服的基础上增加了体征监测单元，压力调控单元采用EAP（电活性聚合物）加压带代替传统气囊对作用部位施压，一方面能够对飞乘人员的重要生理参数进行实时监测，并通过预设的控制规则对人体各作用部位施加相应压力；另一方面，通过合理布置各部位加压带的道数，实现对人体梯度式施压，有效克服人体各部位血流压差变化的问题，从而实现对穿戴者的实时与全面防护。

（2）体征监测单元可以对穿戴者的心电、血压以及血氧参数进行实时的监控，便于观察穿戴者在超重环境下重要生理参数的变化情况。

（3）压力调控单元可通过对比预先保存的正常参数值与超重环境下体征参数值，并根据预设的对比规则来实时调控作用于人体各部位的压力值大小，实现压力调控的实时性。

（4）通过合理设置作用于人体各部位EAP加压带的道数与预设于控制器中的控制规则，在各施压部位形成了压力梯度，解决了人体血液流动的压差问题，提高了穿戴者的舒适性，进而提高人机结合的效能。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1是本发明的正视图；

图2是图1的右视图；

图3是图1中的阻燃衣面内部的大腿加压带状态放大图；

图4是图1中的臀部加压带结构图。

图中：1-尼龙搭扣；2-阻燃衣面；3-心电贴片；4-控制器；5-腰部高弹性尼龙带；6-臀部加压带；7-排线管；8-大腿加压带；9-小腿加压带；10-踝部高弹性尼龙带；11-弹性袜；12-血氧检测仪；13-前开口；14-腰部加压带；15-显示器；16-血压袖带；17-固定带。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明一种自调控式压力梯度抗荷服，包括阻燃衣面2和弹性袜11，阻燃衣面2是内外双层的衣面结构，无袖，穿戴在人体身上。弹性袜11穿戴在双脚上。阻燃衣面2的双肩处设置有尼龙搭扣1，穿戴者可根据自身体型尺寸调整松紧度与舒适度。

在穿戴者的人体前胸和阻燃衣面2内表面之间覆盖心电贴片3，用于监测穿戴者心率。阻燃衣面2的上腋处通过固定带17连接血压袖带16，血压袖带16可以套在人体手臂上，用以监测穿戴者血压。弹性袜11的右侧单只中设有独立的大拇指套，弹性袜11的大拇指套内表面固定血氧检测仪12，血氧检测仪12直接贴在大拇趾上，用以监测穿戴者血氧。人体前腹位置处的阻燃衣面2上固定设置显示器15与控制器4，显示器15和控制器4固定在阻燃衣面2外表面上。心电贴片3、血压袖带16以及血氧检测仪12分别通过信号线连接至显示器15的输入端，显示器15的输出端连接控制器4的输入端。心电贴片3、血压袖带16以及血氧检测仪12分别将监测到的穿戴者的实时心率、血压、血氧体征参数信号通过显示器15显示，并且输入控制器4中，控制器4中记录保存这些体征参数信息。

人体腰部处的阻燃衣面2外表面设置一道腰部高弹性尼龙带5，腰部高弹性尼龙带5用于调整穿戴舒适度。脚踝部处的阻燃衣面2的外表面设置一道踝部高弹性尼龙带10，方便穿脱与松紧度的调整。

人体腰部处的阻燃衣面2的内外层之间设置一道腰部加压带14，腰部加压带14位于腰部高弹性尼龙带5的上方，并且与腰部高弹性尼龙带5不接触。

人体臀部处的阻燃衣面2的内外层之间设置臀部加压带6，臀部加压带6有两道。结合图3所示，大腿部处的阻燃衣面2的内外层之间设置大腿加压带8，大腿加压带8有三道。小腿部处的阻燃衣面2的内外层之间设置小腿加压带9，小腿加压带9有四道。臀部加压带6、大腿加压带8和小腿加压带9沿上下排布，围绕一圈为一道。所有的加压带都与阻燃衣面2的内外层紧密贴合，都固定嵌在阻燃衣面2的内外层中，防止加压带与人体直接接触。

结合图4，臀部加压带6在下身正面处设置前开口13，前开口13是可以调节大小的开品，用于调整穿戴者下身舒适度。

腰部加压带14、臀部加压带6、大腿加压带8和小腿加压带9均采用EAP（电活性聚合物）材料制成，在电场作用下库仑力诱导产生电致伸缩效应，可在直流电场作用下向内产生收缩，并能通过改变输入电流的大小来控制收缩幅度，进而改变作用于肢体的压力。

所有的加压带都通过控制线连接至控制器4的输出端。当控制器4接收到显示器3中的体征参数信息后，根据其中预设的控制规则输出相应的电流至各部位的加压带，当实时监测到的人体体征参数与预先记录的数值存在差异时，控制器4可根据该控制规则自动输出相应电流至人体各部加压带上，控制加压带的压力，使各作用部位受到合适的压力，从而缓解人体体液在惯性力作用下向同侧转移的问题。

下身的阻燃衣面2左右两外侧设置排线管7，排线管7固定连接于阻燃衣面2左右两外侧面上，排线管7用于排布所有连接至加压带的控制线，防止发生碰线短路。

控制器4预先内存了穿戴者在正常1g重力场下的心率、血压、血氧体征参数，并将接收到的实时体征参数与预存的正常参考值相对比，然后根据预设的控制规则对个加压带输出相应电流，使人体各部位获得合适的压力。

由穿戴者在1G正常重力场下穿戴好抗荷服，将心电贴片3、血压袖带16以及血氧检测仪12分别调整至合适的位置，调节尼龙搭扣1、腰部高弹性尼龙带5以及踝部高弹性尼龙带10至合适的松紧度，此时将控制器4通电启动，心电贴片3、血压袖带16以及血氧检测仪12将分别监测穿戴者的心电、血压以及血氧的参数特征，并输入至显示器15中，显示器15将结果通过输入至控制器4中记录并保存。

当穿戴者处于超重环境下，心电贴片3、血压袖带16以及血氧检测仪12分别实时监测穿戴者的心电、血压以及血氧的实时值，并输入至控制器4中。控制器4按照预设的控制规则对输入的信号进行处理：将心电、血压以及血氧和预存的1g重力场下的心率、血压、血氧的正常参考值分别一一对比，相比于正常参考值，如果实时值变化呈增大趋势，当其中任一实时值增大到正常参考值30%以上时，也就是三种实时值的最大变化幅度超过30%时，控制器4增大输出电流，同时输出电流至腰部加压带14、臀部加压带6、大腿加压带8和小腿加压带9，使腰部加压带14的加压速率保持在设定的固定范围值内，本发明的最佳固定范围值为8-9kPa/g，同时，使从上到下的臀部加压带6、大腿加压带8、小腿加压带9的加压速率相对于腰部加压带14的加压速率按梯度逐渐减小，具体是：使臀部加压带6的加压速率为腰部加压带14的加压速率的80%，使大腿加压带8的加压速率为腰部加压带14的加压速率的60%，使小腿加压带9的加压速率为腰部加压带14的加压速率的40%，如此实现从上到下使加压带的加压速率逐渐减小的梯度控制。各部位的加压带上通入电流后向人体方向收缩，使各作用部位受到相应压力，从而缓解重力场中血液转移集中的问题。当监测到人体体征参数接近正常参考值时，控制器4将减小对各作用部位的电流输出，使人体各部位血液流动承受不同阻力，减小体液转移情况，进而使人体体征监测结果接近1g重力场下人体的体征参数，在维持人体体征参数处于接近正常参考值的同时，尽可能提高穿戴者的舒适度，提高穿戴者对于加速度过载的耐受性，进而提高人机结合的效能。

同理，当穿戴者处于失重状态下，同样地，心电贴片3、血压袖带16以及血氧检测仪12分别实时监测穿戴者的心电、血压、血氧的实时值并输入至控制器4中。控制器4按照预设的控制规则对输入的信号进行处理：将心电、血压以及血氧的实时值和预存的1g重力场下的心率、血压、血氧的正常参考值分别一一对比，如果心电、血压、血氧实时值呈减小趋势，当其中任一实时值减小到正常参考值的30%以上时，控制器4增大输出电流，同时输出电流至各个加压带，并使小腿加压带9的加压速率保持在设定的固定范围值内，本发明的最佳固定范围值为8-9kPa/g。同时，使从下到上的大腿加压带8、臀部加压带6、腰部加压带14的加压速率相对于小腿加压带9的加压速率按梯度逐渐减小，具体是：使大腿加压带8的加压速率为小腿加压带9的加压速率的80%，使臀部加压带6的加压速率为小腿加压带9的加压速率的60%，使腰部加压带14的加压速率为小腿加压带9的加压速率的40%，如此实现从下到上使加压带的加压速率逐渐减小的梯度控制。

当飞行器趋近平稳运行时，穿戴者也趋近平稳运行，心电贴片3、血压袖带16以及血氧检测仪12分别实时监测穿戴者的心电、血压以及血氧的实时值，控制器4将实时心电、血压以及血氧和预存的1g重力场下的心率、血压、血氧的正常参考值分别一一对比，若实时值的变化逐渐减小，直至低于或者等于正常参考值的30%时，控制器4逐渐减小输出电流，使腰部加压带14、臀部加压带6、大腿加压带8和小腿加压带9各部位加压带上的压力呈2-3kPa/s的速度逐渐减小，直至全部降为0时，实时值接近正常参考值，控制器4停止电流输出。

最后说明的是：以上实施例仅用来说明本发明的技术实施方案而非限制。对本发明的技术方案进行修改或等同替换、不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种自调控式压力梯度抗荷服，包括穿戴在人体身上的阻燃衣面（2）和穿戴在双脚上的弹性袜（11），其特征是：阻燃衣面（2）是内外双层结构，在人体前胸和阻燃衣面（2）内表面之间覆盖心电贴片（3），阻燃衣面（2）的上腋处通过固定带（17）连接能套在人体手臂上的血压袖带（16），弹性袜（11）的大拇指套内表面固定贴在大拇趾上的血氧检测仪（12），人体前腹位置处的阻燃衣面（2）外表面上固定设置显示器（15）与控制器（4），所述的心电贴片（3）、血压袖带（16）以及血氧检测仪（12）分别通过信号线连接显示器（15）的输入端，显示器（15）的输出端连接控制器（4）的输入端；人体腰部处的阻燃衣面（2）的内外层之间设置腰部加压带（14），臀部处的阻燃衣面（2）的内外层之间设置臀部加压带（6），大腿部处的阻燃衣面（2）的内外层之间设置大腿加压带（8），小腿部处的阻燃衣面（2）的内外层之间设置小腿加压带（9）；所有的加压带均采用EAP材料制成且都通过控制线连接至控制器（4）的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种自调控式压力梯度抗荷服，其特征是：所有的加压带都与阻燃衣面（2）的内外层紧密贴合，腰部加压带（14）有一道，臀部加压带（6）有两道，大腿加压带（8）有三道，小腿加压带（9）有四道。

3.根据权利要求1所述的一种自调控式压力梯度抗荷服，其特征是：阻燃衣面（2）是无袖衣面，双肩处设置有尼龙搭扣（1），腰部处的阻燃衣面（2）外表面设置一道腰部高弹性尼龙带（5），脚踝部处的阻燃衣面（2）外表面设置一道踝部高弹性尼龙带（10）。

4.根据权利要求3所述的一种自调控式压力梯度抗荷服，其特征是：腰部加压带（14）位于腰部高弹性尼龙带（5）的上方且与腰部高弹性尼龙带（5）不接触。

5.根据权利要求1所述的一种自调控式压力梯度抗荷服，其特征是：臀部加压带（6）在下身正面处设置前开口（13）。

6.根据权利要求1所述的一种自调控式压力梯度抗荷服，其特征是：下身的阻燃衣面（2）左右两外侧固定连接排线管（7）。

7.一种如权利要求1所述的抗荷服的调控方法，其特征是具有以下步骤：

步骤A）当穿戴者处于超重状态下，心电贴片（3）、血压袖带（16）以及血氧检测仪（12）分别监测穿戴者的心电、血压、血氧的实时值并输入至控制器（4）中，控制器（4）将实时值和预存的1g重力场下的心率、血压、血氧的正常参考值分别一一对比，当其中任一实时值增大到正常参考值30%以上时，控制器（4）对腰部加压带（14）、臀部加压带（6）、大腿加压带（8）和小腿加压带（9）增大输出电流，使腰部加压带（14）的加压速率保持在设定的固定范围值内，使从上到下的臀部加压带（6）、大腿加压带（8）、小腿加压带（9）的加压速率相对于腰部加压带（14）的加压速率按梯度逐渐减小；

步骤B）当穿戴者处于失重状态下，心电贴片（3）、血压袖带（16）以及血氧检测仪（12）分别监测穿戴者的心电、血压、血氧的实时值并输入至控制器（4）中，控制器（4）将实时值和预存的1g重力场下的心率、血压、血氧的正常参考值分别一一对比，当其中任一实时值减小到正常参考值的30%以上时，控制器（4）对腰部加压带（14）、臀部加压带（6）、大腿加压带（8）和小腿加压带（9）增大输出电流，使小腿加压带（9）的加压速率保持在设定的固定范围值内，使从下到上的大腿加压带（8）、臀部加压带（6）、腰部加压带（14）的加压速率相对于小腿加压带（9）的加压速率按梯度逐渐减小；

步骤C）当穿戴者趋近平稳运行时，心电贴片（3）、血压袖带（16）以及血氧检测仪（12）分别监测穿戴者的心电、血压、血氧的实时值并输入至控制器（4）中，控制器（4）将实时值和预存的1g重力场下的心率、血压、血氧的正常参考值分别一一对比，若实时值小于或等于正常参考值的30%，控制器（4）控制腰部加压带（14）、臀部加压带（6）、大腿加压带（8）、小腿加压带（9）的压力呈2-3kPa/s的速度逐渐减小，直至全部降为0。

8.根据如权利要求7所述的抗荷服的调控方法，其特征是：步骤A）中，所述的按梯度逐渐减小的方法是：臀部加压带（6）的加压速率为腰部加压带（14）的加压速率的80%，大腿加压带（8）的加压速率为腰部加压带（14）的加压速率的60%，小腿加压带（9）的加压速率为腰部加压带（14）的加压速率的40%。

9.根据如权利要求7所述的抗荷服的调控方法，其特征是：步骤B）中，所述的按梯度逐渐减小的方法是：大腿加压带（8）的加压速率为小腿加压带（9）的加压速率的80%，臀部加压带（6）的加压速率为小腿加压带（9）的加压速率的60%，腰部加压带（14）的加压速率为小腿加压带（9）的加压速率的40%。

10.根据如权利要求7所述的抗荷服的调控方法，其特征是：腰部加压带（14）和小腿加压带（9）的加压速率的固定范围值均为8-9kPa/g。

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