CN114235228A - 一种应激响应型全身防冲击套装 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应激响应型全身防冲击套装，属于个体防护技术领域，包括套装本体，套装本体包括防护头盔、防护服和防护靴，三者为连体式无缝衔接，且均采用依托于磁流变技术的冲击响应型面料，冲击响应型面料包括纤维编织面料、压电式柔性压力传感器、磁流变液、交流线圈、继电器、蓄电池和单片机，本套装在受到过度冲击时会自动开启交流线圈供电，在外部磁场作用下，磁流变液会由液相瞬时变为固相，进而有效防御瞬时或长时间强力冲击对人体造成的伤害，与传统防冲击装备相比，本发明套装穿戴轻便舒适，质地柔软灵活，可全方位无死角高效防护人体免受高处坠物、子弹打击、跌落砸击等强力冲击伤害，应用前景可观。
Description
技术领域
本发明涉及一种防冲击套装，具体为一种应激响应型全身防冲击套装，属于安全防护技术领域。
背景技术
建筑工人受到的高处坠物伤害、军人武警受到的子弹打击、工矿企业工人受到的重物砸击等强力冲击伤害对人体的生命安全构成了巨大威胁，严重阻碍了工人安全生产、军警执勤作战。
目前的安全头盔、防弹衣、劳保鞋等防强力冲击伤害装备的主体结构材料可分为三类：1、硬体防护材料：通常采用金属材料、与高强度高模量纤维复合板制成防冲击陶瓷，这类防冲击材料性能优越，但是普遍重量较大，相应的人体负荷较大，穿戴笨重、不舒适、不灵活，影响任务执行，且通常以单一防护装备存在，难以形成全身防护，此外，硬体材料破坏后易产生二次破片，对人体造成伤害；2、软体防护材料：防护层一般采用多层高强度高模量纤维织物加缝线衍缝或直接叠合而成，材质轻便柔软，但是防冲击等级不高，适用条件有限；3、软硬复合式防护材料：面层采用硬质防护材料，内衬采用软质防护材料，在一定程度上结合了硬体、软体防护材料的优点，但是仍具有硬体防护材料的缺点。
如何解决硬体防护笨重、穿戴不方便和软体防护等级不高、适用条件有限以及现有装备防护部位单一、覆盖不全的问题，研发一种防护性能高、轻便灵活、穿戴舒适的全身型防冲击套装是如今的研究热点与难点。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种应激响应型全身防冲击套装，能够解决现有防冲击装备舒适性和功能性不可兼容的技术难点。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的，一种应激响应型全身防冲击套装，包括套装本体，所述套装本体包括防护头盔、防护服和防护靴，三者为连体式无缝衔接，且均采用依托于磁流变技术的冲击响应型面料，所述冲击响应型面料包括纤维编织面料、压电式柔性压力传感器、磁流变液、交流线圈、继电器、蓄电池和单片机，压电式柔性压力传感器作为一种现有的新型电子器件,已在人机交互、医疗健康、机器人触觉等领域进行应用，所述压电式柔性压力传感器具有良好的延展性、柔韧性，能够自由弯曲折叠且能快速、高效、精准监测压力变化，能够更好的适配穿着者的动作改变，压电式柔性压力传感器是将压力信号转变为电信号，当压电式柔性压力传感器外表面受到外界作用力时，其内部就会发生极化，导致在传感器表面产生相反的电荷，从而产生电压，所述纤维编织面料呈外、中、内三层空腔结构，所述压电式柔性压力传感器、磁流变液依次充填于外层、中间层空腔，所述磁流变液在磁场内时为Bingham流体，其流动特性可以用Bingham模型近似描述为：
τ＝τ0(H)sgn(γ)+ηγ
式中：τ为总的剪切应力；τ0为外加磁场引起的屈服应力；η为零磁场时流体的粘度；γ为切变速率，交流线圈、继电器、蓄电池和单片机充填在内层空腔，所述防护服的前部设有拉链开口，所述套装本体上设有防护块，所述防护靴上设有充电装置。
优选的，为了有效防止磁流变液渗出，所述纤维编织面料主要材质为凯夫拉纤维，这种材料密度低、强度高、韧性好、耐高温、易于加工和成型，其强度为同等质量钢铁的5倍,但密度仅为钢铁的五分之一，制作时应采用无缝纺织工艺，且所述纤维编织面料中间层空腔两侧的面料为防水材料。
优选的，为了使磁流变液的特性更加突出易用，所述磁流变液包括磁性分散颗粒、基液和添加剂，所述磁性分散颗粒优选铁钴合金，所述基液优选合成油，所述添加剂优选脂肪醇。
优选的，为了增强导电绕组的磁场强度，所述交流线圈由铁芯和导电绕组组成，所述铁芯位于所述导电绕组内，所述导电绕组的一端和所述蓄电池的电极相连接，所述导电绕组的另一端和所述继电器相连接。
优选的，为了方便给蓄电池充电，所述充电装置包括发电马达、底板、缓冲弹簧和齿条，所述缓冲弹簧均固定在所述防护靴的底部，所述底板固定在所述缓冲弹簧的底部，所述发电马达固定在所述防护靴的侧壁上，所述齿条固定在所述底板的侧壁上，所述发电马达的输出轴上设有发电齿轮，所述发电齿轮和所述齿条相啮合，所述蓄电池应内置有充电模块，以方便为蓄电池充电，充电马达的输出电极通过导电线和所述充电模块相连接。
优选的，为了在底板移动时更加稳定，并且方便使用者固定底板位置，所述底板的侧壁上设有导向柱，所述防护靴的侧壁上设有配合所述导向柱使用的导向环，所述导向柱上设有导向通孔，所述防护靴的侧壁上通过尼龙线固定有销杆，所述防护靴的侧壁上设有固定通孔。
优选的，所述防护头盔包括头部罩、面镜、进气机构和头撑架，所述面镜设在所述头部罩的侧壁上，所述进气机构固定在所述头部罩的外壁上，所述进气机构位于所述面镜的下方，所述头撑架通过连接杆固定在所述头部罩的顶部，所述头部罩的侧壁上开设有透气口，为了方便使用者进行呼吸和传递声音，所述透气口内设有过滤网，所述头部罩的侧壁上设有出气孔，为了避免面镜上附着水汽，所述进气机构包括泵气机和弧形管，所述弧形管固定在所述头部罩的内壁上，所述弧形管上设有出气管口，出气管口的一端应朝向面镜的方向，所述泵气机固定在所述头部罩的外壁上。
优选的，为了方便排出头部罩内的水汽，所述头部罩的内壁上设有导流条，所述导流条位于所述出气孔的一侧，为了使使用者的头部透气，进而有利散热，所述头撑架上设有气孔，所述头撑架和所述头部罩之间设有阻流板，阻流板应设在使用者穿戴后的头部两侧。
本发明的有益效果是：
1、本发明提出的一种应激响应型全身防冲击套装，穿戴轻便舒适，质地柔软灵活，可有效防御瞬时、长时间强力冲击对人体造成的伤害，解决了现有防冲击装备功能性和舒适性难以兼容的技术难点。
2、相比现有的单一防冲击装备(安全头盔、防弹衣、劳保鞋)，本发明提出的一种应激响应型全身防冲击套装，包括防护头盔、防护服和防护靴，可形成全身型防护，使人体免受高处坠物、子弹打击、跌落砸击等强力冲击伤害。
3、依托于磁流变技术，当人体受到冲击时，套装外层柔性传感器在监测到超过阈值的冲击压力时自动开启交流线圈供电产生临时磁场，诱发磁流变液由液相瞬时变为固相，反应速度快，能够有效防御冲击对人体造成伤害。
4、本发明防护靴底部的充电装置能够在使用者进行走动时为蓄电池充电，能够避免携带大容量电池造成负重累赘，而且能够避免紧急情况下蓄电池缺少电量而停止工作，更加提高了套装的使用时间，同时也提高了套装的总体安全性。
5、本发明的防护头盔能够避免在使用时面镜上产生水雾，保证了使用者的视野清晰，而且进气机构能够将外部环境的空气引入头部罩内，以便使用者的呼吸顺畅，由于在高强度的工作中或者天气较热的情况下，使用者会出现流汗和体温上升，头撑架能够在起到保护的前提下，使水汽能够通过头撑架上的气孔散出，而进气机构能够将湿热空气从出气孔排出，从而使使用者更加舒适。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明套装材料结构组成剖面图。
图3为本发明防护头盔的剖面图。
图4为本发明充电装置的结构示意图。
图5为本发明图1中A处的结构示意图。
图6为压电式柔性压力传感器监测机理图。
图7为磁流变液在磁场作用下由液相转变为固相的示意图。
图8为控制电路连接图。
图中：1、套装本体，2、防护头盔，3、防护服，4、防护靴，5、冲击响应型面料，6、纤维编织面料，7、压电式柔性压力传感器，8、磁流变液，9、交流线圈，10、继电器，11、蓄电池，12、单片机，13、拉链开口，14、防护块，15、充电装置，16、铁芯，17、导电绕组，18、发电马达，19、底板，20、缓冲弹簧，21、齿条，22、导向柱，23、销杆，24、头部罩，25、面镜，26、进气机构，27、头撑架，28、透气口，29、出气孔，30、泵气机，31、弧形管，32、导流条，33、阻流板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-8所示，一种应激响应型全身防冲击套装，包括套装本体1，套装本体1包括防护头盔2、防护服3和防护靴4，三者为连体式无缝衔接，且均采用依托于磁流变技术的冲击响应型面料5，防护头盔2包括头部罩24、面镜25、进气机构26和头撑架27，面镜25设在头部罩24的侧壁上，进气机构26固定在头部罩24的外壁上，进气机构26位于面镜25的下方，头撑架27通过连接杆固定在头部罩24的顶部，冲击响应型面料5包括纤维编织面料6、压电式柔性压力传感器7、磁流变液8、交流线圈9、继电器10、蓄电池11和单片机12，压电式柔性压力传感器7具有良好的延展性、柔韧性，能够自由弯曲折叠且能快速、高效、精准监测压力变化，能够更好的适配穿着者的动作改变，压电式柔性压力传感器7是将压力信号转变为电信号，当压电式柔性压力传感器7外表面受到外界作用力时，其内部就会发生极化，导致在传感器表面产生相反的电荷，从而产生电压，纤维编织面料6呈外、中、内三层空腔结构，压电式柔性压力传感器7、磁流变液8依次充填于外层、中间层空腔，交流线圈9、继电器10、蓄电池11和单片机12充填在内层空腔，压电式柔性压力传感器7与交流线圈9、继电器10、蓄电池11和单片机12相连接，形成控制电路，当柔性压力传感器监测到的冲击压力值超过其阈值时，压电式柔性压力传感器7会将压力信号转变为电信号输入给单片机12，单片机12接收电信号后控制继电器10闭合，电池开始向交流线圈9供电，交流线圈9中的交变电流会产生临时磁场，在外部磁场作用下，磁流变液8会由液相瞬时变为固相，有效防御冲击对人体造成伤害，防护服3的前部设有拉链开口13，套装本体1上设有防护块14，防护块14主要固定在人体中要位置外部，比如胸前和易擦伤的人体两侧，防护靴4上设有充电装置15，充电装置15能够更好的为蓄电池11进行持续充电，避免了蓄电池11电量不足，造成套装本体1无法响应。
作为本发明的一种技术优化方案，如图2所示，纤维编织面料6主要材质为凯夫拉纤维，这种材料密度低、强度高、韧性好、耐高温、易于加工和成型，其强度为同等质量钢铁的5倍,但密度仅为钢铁的五分之一，且纤维编织面料6中间层空腔两侧的面料为防水材料，为了有效防止磁流变液8渗出，制作时应采用无缝纺织工艺。
作为本发明的一种技术优化方案，结合图6和图7所示，磁流变液8包括磁性分散颗粒、基液和添加剂，磁性分散颗粒优选铁钴合金，基液优选合成油，添加剂优选脂肪醇，磁流变液8在磁场内时为Bingham流体，其流动特性可以用Bingham模型近似描述为：
τ＝τ0(H)sgn(γ)+ηγ
式中：τ为总的剪切应力；τ0为外加磁场引起的屈服应力；η为零磁场时流体的粘度；γ为切变速率，磁流变液8是流动性可控的新型流体，在外部无磁场时，磁流变液8的磁性分散颗粒在流体中随机分布，磁流变液8呈现低粘度的流体状态，此时，磁流变液8可视为牛顿流体，在外加磁场后，磁流变液8迅速由牛顿流体转变为Bingham流体，磁流变液8中的磁性分散颗粒在磁场的作用下形成磁偶极子，磁偶极子之间相互吸引，沿磁场方向形成链状结构，随着外加磁场的增强，磁流变液8对外的剪切应力也随之增强。
作为本发明的一种技术优化方案，如图2所示，交流线圈9由铁芯16和导电绕组17组成，铁芯16位于导电绕组17内，导电绕组17的一端和蓄电池11的电极相连接，导电绕组17的另一端和继电器10相连接，在交流线圈9得电后，即可产生磁场。
作为本发明的一种技术优化方案，结合图4和图5所示，充电装置15包括发电马达18、底板19、缓冲弹簧20和齿条21，缓冲弹簧20均固定在防护靴4的底部，底板19固定在缓冲弹簧20的底部，发电马达18固定在防护靴4的侧壁上，齿条21固定在底板19的侧壁上，发电马达18的输出轴上设有发电齿轮，发电齿轮和齿条21相啮合，底板19的侧壁上设有导向柱22，防护靴4的侧壁上设有配合导向柱22使用的导向环，导向柱22上设有导向通孔，防护靴4的侧壁上通过尼龙线固定有销杆23，防护靴4的侧壁上设有固定通孔，在需要使用充电装置15对蓄电池11进行充电时，使用者在穿着套装时正常走动即可为蓄电池11提供电能，当底板19受到地面的推力时，底板19能够推动缓冲弹簧20，使缓冲弹簧20收缩，进而使底板19能够带动齿条21移动，然后齿条21能够带动发电马达18的输出轴旋转，进而使发电马达18产生电量，蓄电池11应内置有充电模块，以方便为蓄电池11充电，充电马达的输出电极通过导电线和充电模块相连接。
作为本发明的一种技术优化方案，结合图1和图3所示，头部罩24的侧壁上开设有透气口28，透气口28内设有过滤网，头部罩24的侧壁上设有出气孔29，进气机构26包括泵气机30和弧形管31，弧形管31固定在头部罩24的内壁上，弧形管31上设有出气管口，泵气机30固定在头部罩24的外壁上，头部罩24的内壁上设有导流条32，导流条32位于出气孔29的一侧，头撑架27上设有气孔，头撑架27和头部罩24之间设有阻流板33，进气机构26能够将外部空气引入头部罩24内，弧形管31上的出气管口应朝向面镜25，以便将水汽带离，避免在使用时面镜25上产生水雾，同时能够让使用者呼吸到新鲜空气，由于在高强度的工作中或者天气较热的情况下，使用者难免会出现流汗和体温上升，头撑架27能够在起到保护的前提下，使水汽能够通过头撑架27上的气孔散出，而进气机构26能够将湿热空气从出气孔29排出，为了更好的使气流能够按轨迹流出，阻流板33应固定在使用者头部的两侧，然后气流能够通过头撑架27的上方，带走使用者头顶的空气，然后通过导流条32进入至出气孔29内，导流条32能够起到保护使用者后脑的作用。
实施例一
本发明在使用穿戴时，首先拉开防护服3前部的拉链开口13，然后进行穿着使用，防护头盔2、防护服3和防护靴4均为冲击响应型面料5，在正常使用时冲击响应型面料5为柔软状态，不影响使用者的正常活动，极大的增加了穿戴舒适性，压电式柔性压力传感器7具有良好的延展性、柔韧性，能够自由弯曲折叠且能快速、高效、精准监测压力变化，能够更好的适配穿着者的动作改变，压电式柔性压力传感器7是将压力信号转变为电信号，当压电式柔性压力传感器7外表面受到外界作用力时，其内部就会发生极化，导致在传感器表面产生相反的电荷，从而产生电压，压电式柔性压力传感器7与交流线圈9、继电器10、蓄电池11和单片机12相连接，形成控制电路，当柔性压力传感器监测到的冲击压力值超过其阈值时，压电式柔性压力传感器7会将压力信号转变为电信号输入给单片机12，单片机12接收电信号后控制继电器10闭合，电池开始向交流线圈9供电，交流线圈9中的交变电流会产生临时磁场，在外部磁场作用下，磁流变液8会由液相瞬时变为固相，有效防御冲击对人体造成伤害。
实施例二
由于本发明依赖于电能，因此需要电能的充足供应，在需要对蓄电池11进行充电时，使用者在穿着套装时正常走动即可为蓄电池11提供电能，具体为当底板19受到地面的推力时，底板19能够推动缓冲弹簧20，使缓冲弹簧20收缩，进而使底板19能够带动齿条21移动，然后齿条21能够带动发电马达18的输出轴旋转，进而使发电马达18产生电量，蓄电池11应内置有充电模块，以方便为蓄电池11充电，充电马达的输出电极通过导电线和充电模块相连接，然后就能够为蓄电池11进行充电，在不需要使用充电装置15时，只需将防护靴4踩在地面，然后通过销杆23将导线柱固定，进而底板19固定即可。
实施例三
由于在高强度的工作中或者天气较热的情况下，使用者难免会出现流汗和体温上升，进气机构26能够将外部空气引入头部罩24内，弧形管31上的出气管口应朝向面镜25，以便将水汽带离，避免在使用时面镜25上产生水雾，同时能够让使用者呼吸到新鲜空气，头撑架27能够在起到保护的前提下，使水汽能够通过头撑架27上的气孔散出，而进气机构26能够将湿热空气从出气孔29排出，为了更好的使气流能够按轨迹流出，阻流板33应固定在使用者头部的两侧，然后气流能够通过头撑架27的上方，带走使用者头顶的空气，然后通过导流条32进入至出气孔29内，导流条32同时能够起到保护使用者后脑的作用。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种应激响应型全身防冲击套装，其特征在于：包括套装本体(1)，所述套装本体(1)包括防护头盔(2)、防护服(3)和防护靴(4)，三者为连体式无缝衔接，且均采用依托于磁流变技术的冲击响应型面料(5)，所述冲击响应型面料(5)包括纤维编织面料(6)、压电式柔性压力传感器(7)、磁流变液(8)、交流线圈(9)、继电器(10)、蓄电池(11)和单片机(12)，所述纤维编织面料(6)呈外、中、内三层空腔结构，所述压电式柔性压力传感器(7)、磁流变液(8)依次充填于外层、中间层空腔，交流线圈(9)、继电器(10)、蓄电池(11)和单片机(12)充填在内层空腔，所述防护服(3)的前部设有拉链开口(13)，所述套装本体(1)上设有防护块(14)，所述防护靴(4)上设有充电装置(15)。
2.根据权利要求1所述的一种应激响应型全身防冲击套装，其特征在于：所述纤维编织面料(6)主要材质为凯夫拉纤维，且所述纤维编织面料(6)中间层空腔两侧的面料为防水材料。
3.根据权利要求1所述的一种应激响应型全身防冲击套装，其特征在于：所述磁流变液(8)包括磁性分散颗粒、基液和添加剂，所述磁性分散颗粒优选铁钴合金，所述基液优选合成油，所述添加剂优选脂肪醇。
4.根据权利要求3所述的一种应激响应型全身防冲击套装，其特征在于：所述磁流变液(8)在磁场内时为Bingham流体，其流动特性可以用Bingham模型近似描述为：
τ＝τ0(H)sgn(γ)+ηγ
式中：τ为总的剪切应力；τ0为外加磁场引起的屈服应力；η为零磁场时流体的粘度；γ为切变速率。
5.根据权利要求1所述的一种应激响应型全身防冲击套装，其特征在于：所述交流线圈(9)由铁芯(16)和导电绕组(17)组成，所述铁芯(16)位于所述导电绕组(17)内，所述导电绕组(17)的一端和所述蓄电池(11)的电极相连接，所述导电绕组(17)的另一端和所述继电器(10)相连接。
6.根据权利要求1所述的一种应激响应型全身防冲击套装，其特征在于：所述充电装置(15)包括发电马达(18)、底板(19)、缓冲弹簧(20)和齿条(21)，所述缓冲弹簧(20)均固定在所述防护靴(4)的底部，所述底板(19)固定在所述缓冲弹簧(20)的底部，所述发电马达(18)固定在所述防护靴(4)的侧壁上，所述齿条(21)固定在所述底板(19)的侧壁上，所述发电马达(18)的输出轴上设有发电齿轮，所述发电齿轮和所述齿条(21)相啮合。
7.根据权利要求6所述的一种应激响应型全身防冲击套装，其特征在于：所述底板(19)的侧壁上设有导向柱(22)，所述防护靴(4)的侧壁上设有配合所述导向柱(22)使用的导向环，所述导向柱(22)上设有导向通孔，所述防护靴(4)的侧壁上通过尼龙线固定有销杆(23)，所述防护靴(4)的侧壁上设有固定通孔。
8.根据权利要求1所述的一种应激响应型全身防冲击套装，其特征在于：所述防护头盔(2)包括头部罩(24)、面镜(25)、进气机构(26)和头撑架(27)，所述面镜(25)设在所述头部罩(24)的侧壁上，所述进气机构(26)固定在所述头部罩(24)的外壁上，所述进气机构(26)位于所述面镜(25)的下方，所述头撑架(27)通过连接杆固定在所述头部罩(24)的顶部。
9.根据权利要求8所述的一种应激响应型全身防冲击套装，其特征在于：所述头部罩(24)的侧壁上开设有透气口(28)，所述透气口(28)内设有过滤网，所述头部罩(24)的侧壁上设有出气孔(29)，所述进气机构(26)包括泵气机(30)和弧形管(31)，所述弧形管(31)固定在所述头部罩(24)的内壁上，所述弧形管(31)上设有出气管口，所述泵气机(30)固定在所述头部罩(24)的外壁上。
10.根据权利要求9所述的一种应激响应型全身防冲击套装，其特征在于：所述头部罩(24)的内壁上设有导流条(32)，所述导流条(32)位于所述出气孔(29)的一侧，所述头撑架(27)上设有气孔，所述头撑架(27)和所述头部罩(24)之间设有阻流板(33)。
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