CN116887714A - 具有可枢转外壳的多壳式头盔 - Google Patents

Abstract

头盔防止或减轻颈椎骨折，包括与原本可能导致脊髓变形和/或损伤的脊柱的轴向压迫和脊柱骨折相关联的损伤类型。头盔将具有与脊柱的轴线对齐的分量(“脊柱轴向分量”)的冲击力转换成旋转运动。在头部先冲击的情况下，这样的头盔引起颈部弯曲，使得头部和颈椎不与冲击力的方向对齐(或不太对齐)，从而减轻颈椎骨折的可能性和/或严重性。

Description

具有可枢转外壳的多壳式头盔

相关申请的交叉引用

本申请依据35 U.S.C.§119要求2020年12月11日提交且名称为“MULTI-SHELLHELMET WITH PIVOTABLE OUTER SHELL[具有可枢转外壳的多壳式头盔]”的美国申请号63/124678的优先权并且出于美国的目的要求该申请的权益，该申请通过援引结合在此以用于所有目的。

技术领域

本发明涉及头盔和头饰。具体的非限制性实施例提供了一种多壳式头盔，该多壳式头盔具有：内部构件，该内部构件具有用于接收使用者的头部的至少一部分的凹面；以及外壳，该外壳可相对于内部构件枢转，并且提供了一种用于使用该多壳式头盔来减轻头部和/或颈椎损伤和/或骨折的方法。另一个实施例提供了一种用于将单壳式头盔转换/改装成多壳式头盔的方法，该多壳式头盔包括：内部构件，该内部构件具有用于接收使用者的头部的至少一部分的凹面；以及外壳，该外壳可相对于内部构件枢转。

背景技术

头盔和其他防护头戴具用于多种环境，并且被设计成保护佩戴者的头部免受物理冲击。典型的头盔具有外壳和内部保护衬里。外壳提供头盔的结构刚性，并且通常由固体材料制成，例如，塑料、玻璃纤维、碳纤维、聚碳酸酯或类似复合材料。外壳还防止尖锐物体的穿透，并且将冲击力分布在整个内部保护衬里上。内部保护衬里通常提供可变形泡沫来吸收冲击/碰撞能量，使得头部所经历的加速度相对于头部在没有头盔的情况下所经历的加速度会减小。内部保护衬里通常可以由发泡聚苯乙烯(“EPS”)、发泡聚丙烯(“EPP”)、乙烯基腈(“VN”)或乙烯-醋酸乙烯酯(“EVA”)制成。带有EPS衬里的头盔被称为单冲击头盔，因为EPS在冲击时会永久变形。带有EPP、VN或EVA衬里的头盔被称为多冲击头盔，因为这样的衬里可以在冲击后恢复并返回到其初始形状。一般来说，内部保护衬里越厚，它能够吸收的冲击/碰撞能量就越多。然而，如果内部保护衬里太厚，则头盔的外周长和重量对应地较大，这可能有损头盔的外观并且可能导致颈部紧张。

头盔和防护头戴具的大多数设计对颈部的保护有限。颈部是脊柱的最上部分并且位于头部与胸部之间。颈部有七个颈椎骨C1-C7，除了颈部与头部连接的顶部两块椎骨外，这些颈椎骨被椎间盘分开。颈部保护不足可能导致椎骨骨折，并且骨折的椎骨可能会压迫脊髓或对脊髓施加不期望的力，从而导致脊髓损伤，脊髓损伤可能是医学上毁灭性的事件。具体地，轴向压迫型颈部损伤可能引起特别毁灭性类型的脊髓损伤，从而导致四肢瘫痪。轴向压迫性损伤的替代术语包括椎体压缩性骨折、颈椎骨折脱位、轴向压迫性骨折、轴向压迫性爆裂性骨折或轴向负荷损伤。C1或C2椎骨处的颈椎骨折通常是致命的，而C3-C7椎骨处的骨折脱位通常会导致四肢瘫痪。

当头部和颈椎与冲击力的方向对齐时，最有可能发生轴向压迫型颈部损伤，如图1所示。当头部相对于躯干并朝向颈部向下倾斜约30°时，就会发生这种对齐，从而消除颈椎的自然弯曲并将椎骨定向在堆叠取向上。当冲击力沿着对齐的颈椎定向时，可能会导致脊柱的压迫性爆裂骨折和骨折脱位。

一般希望头盔和头饰佩戴舒适并且可以减轻头部和/或颈椎骨折。

相关技术的前述示例和与其相关的限制旨在是说明性的而非排他性的。在阅读说明书和研究附图后，相关领域的其他限制对本领域那些技术人员将变得显而易见。

发明内容

结合系统、工具和方法来描述和说明以下实施例及其方面，它们旨在是示例性和说明性的，而不限制范围。在不同实施例中，已减少或消除上述问题中的一个或多个，而其他实施例涉及其他改进。

提供了一种枢转式头盔。该枢转式头盔可以用于防止或减轻颈椎骨折，包括与原本可能导致脊髓变形和/或损伤的脊柱轴向压迫和脊柱骨折相关联的损伤类型。枢转式头盔被配置成将具有与脊柱的轴线对齐的分量(“轴向分量”)的冲击力转换成旋转(或枢转)运动。在头部先受到冲击的情况下，枢转式头盔引起颈部弯曲，使得头部和颈椎不与冲击力的方向对齐，从而降低颈椎骨折的可能性和/或严重性。

一个方面涉及一种多壳式头盔。该头盔包括：外壳，该外壳限定凹面；该内部构件的至少一部分位于凹面内，该内部构件枢转地联接到外壳并且被准许通过绕横向定向的枢转轴线旋转来相对于外壳移动。该头盔包括展开装置，在没有足够的外力的情况下，该展开装置约束内部构件与外壳之间绕枢转轴线的旋转运动(例如，约束在最小旋转量内)。也就是说，在没有足够的外力的情况下，展开装置约束内部构件和外壳绕枢转轴线的初始相对角取向(例如，约束在最小相对角取向内)。展开装置可以通过在内部构件与外壳之间(或者在内部构件和外壳之间的枢转联接的任何部件之间)施加趋于防止相对旋转的力来约束内部构件与外壳之间的相对运动。当头盔受到具有足够力(例如，大于阈值的外力)的冲击时，展开装置展开以准许外壳与内部构件之间绕枢转轴线的相对角旋转。在一些实施例中，展开装置可以在没有足够外力的情况下处于初始配置，并且在头盔受到具有足够力的冲击时处于展开配置(不同于初始配置)。

横向定向的枢转轴线的位置可能会影响佩戴者头部和颈部的运动路径(运动学)，并且该运动可能会影响作用在头部和颈部上的机械负载(动力学)。在一些实施例中，横向定向的枢转轴线平行于头盔的冠状平面并且正交于头盔的正中矢状平面。横向定向的枢转轴线穿过由头盔的正中矢状平面中的三条假想线界定的联接区，该三条线是：重心线；眉线，该眉线从该头盔的前部部分延伸到后部部分并且与限定面部开口的顶边缘的表面上的最低点相切；以及前线，该前线与该重心线平行并且与该面部开口的顶边缘表面的最低点相交。

在一些实施例中，枢转接头和展开装置可以彼此分离。在一些其他实施例中，枢转接头和展开装置可以集成到一个机构中。

枢转接头可以包括对称地位于头盔上的两个枢转机构。

两个枢转机构中的一个或两个可以定位在头盔的重心线与在展开装置展开之后内部构件与外壳之间的最大相对角旋转范围在10°至30°的范围内的位置之间。

两个枢转机构中的一个或两个可以被定位成使得横向定向的枢转轴线与矢状平面相交的位置位于内部构件的弧中心与外壳的弧中心之间的中点处。

第一枢转机构可以绕第一枢转轴线枢转，并且第二枢转机构可以绕第二枢转轴线枢转。

第一枢转轴线和第二枢转轴线可以以及横向定向的枢转轴线可以共线。

两个枢转机构中的一个或两个可以提供三个旋转自由度。

第一轴线和第二轴线的平移位置可以是固定的。

第一枢转轴线和第二枢转轴线中的至少一个的取向可以是可变的。

枢转机构中的一个或两个可以包括表面支承枢转接头。两个互补表面可以彼此抵靠以提供表面支承枢转接头的移动。

枢转机构中的一个或两个可以包括一个或多个球窝枢转接头。

枢转机构中的一个或两个可以包括一个或多个全窝型枢转接头。

枢转机构中的一个或两个可以包括一个或多个半窝型枢转接头。

枢转机构中的一个或两个可以包括安装到内部构件和外壳中的一个的一个或多个锥形部件。

外壳可以被成形为通过外壳与地面(或其他冲击表面)之间的相互作用在外壳上(相对于内壳)引起扭矩，从而引起内壳相对于外壳绕枢转轴线旋转。例如，头盔适用于涉及低摩擦冲击表面(诸如冰和/或雪)的运动的头盔和/或适用于涉及可枢转式头盔的其他应用，外壳可以被成形为提供一个或多个末端/顶点，使得外壳与地面(或其他冲击表面)之间的相互作用在外壳上引起扭矩。在一些实施例或应用中，可能希望在外壳的外表面上(例如，在外壳的外表面与正中矢状平面的相交处)提供多个(例如，一个或多个)末端/顶点。

另一方面涉及一种头盔，该头盔可以包括限定凹面的外壳、内部构件。内部构件的至少一部分可以位于凹面内。头盔可以进一步包括位于内部构件的相对侧上的第一枢转接头和第二枢转接头，该第一枢转接头和该第二枢转接头可以有利于内部构件与外壳之间的相对枢转移动。第一枢转接头可以准许绕对应的第一枢转轴线和第二枢转轴线的旋转。第一枢转接头和第二枢转接头可以准许第一枢转轴线和第二枢转轴线的取向改变，同时保持第一枢转轴线和第二枢转轴线的平移位置处于静态。

另一方面涉及一种头盔，该头盔可以包括限定凹面的外壳和内部构件，该内部构件的至少一部分位于该凹面内。头盔可以进一步包括位于内部构件的相对侧上的第一枢转接头和第二枢转接头，该第一枢转接头和该第二枢转接头可以有利于内部构件与外壳之间的相对枢转移动。第一枢转接头可以准许三个自由度的旋转并且保持静态平移位置。

另一方面涉及一种用于减轻颈椎损伤和/或骨折的方法。该方法包括提供多壳式头盔。该头盔包括：外壳，该外壳限定凹面；该内部构件的至少一部分位于凹面内，该内部构件枢转地联接到外壳并且被准许通过绕横向定向的枢转轴线旋转来相对于外壳移动。该头盔包括展开装置，在没有足够的外力的情况下，该展开装置约束内部构件与外壳之间绕枢转轴线的旋转运动(例如，约束在最小旋转量内)。也就是说，在没有足够的外力的情况下，展开装置约束内部构件和外壳绕枢转轴线的初始相对角取向(例如，约束在最小相对角取向内)。展开装置可以通过在内部构件与外壳之间(或者在内部构件和外壳之间的枢转联接的任何部件之间)施加趋于防止相对旋转的力来约束内部构件与外壳之间的相对运动。当头盔受到具有足够力(例如，大于阈值的外力)的冲击时，展开装置展开以准许外壳与内部构件之间绕枢转轴线的相对角旋转。在一些实施例中，展开装置可以在没有足够外力的情况下处于初始配置，并且在头盔受到具有足够力的冲击时处于展开配置(不同于初始配置)。

另一方面涉及一种用于将单壳式头盔改装成多壳式头盔的方法。该方法包括确定联接区，该联接区由单壳式头盔的正中矢状平面中的三条假想线界定，该三条线是：重心线；眉线，该眉线从该头盔的前部部分延伸到后部部分并且与限定面部开口的顶边缘的表面上的最低点相切；以及前线，该前线与该重心线平行并且与该面部开口的顶边缘表面的最低点相交。将第二壳的至少一部分定位在第一壳的凹面内。通过枢转接头将第二壳和第一壳可枢转地联接在一起，该枢转接头具有与联接区中的正中矢状平面相交的横向定向的枢转轴线，使得第二壳和第一壳可通过绕横向定向的枢转轴线旋转而相对于彼此移动，其中，横向定向的枢转轴线平行于头盔的冠状平面并且正交于头盔的正中矢状平面。该头盔包括展开装置，在没有足够的外力的情况下，该展开装置约束内部构件与外壳之间绕枢转轴线的旋转运动(例如，约束在最小旋转量内)。也就是说，在没有足够的外力的情况下，展开装置约束内部构件和外壳绕枢转轴线的初始相对角取向(例如，约束在最小相对角取向内)。展开装置可以通过在内部构件与外壳之间(或者在内部构件和外壳之间的枢转联接的任何部件之间)施加趋于防止相对旋转的力来约束内部构件与外壳之间的相对运动。当头盔受到具有足够力(例如，大于阈值的外力)的冲击时，展开装置展开以准许外壳与内部构件之间绕枢转轴线的相对角旋转。在一些实施例中，展开装置可以在没有足够外力的情况下处于初始配置，并且在头盔受到具有足够力的冲击时处于展开配置(不同于初始配置)。

除了上述示例性方面和实施例之外，通过参考附图并通过研究以下详细描述，另外的方面和实施例将变得显而易见。

附图说明

在附图中的参考图中展示了示例性实施例。本文所披露的实施例和附图意在被认为是说明性的而不是限制性的。

图1示出了骨骼的照片，其中，骨骼被定位成使得头部和颈椎与冲击力的方向对齐。

图2示意性地示出了由根据本发明的一个实施例的头盔实现的过程，以在头盔受到头部先冲击而导致颈椎上有轴向负载时引起颈部的弯曲。

图3示出了佩戴者的头部的立体图，其中，头部位于解剖坐标系中以展示某些方向性特征。

图4示出了根据本发明一个实施例的头盔的剖视图，其中，头盔被佩戴在头部上。

图5示出了图4的头盔的前视图。

图6示出了图5的头盔的放大局部图。

图7示出了图4的头盔沿其假想的正中矢状平面截取的剖视图，其中，头盔没有被佩戴在头部上。

图8A和图8B分别了示出图4的头盔在冲击时和冲击后的剖视图。

图9示出了枢转接头位置(即，横向定向的枢转轴线的位置)对外壳绕图4的头盔的内壳与外壳之间的枢转接头的旋转运动范围的影响。

图10示出了如何由于未对准的力而在头部和图4的头盔的内部构件上(例如，枢转接头上)产生扭矩。

图11示出了质量惯性矩可能受到枢转位置(即，横向定向的枢转轴线的位置)与佩戴者的头部重心之间的距离的影响。

图12示出了根据本发明的另一实施例的头盔的(正中矢状平面)剖视图，其中，头盔被佩戴在头部上。

图13示出了图12的头盔接收来自高摩擦表面的冲击力的(正中矢状平面)剖视图。

图14A、图14B和图14C示出了图12的头盔接收来自低摩擦表面的冲击力的(正中矢状平面)剖视图。

图15示出了如何在内壳和头部上产生扭矩，该扭矩将导致内壳和头部的旋转运动。

图16示出了用于将单壳式头盔转换/改装成多壳式头盔的方法的示例实施例的流程图。

图17A示出了根据特定实施例的由单冲击单壳式头盔改装成的多壳式头盔的一部分的立体图。

图17B示出了根据特定实施例的由多冲击单壳式头盔改装成的多壳式头盔的立体图。

图18示出了根据特定实施例的由单壳式头盔改装成的多壳式头盔的立体图。

图19A示出了图4的头盔的示意性立体图。图19B示出了图4的头盔的示意性剖视图。图19A和图19B更好地展示了根据特定实施例的图4的头盔的枢转接头和展开装置的结构特征。

图20A示出了示例头盔的示意性立体图。图20B示出了图20A的头盔的示意性剖视图。图20A和图20B展示了根据特定实施例的枢转接头和展开装置的结构特征。

图21A示出了示例头盔的局部示意性立体图。图21B示出了图21A的头盔的局部示意性剖视图。图21A和图21B展示了根据特定实施例的具有内置展开装置的枢转接头的结构特征。

图22A示出了根据特定实施例的包括具有内置展开装置的枢转接头的示例头盔的局部示意性立体图，其中，枢转接头具有凹形部件和凸形部件。图22B示出了图22A所示的凹形部件的局部示意性立体图。

图22C示出了图22A所示的凸形部件的局部示意性立体图。

图23A示出了根据特定实施例的包括具有内置展开装置的枢转接头的示例头盔的局部示意性立体图，其中，枢转接头具有凹形部件和凸形部件。图23B示出了图23A所示的凸形部件的局部示意性立体图。图23C示出了图23A所示的凹形部件的局部示意性立体图。

图24A示出了根据特定实施例的包括具有内置展开装置的枢转接头的示例头盔的示意性局部立体图，其中，枢转接头具有凹形部件和凸形部件。图24B示出了图24A所示的凹形部件的局部示意性立体图。图24C示出了图24A所示的凸形部件的局部示意性立体图。

图25示出了示例头盔中的不同层的示意图。

图26示出了示例头盔中的不同层的示意图。

图27A、图27B示出了在示例实施例实施例中选择枢转放置的y坐标的示意图。

图28A示出了示例组装的全窝型枢转接头的立体图。图28B示出了图28A的示例全窝型枢转接头的示例部件的立体图。图28C示出了图28A的示例全窝型枢转接头的示例部件的立体图。

图29A示出了示例组装的半窝型球形接头的立体图。图29B示出了图29A的示例半窝型球形接头的示例部件的立体图。图29C示出了图29A的示例半窝型球形接头的示例部件的立体图。

图30示出了示例枢转接头的立体图。

图31示出了示例枢转接头的立体图。

图32示出了示例枢转接头与外壳之间的示例联接的示意图。

图33A示出了示例枢转接头的第二端的立体图。图33B示出了图33A的示例枢转接头的侧视图。

图34示出了示例枢转接头与外壳之间的示例联接的示意图。

图35示出了示例枢转接头与外壳之间的示例联接的示意图。

图36示出了示例枢转接头与外壳之间的示例联接的示意图。

具体实施方式

在以下整个描述，阐述了具体细节以便为本领域技术人员提供更透彻的理解。然而，可能未详细示出或描述众所周知的元件，以避免不必要地模糊本披露。因此，描述和附图应被视为说明性而非限制性意义。

本发明的各方面可以用于防止或减轻颈椎骨折，包括与原本可能导致脊髓变形和/或损伤的脊柱的轴向压迫和脊柱骨折相关联的损伤类型。本发明的各方面将具有与脊柱的轴线对齐的分量(“脊柱轴向分量”)的冲击力转换成旋转运动。在头部先冲击的情况下，本发明会引起颈部弯曲，使得头部和颈椎不与冲击力的方向对齐(或不太对齐)，从而减轻颈椎骨折的可能性和/或严重性。

下文将描述本发明的多个方面，并且包括：

·一种头盔，该头盔包括：内部构件，该内部构件具有用于接收使用者的头部的至少一部分的凹面；以及外壳，该外壳可相对于内部构件枢转；

·一种用于使用多壳式头盔的方法，该多壳式头盔具有内部构件和外壳，该外壳可相对于内部构件枢转以降低头部和/或颈椎骨折的严重性和/或减轻头部和/或颈椎骨折；以及

·一种用于将单壳式头盔转换/改装成多壳式头盔的方法，该多壳式头盔具有可相对于内部构件枢转的外壳。

对于每个方面，可以描述一个或多个实施例。

第一方面-具有可相对于内部构件枢转的外壳的头盔

本发明的第一方面提供了一种头盔，该头盔包括：内部构件106，该内部构件具有用于接收使用者的头部的至少一部分的凹面；以及外壳104，该外壳可相对于内部构件104枢转。如图2示意性地所示，头盔使得内部构件104能够相对于外壳106绕枢转轴线138旋转(以及佩戴者的头部的对应旋转)，从而当头盔受到脊柱轴向冲击或具有脊柱轴向分量的冲击时引起颈部的弯曲。颈部的弯曲可以减轻颈椎骨折，因为这种弯曲重新定向头部和颈椎相对于冲击力的方向的对齐。颈部的弯曲还可以使头部在更长的持续时间内保持移动(相对于使用标准头盔的头部移动的持续时间，其中，头部因其与另一个物体的冲击而突然停止，然后对齐的脊柱由仍移动的躯干施加负载)。枢转轴线138的具体位置是减轻颈椎骨折的重要考虑因素。

图2的头盔包括提供外壳凹面的外壳104和内部构件106(其也可以成形为壳)，该内部构件的至少一部分位于外壳凹面内。内部构件106还被成形为提供用于接收佩戴者的头部的内壳凹面。外壳104和内部构件106彼此连接以便绕横向定向的枢转轴线138进行相对枢转运动。外壳104和内部构件106可以通过任何合适的枢转接头108连接，该枢转接头有利于绕横向定向的枢转轴线138的相对旋转。

头盔包括展开装置，在没有足够的外力的情况下，该展开装置约束内部构件106与外壳104之间绕枢转轴线138的旋转运动(例如，约束在最小旋转量内)。也就是说，在没有足够的外力的情况下，展开装置约束内部构件106和外壳104绕枢转轴线138的初始相对角取向(例如，约束在最小相对角度取向内)。在一些实施例中，该最小相对旋转小于5°。在一些实施例中，该最小相对旋转小于2.5°。在一些实施例中，该最小相对旋转小于1.25°。展开装置可以通过在内部构件106与外壳104之间(或者在内部构件106与外壳104之间的枢转联接108的任何部件之间)施加趋于防止相对旋转的力来约束内部构件106与外壳104之间的相对运动。当头盔受到具有足够力(例如，大于阈值的外力)的冲击时，展开装置展开以准许外壳106与内部构件104之间绕枢转轴线138的相对角旋转。在一些实施例中，在受到冲击力时(与没有冲击力相比)，展开装置准许(在外壳104与内部构件106之间绕枢转轴线138的)更大范围的运动。在一些实施例中，这个更大范围的可准许相对旋转大于5°。在一些实施例中，这个更大范围的可准许相对旋转大于10°。在一些实施例中，这个更大范围的可准许相对旋转大于15°。在一些实施例中，展开装置可以在没有足够外力的情况下处于初始配置，并且在头盔受到具有足够力的冲击时处于展开配置(不同于初始配置)。

展开装置执行多种功能。例如，展开装置通过维持内部构件106与外壳104之间绕枢转轴线138的初始相对角关系来提供头盔稳定性。可以实现良好的头盔配合，因为在没有冲击的情况下，外壳104将不会相对于内部构件106旋转。另外，展开装置可以用于在头盔受到冲击时准许积累足够的摩擦力。该摩擦力然后可以有助于引起内部构件106与外壳104之间的旋转，并且改变头部动量的方向。响应于冲击力(例如，可以平行于脊柱轴线(或可以具有平行于脊柱轴线的分量)的轴向力)，多壳式头盔可以引起颈部的弯曲，从而减轻颈椎骨折。

如本文所使用，除非上下文另有规定，否则表述“脊柱中的轴向负载”、“脊柱轴向力”和“脊柱轴向冲击力”是指当脊柱的颈椎部分大致对齐时具有与这种颈椎部分的轴线对齐的分量的冲击力。类似地，除非上下文另有规定，否则“脊柱轴向分量”是指当脊柱的颈椎部分大体对齐时与这种颈椎部分的轴线对齐的冲击力的分量。

如本文所使用，除非上下文另有规定，否则术语“旋转角度”和/或“旋转的角度”是指内部构件和外壳能够相对于彼此或相对于到它们的初始角位置绕横向定向的枢转轴线旋转(或已经旋转)的角度。

(a)第一头盔实施例

图4、图5和图7示出了根据示例实施例的头盔100。相对于佩戴者的头部的概念特征，头盔100的许多特征可以更容易地解释。图3展示了位于解剖坐标系中的佩戴者的头部10。佩戴者可以通过将其头部10插入头盔中来佩戴头盔100(或本文描述的任何其他头盔)，如下文更详细地描述。冠状平面12将头部10分成大致前(前部)半部和后(后部)半部。冠状平面12经过位于左耳和右耳耳屏正上方的凹口处的左耳屏点和右耳屏点。正中矢状平面14将头部10分成大致左半部和右半部。冠状平面12和正中矢状平面14在假想的中心线16处相交，该中心线在图3的视图中是竖直的，但是通常可以具有取决于头部10的取向的任何取向。

头部10包括前额区域18、左侧区域20、右侧区域22、枕骨区域24和头顶区域26。前额区域18基本上对应于头部10的额骨区域。左侧区域20和右侧区域22位于佩戴者的左耳和右耳上方。枕骨区域24和头顶区域26基本上对应于头部10的后部和顶部。

参考图4、图5和图7，头盔100(特别是内部构件106)限定大体上符合头部10的头部接收凹面115。头盔100限定几条假想线，包括眉线112、前线114和重心(“COG”)线102。这些假想线位于头盔100的假想正中矢状平面120中并且在图7中示意性地示出，该图是在假想正中矢状平面120处截取的头盔100的剖视图。头盔100的假想正中矢状平面120是相对于头部10限定的。当头盔100佩戴在头部10上时，头盔100的假想正中矢状平面120与头部10的正中矢状平面14大致共面。类似地，头盔100具有假想横向平面(未示出)，并且当头盔100佩戴在头部10上时，头盔100的假想横向平面与头部10的冠状平面12大致共面。假想正中矢状平面120与假想横向平面在COG线102处相交。当头盔100佩戴在头部10上时，COG线102大体平行于头部10的中心线16或者与该中心线大体对齐(图3)。COG线102的位置可以由头盔制造商指定，特别是在制造商使用标准化拟人测试装置(“ATD”)(通常称为碰撞测试假人)来设计头盔的尺寸和形状的情况下。ATD通常具有与特定性别和年龄人群的第50百分位相对应的头部和颈部尺寸。如果头盔制造商未指定COG线102的位置，则可以使用头部10和/或ATD的解剖学参考(诸如头部的最后部分和/或眼眶和/或耳道)来确定COG线102的大致位置。在一些实施例中，COG线102的大致位置可以通过使用ATD作为参考来确定。在一些实施例中，COG线102和内部构件106或外壳104的曲率中心均位于假想正中矢状平面120中。在一些实施例中，COG线102可以穿过内部构件106和/或外壳104的曲率中心。当头盔100被正确佩戴并且佩戴者直立站立且他们的颈部处于中性位置时，COG线102可以基本上竖直地定向(例如，在±5°内)。

COG线102如此命名是因为当头盔100佩戴在头部10上时，头部10的重心至少大致位于COG线102上。头盔100的重心也可以位于COG线102上，但是情况可能并不总是如此。头盔100的重心位置取决于头盔的具体设计。

眉线112位于头盔100的正中矢状平面120中。眉线112从头盔100的前部部分延伸至后部部分，并且与头盔100的表面116相切，该表面在该表面116的最低点处限定面部开口119的顶部边缘。当头盔100佩戴在头部10上时，眉线112从额骨的前部延伸到枕骨区域。

前线114位于头盔100的正中矢状平面120中。前线114平行于COG线102并且与面部开口119的顶部边缘表面116的最低点相交。

在结构上，头盔100包括被成形为提供外凹面105的外壳104以及至少部分地位于外凹面105中并被成形为接收内头部接收凹面115的内部构件106。外壳104和内部构件106被可枢转地连接并且被准许通过绕横向定向的枢转轴线138旋转来相对于彼此枢转。在所展示的实施例中，外壳104和内部构件106由一对枢转接头108连接，这一对枢转接头被定位并对齐以有利于绕枢转轴线138旋转。头盔100还包括展开装置124(下文更详细地描述)，该展开装置在没有足够的外力的情况下约束内部构件106与外壳104之间绕枢转轴线138的旋转运动(例如，约束在最小旋转量内)。也就是说，在没有足够的外力的情况下，展开装置124约束内部构件106和外壳104绕枢转轴线138的初始相对角取向(例如，约束在最小相对角取向内)。在一些实施例中，该最小相对旋转小于5°。在一些实施例中，该最小相对旋转小于2.5°。在一些实施例中，该最小相对旋转小于1.25°。展开装置124可以通过在内部构件106与外壳104之间(或者在内部构件106与外壳104之间的枢转联接的任何部件之间)施加趋于防止相对旋转的力来约束内部构件106与外壳104之间的相对运动。当头盔100受到具有足够力(例如，大于阈值的外力)的冲击时，展开装置124展开以准许外壳104与内部构件106之间绕枢转轴线138的相对角旋转(参见例如关于内部构件106在外力作用之前相对于外壳104的位置的图8A，以及关于内部构件106在外力作用之后相对于外壳104的位置的图8B)。在一些实施例中，在受到冲击力时(与没有冲击力相比)，展开装置124准许(在外壳104与内部构件106之间绕枢转轴线138的)更大范围的运动。在一些实施例中，这个更大范围的可准许相对旋转比没有冲击力时的运动范围大5°以上。在一些实施例中，这个更大范围的可准许相对旋转比没有冲击力时的运动范围大10°以上。在一些实施例中，这个更大范围的可准许相对旋转比没有冲击力时的运动范围大15°以上。在一些实施例中，展开装置124可以在没有足够外力的情况下处于初始配置，并且在头盔100受到具有足够力的冲击时处于展开配置(不同于初始配置)。

外壳104被配置成提供头盔100的结构刚性并且防止尖锐物体的穿透。外壳104限定外凹面105。当头盔100佩戴在头部10上时，外壳104被成形为覆盖头部10的前额区域18、头顶区域26和枕骨区域24中的至少一个。外壳104可以由任何合适的固体刚性材料制成，包括塑料(包括纤维增强塑料)、玻璃纤维、碳纤维(包括各种不同的碳纤维，诸如碳纤维预浸料和/或碳纤维与各种织物、丝束和/或编织物)、块状模塑化合物、聚碳酸酯、类似的复合材料和/或类似物。在一些实施例中，外壳104可以具有例如大约35mm、30mm、25mm、20mm、15mm、10mm、5mm或更小的截面厚度。

内部构件106完全或部分地位于外壳104的外凹面105内。在一些实施例中，内部构件106包括多于一个部件，并且每个部件可以可枢转地联接到外壳104。内部构件106可以由任何合适的材料制成，包括塑料(包括纤维增强塑料)、玻璃纤维、碳纤维(包括各种不同的碳纤维，诸如碳纤维预浸料和/或碳纤维与各种织物、丝束和/或编织物)、块状模塑化合物、聚碳酸酯、EPS、EPP、EVA、VN、这些材料的组合和/或类似物。在一些实施例中，内部构件106可以包括部分或完全覆盖支架EPS层，其中，当佩戴头盔100时，支架EPS定位在内部构件106的一个或多个元件与头部10之间。在一些实施例中，内部构件106可以包括完全覆盖EPS。内部构件106可以包括一个或多个孔。这些孔可以有利地帮助头盔100的通风。在一些实施例中，内部构件106可以包括多个层。在一些实施例中，内部构件106可以具有例如大约35mm、30mm、25mm、20mm、15mm、10mm或更小的截面厚度。在一些实施例中，内部构件106可以具有1mm至5mm的截面厚度。在一些实施例中，内部构件106可以具有2mm至3mm的截面厚度。内部构件106和外壳104可以由相同材料或不同材料制成。内部构件106和外壳104可以具有相同的截面厚度或不同的截面厚度。

在一些实施例中，内部构件106可以包括由碳纤维和玻璃纤维中的一个或两个构成的壳以及EPS层。EPS层可以位于壳的凹面内。当由佩戴者佩戴时，EPS层可以与头部10接触。

如图4和图5所示，内部构件106和外壳104可以被运动区142分开，该运动区在内部构件106的外表面106A与外壳104的内(限定腔体)表面104A之间。运动区142越大，外壳104相对于内部构件106旋转的物理空间就越大(即，直到内部构件106的外表面106A接触外壳104的内(限定腔体)表面104A)。

运动区142(其可以由内部构件106的外表面106A和外壳104的内表面104A限定)可以具有任何合适的形状和/或尺寸。在一些实施例中，运动区142在运动区142的至少一部分上具有均匀的截面厚度，即，外壳104的内表面104A和内部构件106的外表面106A在运动区142的至少一部分上以均匀的运动距离140分开。在运动区142的至少一部分上，运动距离140可以等于1cm至3cm。例如，在运动区142的至少一部分上，运动距离140可以为约2.5cm。在其他实施例中，运动区142具有变化的厚度，即，运动距离140在整个运动区142中变化。

运动区142的形状和尺寸可以取决于：(i)外壳104的内表面104A和内部构件106的外表面106A的形状；(ii)运动距离140；(iii)外壳104和内部构件106中的一个或两个的冲击刚度；以及(iv)外壳104和内部构件106中的一个或两个的变形特性。在施加力的情况下，内部构件106和外壳104可以经历相同或不同的变形。内部构件106和/或外壳104的变形可以是内部构件106和/或外壳104的几何形状、厚度和材料特性中的一个或多个的结果。例如，改变内部构件106和/或外壳104的厚度和几何形状中的一个或多个可以改变内部构件106和/或外壳104的刚度。增加内部构件106和/或外壳104的厚度可以增加内部构件106和/或外壳104的刚度。内部构件106和/或外壳104的表面拓扑的几何平滑可以增加内部构件106和/或外壳104的刚度。刚度的增加可以允许内部构件106和/或外壳104抵抗更多的力。不同材料可能部分地因为不同材料在施加力时如何表现而具有不同的抗变形能力。当在一个或多个不同方向上施加负载时，单一材料可能具有不同的抗变形能力。在一些实施例中，可能期望构成内部构件106和外壳104中的一个或两个的一种或多种材料具有足够的刚度，以防止外壳104和内部构件106中的一个或两个变形太大以致于外壳与内壳之间的碰撞阻碍旋转。

运动区142可以影响内部构件106与外壳104之间绕枢转轴线138相对旋转的角度范围。例如，运动区142可以仅准许内部构件106沿第一角方向(相对于外壳104绕枢转轴线138)旋转到第一角度范围最大值，并且可以仅准许内部构件106沿第二角方向(与第一角方向相反)旋转到第二角度范围最大值。在一些实施例中，运动区142可以准许内部构件106与外壳104之间绕枢转轴线138在一个或两个角度方向上进行无限制的相对旋转移动。

在一些实施例中，缓冲材料(例如，可压碎或可塑性变形的材料)和/或流体材料(例如，空气、油、润滑剂、凝胶等中的一个或多个)位于运动区142中。这种材料可以用于抑制旋转加速度和/或速度，和/或可以减少施加到佩戴者的头部的能量。

图25描绘了构成根据特定实施例的头盔100的示例层的示意图。如图所示，头盔100包括外壳104、然后是运动区142。运动区142之后是内部构件106。内部构件106包括内壳111、EPS层107和舒适泡沫层109。在所展示的实施例中，内壳111邻近运动区142。在所展示的实施例中，EPS层107位于内壳111与舒适泡沫层109之间。在所展示的实施例中，舒适泡沫层109可以与头部10接触。图26在头盔100位于头部10上的背景下描绘了图25中描绘的示例层的示意图。

内部构件106和外壳104可枢转地联接在一起，使得内部构件106可以绕枢转轴线138相对于外壳104旋转(反之亦然)。枢转轴线138大体上平行于头盔100的横向平面并且正交于正中矢状平面120。

枢转轴线138的位置可以影响头盔100的佩戴者的头部10和颈部的运动路径(运动学)，并且该运动可以影响作用在头盔100的佩戴者的头部10和颈部上的机械负载(动力学)。例如，枢转轴线138的位置可以影响由内部构件106和外壳104的相对枢转移动产生的力矩，以在冲击时改变头部10的动量方向。当选择枢转轴线138的位置以促进佩戴者的头部10和颈部的旋转运动时的优化策略可以包括(但不限于)：(i)使用于外壳104与内部构件106之间的相对枢转移动的可用空间最大化(或使其处于或高于可接受的阈值水平)，使得例如相对角旋转范围被最大化；(ii)增加施加在头部和颈部上的扭矩；(iii)减小所施加的扭矩需要克服的头部和颈部的质量惯性矩；以及(iv)最小化或降低创伤性脑损伤的可能性(这可以通过降低旋转速度和旋转加速度中的一个或两个来实现)，同时具有足够的速度来保护佩戴者的颈部。

为了将可用于旋转的空间最大化，枢转轴线138的位置可以被放置成尽可能靠近内部构件106(例如，外表面106A)和外壳104(例如，内表面104A)的曲率中心，以防止两者过早地彼此碰撞。图9展示了当枢转轴线138进一步远离内部构件106和外壳104的曲率中心移动时，内部构件106和外壳104在约25°的相对旋转之后彼此碰撞。图9中还示出了头部的重心143，以展示枢转轴线138定位在重心143和与重心143相交的重心线102(图7)之前。在一些实施例中，取决于枢转轴线138相对于内部构件106和外壳104的曲率中心的位置，内部构件106和外壳104可在约0°至60°的相对旋转之后彼此碰撞。

为了增加内部构件106与外壳104之间绕枢转轴线138施加的扭矩，一种选择是增加COG线102和在正中矢状平面120上与枢转轴线138相交的平行线145之间的距离(w)。图10展示了这一点。所施加的扭矩T促使头部和颈部旋转，该扭矩由两个力产生：来自佩戴者的躯干(未示出)的向下(在图10所展示的视图中)的力F₁，该力沿着COG线102定向；以及在枢转轴线138处的向上(在图10所展示的视图中)反作用力F₂，该力沿线145定向。这两个力F₁、F₂产生扭矩T，该扭矩与这两个力F₁、F₂沿其定向的线102、145之间的距离w成比例或至少近似成比例。

为了减小质量惯性矩，一种选择是减小头部10的重心143与正中矢状平面120上的枢转轴线138的位置之间的距离(d)。图11展示了这一点。头部和颈部绕枢转轴线138的质量惯性矩(I_枢转)规定了头部和颈部将因施加的扭矩T而旋转多少，较高的质量惯性矩I_枢转将减少扭矩T对旋转运动(角加速度)将产生的影响。质量惯性矩I_枢转可以使用以下平行轴定理来估计：

I_枢转＝I_COG+md²

I_COG＝头部和颈部绕其COG 143的质量惯性矩

I_枢转＝头部和颈部绕枢转轴线138的质量惯性矩

m＝头部和颈部的质量

d＝枢转轴线138与COG 143之间的距离

可能希望在内部构件106与外壳104之间具有大范围的相对角运动并且产生小的质量惯性矩以抵抗头部旋转动量大小的变化。然而，这两个目标可以被视为竞争。最大范围的旋转运动通常涉及将枢转轴线138定位成尽可能靠近眉线112与COG线102之间的相交处。这也将使质量惯性矩最小化。另一方面，为了产生可能将改变/抵消头部动量方向的最大力矩，可能希望将枢转轴线138定位成尽可能靠近眉线112与前线114之间的相交处。

枢转轴线138的位置是重要的考虑因素。在一些实施例中(包括所展示的实施例，如图7最佳所示)，枢转轴线138在由以下三条线界定的区110中穿过正中矢状平面120：(i)COG线102、(ii)眉线112，以及(iii)前线114。区110还可以部分地由内部构件106的外表面106A与正中矢状平面120的相交处界定。枢转轴线138的位置可以影响内部构件106相对于外壳104的旋转运动范围。

在一些实施例中，枢转轴线138被定位成使得其在眉线112附近的狭窄区域122内与正中矢状平面120相交。不受理论的束缚，将枢转轴线138定位在该狭窄区域122中能够产生相当大的力矩以抵消头部动量的方向。在一些实施例中，优选地将枢转轴线138定位成使得其尽可能靠近眉线112与正中矢状平面120相交，例如，在一些实施例中，在距眉线112的6cm内；在一些实施例中，在距眉线112的5cm内；在一些实施例中，在距眉线112的4cm内；在一些实施例中，在距眉线112的3cm内；在一些实施例中，在距眉线112的2.5cm内；在一些实施例中，在距眉线112的2cm内；在一些实施例中，在距眉线112的1.25cm内；并且在一些实施例中，在距眉线112的1cm内。

头盔100包括一对枢转接头108，以使得内部构件106与外壳104之间能够绕枢转轴线138进行旋转运动。为了确定枢转接头108的位置及其对应的枢转轴线，可以限定与头盔100的正中矢状平面120重合的x-y，使得当头盔100佩戴在头部10上时，y轴可以大体平行于头部10的上/下方向，并且x轴可以大体上平行于头部10的后/前方向(参见图27A、图27B中的x-y平面)。枢转接头108的y坐标可以由连接内部构件106的弧中心157和外壳104的弧中心159的线的中点101限定，其中，内部构件106的弧中心157和外壳104的弧中心159可以通过将圆形曲线曲线拟合到内部构件106和外壳104的内表面或外表面中的任一个分别与正中矢状平面120的相交处或者曲线拟合到内部构件106和外壳104与正中矢状平面120的某一其他相交处来确定。然而，如果中点101不在内部构件106与正中矢状平面120相交的区域内，则y坐标可从中点101移动到内部构件106与正中矢状平面120相交的区域内的最近y坐标。这种y坐标可以被认为是几何y理想位置。可以调整几何y理想位置(例如，在y维度上)以将内部构件106与外壳104之间的预期接触位置引导至具有较低预期变形和/或增加的壳到壳空间的位置。

图27A描绘了选择枢转接头108的y坐标及其对应的枢转轴线的示意性示例。在图27A的实施例中，内部构件106的弧中心157与外壳104的弧中心159之间的中点101的y坐标(由y坐标中点线101A展示)位于内部构件106与正中矢状平面120相交的区域内。在此类实施例中，枢转接头108的理想y坐标位于y坐标中点101处。图27B描绘了选择枢转接头108的y坐标的示意性示例，其中，中点101位于内部构件106与正中矢状平面120相交的区域之外，使得枢转接头108的y坐标移动到内部构件106的区域内的最近y坐标(如在图27B的实施例中通过示例性经调整的y坐标线103所示)。应注意，一般来说，枢转接头108的经调整的y坐标的位置可以取决于枢转接头108的x坐标的位置。

可以选择枢转接头108的x坐标以便(但不限于)：(i)使用于外壳104与内部构件106之间的相对枢转移动的可用空间最大化(或使其处于或高于可接受的阈值水平)；(ii)增加施加在头部和颈部上的扭矩；和/或(iii)减小所施加的扭矩需要克服的头部和颈部的质量惯性矩。随着枢转接头108的x坐标与内部构件106和外壳104的弧中心157、159之间的中点101之间的距离增加(例如，x坐标进一步远离中点)，内部构件106与外壳104之间的枢转移动范围可以减小。增加枢转接头108的x坐标与COG线102之间的距离增加了在施加力时施加到佩戴者的头部的扭矩，从而有利于颈部的弯曲，这可以减轻损伤。减小x坐标与COG线102之间的距离减小了扭矩必须克服的质量惯性矩。

在一些实施例中，枢转接头108的x坐标可以定位在COG线102之前的位置处，使得内部构件106与外壳104之间(在它们接触之前)的最大相对角旋转范围是在10°至30°的范围内。在一些实施例中，枢转接头108的x坐标位于COG线102之前并且被选择成使得该最大旋转范围是15°至25°。在该范围内的枢转接头x坐标处，旋转时间、佩戴者的头部上的扭矩和/或角加速度和速度可以在合适的范围内。在一些实施例中，10°可以是内部构件106与外壳104之间在它们接触之前的最小可接受旋转范围。在一些实施例中，该最小可接受旋转范围是15°。在一些实施例中，该最小可接受旋转范围是20°。在一些实施例中，枢转接头108的x坐标可以位于COG线102和与内部构件106与外壳104之间的最小期望相对角旋转范围相关联的x坐标之间。

枢转接头108可以由以下材料制成：

·塑料(包括增强塑料)(例如，玻璃填充PEEK、UHMW-PE、PPS、PC、聚甲醛/乙缩醛、尼龙、它们的组合和/或类似物)；

·金属(例如，不锈钢、铝、钛、铝青铜、它们的组合和/或类似物)；

·金属和聚合物的组合；

·它们的组合；和/或

·类似物。

图5和图6示出了销式枢转接头108。如图5和图6所示，头盔100包括相对于正中矢状平面120对称地定位在头盔100上的一对枢转接头108。在图6所示的一个具体示例实施例中，通过将销144接合在分别穿过内部构件106、低摩擦垫圈150和外壳104的对齐的孔口146、148内来提供枢转接头108。销144具有与枢转轴线138对齐的纵向轴线。枢转接头108可以仅允许一个自由度，即，外壳104和内部构件106可以被约束(例如，通过低摩擦垫圈15)而不进行任何种类的显著相对平移运动，并且可以仅被准许相对于彼此绕枢转轴线138旋转。枢转轴线138可以是头盔100两侧上的枢转接头108共用的。在其他实施例中，代替使销144通过对齐的孔口146、148与内部构件106和外壳104接合，销144可以直接从内部构件106或外壳104中的任一个突出并穿过内部构件106和外壳104中的另一个中的合适的孔口。相同的销式枢转接头108也可以并入图19A、图19B、图20A和图20B所示的实施例中。图19A、图19B、图20A和图20B描绘了根据特定实施例的头盔100内的展开装置。该销式枢转接头仅是枢转接头108的一个可能的实施例。

本文描述的一些枢转接头108(例如，上文结合图5和图6描述的销式枢转接头108)准许内部构件106和外壳104绕枢转轴线138的相对旋转，但是在内部构件106、外部构件106或者枢转接头108中的一个或两个没有变形的情况下，不为内部构件106和外壳104的相对移动提供任何其他自由度。如本文所述，在一些此类实施例中，枢转接头108可以被定位成使得对于头盔100的两侧上的枢转接头108，枢转轴线138至少大致相同(即，至少大致重合或共线)。在一些此类实施例中，枢转接头108可以被构造成具有单个(旋转)自由度(例如，绕枢转轴线138)，使得在内部构件106、外部构件106或者枢转接头108中的一个或两个没有变形的情况下，内部构件106与外壳104之间(绕枢转轴线138)的相对移动仅存在一个对应的(旋转)自由度。

然而，本发明人已经发现，可能期望为枢转接头108提供附加的旋转自由度。这种附加的旋转自由度可以有利于头盔100的操作(例如，内部构件106与外壳104之间的相对移动)，以减轻脊髓损伤，甚至在内部构件104、外壳106和/或枢转接头108变形(例如，由于冲击)的情况下也是如此。在一些此类实施例中，每个枢转接头108可以操作以提供三个旋转自由度，但是在内部构件106没有变形的情况下，外部构件106或枢转接头108不提供任何平移自由度。在一些此类实施例中，头盔100的每一侧上的枢转接头108可以具有它们自己的对应枢转轴线138，并且枢转接头可以允许这些枢转轴线138改变取向。在一些此类实施例中，在内部构件106、外部构件106或枢转接头108没有变形的情况下，枢转接头108的相应枢转轴线138的平移位置可以是固定的(例如，在可以在与内部构件106和外壳104重合或位于它们之间的平面中的原点处)，而相应枢转轴线138的取向可以被准许改变，只要它们各自原点的平移位置是固定的即可(即，只要枢转轴线138仍然延伸穿过它们相应的原点即可)。这种功能性(多个旋转自由度和/或绕轴线旋转，其中轴线的取向被准许改变)可以由例如表面支承枢转接头提供。这种表面支承枢转接头可以包括具有第一表面的第一部件(例如，凸形部件)以及具有第二表面的第二部件(例如，凹形部件)，该第二表面与第一表面互补以准许互补的第一表面和第二表面之间的可滑动接合。互补的第一表面和第二表面可以是弯曲的。

准许多个旋转自由度和/或绕轴线旋转(其中轴线的取向被准许改变)的一种类型的表面支承枢转接头被称为全窝型枢转接头。枢转接头108中的一个或两个可以包括全窝型枢转接头。图28A、图28B和图28C(统称为图28)描绘了示例全窝型枢转接头400的立体图。全窝型枢转接头400包括对应地装配在一起的凹形部件402和凸形部件404(参见例如图28A，该图描绘了示例组装的全窝型枢转接头400的立体图)。凹形部件402和凸形部件404中的一个可以安装到内部构件106，并且凹形部件402和凸形部件404中的另一个可以安装到外壳104。图28B描绘了凹形部件402的立体图。凹形部件402包括由一个或多个弯曲表面405限定的空腔403，该弯曲表面可以是圆柱形的、半球形的或者具有某种其他合适的弯曲轮廓。图28C描绘了凸形部件404的立体图。凸形部件404包括突出部406。突出部406包括一个或多个弯曲表面407。凸形部件404的弯曲表面407被成形为与凹形部件402的弯曲表面405互补，使得凸形部件404和凹形部件402彼此接合(例如，通过弯曲表面405、407的可滑动接合)以有利于凸形部件404相对于凹形部件402以三个旋转自由度或绕枢转轴线的移动，其中，枢转轴线的取向被准许改变。弯曲表面407和弯曲表面405的形状可以在实施例之间变化。例如，如图28C所描绘，弯曲表面407的形状使得弯曲表面终止于大致平面408。在其他实施例中，弯曲表面407的范围可以更小或更大。弯曲表面407的大小和/或形状的变化可以直接对应于不同大小的大致平面408。例如，在一些实施例中，可以选择弯曲表面407的大小和曲率，使得突出部406是半球形或半椭圆形的形状。弯曲表面405可以与弯曲表面407互补。

准许多个旋转自由度和/或绕轴线旋转(其中轴线的取向被准许改变)的另一种类型的表面支承枢转接头被称为半窝型球形接头。枢转接头108中的一个或两个可以包括半凹窝型球形接头。图29A、图29B和图29C(统称为图29)描绘了示例半窝型球形接头410的立体图。半窝型球形接头410包括对应地装配在一起的凹形部件412和凸形部件414(参见例如图29A，该图描绘了半窝型球形接头410的立体示例)。凹形部件412和凸形部件414中的一个可以安装到内部构件106，并且凹形部件412和凸形部件414中的另一个可以安装到外壳104。图29B描绘了凸形部件414的立体图。凸形部件414包括突出部416。突出部416可以具有一个或多个弯曲表面417。在不同的实施例中，弯曲表面417的大小和/或形状可以不同。例如，如图29B所描绘，在一些实施例中，弯曲表面417可以是基本上半球形的形状。在其他实施例中，弯曲表面417的范围可以不同，从而导致例如半球形或部分球形的形状。在其他实施例中，弯曲表面417可以具有其他弯曲形状。弯曲表面417与由凹形部件412的一个或多个臂419所提供的一个或多个弯曲表面415(如图29C所示)互补并接合。凹形部件412包括由一个或多个弯曲表面415限定的空腔413，该弯曲表面可以以与弯曲表面417互补的方式弯曲。图29C中描绘的实施例描绘了包括大体半球形表面415的一个臂419。然而，在其他实施例中，空腔413可以由多个臂419所提供的弯曲表面415限定。

枢转接头108可以另外地或替代地包括盘锁、卡扣锁、T形接头(例如，图31)、螺母、螺栓以及脊和凹槽中的一个或多个(例如，图30示出了对应于一个或多个脊的一个或多个凹槽，它们放在一起时会枢转)。其他球窝型接头可以包括卡扣配合球窝接头和/或两部分承窝。

枢转接头108可以是定制的或者使用现成的部件来制造。可以组合多个现成部件来形成定制枢转接头108。现成部件可以包括螺栓、垫圈、螺母、夹具支承件等中的一个或多个。现成部件可以由塑料、增强塑料、金属、玻璃纤维、碳纤维、它们的组合和/或类似物制成。

枢转接头108有利于外壳104和内部构件106的枢转联接，以有利于外壳104相对于内部构件106绕枢转轴线138的旋转移动。在诸如全窝型枢转接头(图28)、半窝型球形接头(图29)或其他表面支承枢转接头的一些实施例中，凸形部件和凹形部件中的一个可以刚性地安装或连接到内部构件106(或刚性地安装到内部构件106但用于一个旋转自由度)，并且凸形部件和凹形部件中的另一个可以刚性地安装或连接到外壳104(或刚性地安装到外壳104但用于一个旋转自由度)。

枢转接头108的部件(例如，凸形部件或凹形部件)可以借助于以下一种或多种方式联接到内部构件106：

·通过将枢转接头108的部件嵌入在内部构件106中而与内部构件106集成；

·将枢转接头108的部件机械地联接到内部构件106(例如，使用钻孔、螺栓、塑料熔化螺栓等中的一个或多个)；以及

·使用粘合剂(例如，3M胶水、环氧树脂等)将枢转接头108的部件粘附到内部构件106。

枢转接头108的部件可以各自借助于外壳104中的凹部和粘合剂联接到外壳104。替代地或另外地，枢转接头108的部件可以各自通过机械手段(例如，钻孔、螺栓、塑料熔化螺栓等)和/或粘合剂(例如，3M胶水、环氧树脂等)联接到外壳104。

为了降低枢转接头108的部件在施加力时从外壳104(或内部构件106)剥离或分离的可能性，枢转接头108的部件与外壳104(或内部构件104)的联接可以包括以下一项或多项：

·枢转接头108的部件108A可以在一个或多个维度上是锥形的。可能希望使枢转接头部件108A锥形化，以便在认为更有可能产生剥离应力的区域中设置得更薄。枢转接头部件108A的厚度可以是锥形的，如图32、图33A和图33B所示。锥形可以是或可以不是线性的。另外地或替代地，枢转接头部件108A可以是孔口或设置有其他表面轮廓(如图33A和图33B的实施例中所示)以提供改进的粘合结合(相对于平坦或平面表面)。

·枢转接头部件108A可以联接到外壳104，使得外壳104大体上接触枢转接头部件108A的两个垂直端部，并且以“钩”状附接部分地接触枢转接头部件108A的第三端部，如图34所示。

·枢转接头部件108A可以使用一个或多个螺栓(参见例如图35)、铆钉和/或类似的紧固件联接到外壳104。

·枢转接头部件108A可以被成形为在较高应力区域中具有增加的面积，这进而可以在高应力区域中在枢转接头部件108A与外壳104之间产生更大的结合区域(参见例如图36，其中，枢转接头部件108A的更大区域具有更高的应力)。

头盔100还包括展开装置124(图19A和图19B中示出该展开装置的一个实施例)以维持内部构件106与外壳104之间的初始角关系(绕枢转轴线138)。在没有足够的外力的情况下，展开装置124约束内部构件106与外壳104之间绕枢转轴线138的旋转运动(例如，约束在最小旋转量内)。也就是说，在没有足够的外力的情况下，展开装置124约束内部构件106和外壳104绕枢转轴线138的初始相对角取向(例如，约束在最小相对角取向内)。展开装置124可以通过在内部构件106与外壳104之间(或者在内部构件106与外壳104之间的枢转联接的任何部件之间)施加趋于防止相对旋转的力来约束内部构件106与外壳104之间的相对运动。当头盔100受到具有足够力(例如，大于可配置阈值的外力)的冲击时，展开装置124展开以准许外壳104与内部构件106之间绕枢转轴线138的相对角旋转。在一些实施例中，展开装置124的展开阈值大约在400N至1750N之间且包括400N和1750N，如在头盔100的顶部处测量的。在一些实施例中，展开装置124的展开阈值在1200N至1500N的范围内，如在头盔100的顶部处测量的。在一些实施例中，该阈值在1000N至1200N的范围内，如在头盔100的顶部处测量的。在一些实施例中，该阈值在750N至1000N的范围内，如在头盔100的顶部处测量的。展开装置124可以在没有足够外力的情况下处于初始配置，并且在头盔100受到具有足够力的冲击时处于展开配置(不同于初始配置)。

展开装置124的一个功能是维持内部构件106与外壳104之间绕枢转轴线138的初始角关系，直到头盔100受到大于可配置阈值的外力(例如，冲击力)。展开装置124的特征可以是在受到这种冲击力之前处于初始配置。维持初始角关系会在活动(例如，体育活动)期间将机械嘎嘎声和/或不希望的运动最小化。展开装置124的另一功能可以是减轻头部10与内部构件106的脱离。本发明人已经确定，如果在外壳104上的冲击力达到至少300N至500N之前内部构件106开始旋转，则头部10不会与内部构件106“粘住”并且将可能独立于内部构件106滑动和移动。

当头盔100受到冲击时，展开装置124还可以能够积累足够的摩擦力。当头盔100受到力高于展开装置124的阈值的冲击时，外壳104与地面之间的摩擦力可能足够大以改变头部10的动量。换句话说，如果外壳104与冲击表面之间的摩擦力足够高以防止打滑，则外壳104可以能够滚动/旋转而不打滑。相反，如果外壳104在冲击表面处的运动是滑动，则外壳104可以旋转，但是头部和颈部可以继续传入动量。

展开装置124可以定位在头盔100内和/或头盔上的任何合适的位置处。展开装置124可以定位在一个或多个枢转接头108内、与一个或多个枢转接头108相距1cm至3cm和/或定位在头盔100的后部处。头盔100的后部可以由头盔100在冠状平面12(参见图3)之后或在包含COG线102并与正中矢状平面120正交的平面之后的区域限定。替代地或另外地，头盔100的后部可以被定义为头盔100的后内侧区域。

在一些实施例中(特别是在图19A和图19B的实施例中)，展开装置124包括剪切销128。剪切销128可以被认为是易碎的展开装置124。剪切销128可以被配置成当头盔100被大于可配置阈值(例如大于1000N或本文描述的任何其他阈值或阈值范围)的力撞击时破裂。剪切销128可以放置在外壳104与内部构件106之间的任何合适的位置处。可以放置一个或多个剪切销128以将外壳104连接到内部构件106。在一些实施例中，剪切销128被放置在头盔100的后外侧部分附近。如图19B所示，所展示的实施例的头盔100包括相对于正中矢状平面120对称地定位在头盔100上的一对剪切销128。剪切销128位于头盔100的后外侧部分附近。头盔100的外侧部分可以是相对平坦的(最小曲率)并且因此安装剪切销128将相对容易。头盔100的后部部分提供了相对于枢转轴线138相对较大的力矩臂，使得位于该区域中的剪切销128将经受较小的剪切力，并且相对低刚性的销128仍可以用于展开装置124中以避免意外展开/破裂。

当剪切销128破裂时，它将内部构件106和外壳104从其初始相对角关系中释放，并且外壳104能够(通过枢转接头108的作用)相对于内部构件106绕枢转轴线138旋转。

在一些实施例中，展开装置124包括安装在头盔100的左侧和右侧上的一对聚乳酸(PLA)塑料剪切销。直径为2.85mm的这种销各自可以抵抗至多477N。

例如，如果使用直径为2.85mm由PLA制成的剪切销

(剪切强度，τ＝33Mpa)：

A_剪切，剪切销的截面积＝π(0.00285)²/4

＝6.38x10^-6[m²]

F_剪切最大＝A_剪切τ＝(6.38x10^-6[m²])(33x10^-6[Pa])

＝210.54[N]

针对两个销(每侧上一个)，F_{剪切最大双}＝210.54[N]*2

＝421.80[N]

F_w，最大＝F_{剪切最大双倍}d_s/d_P

＝(421.80[N])(0.04[m]/0.17[m])

＝99.25[N]

这意味着当F_轴向达到以下时，剪切销将破裂：

F_轴向最大＝F_w，最大/sin(a)

＝99.25[N]/sin(12°)

＝477.35[N]

在其他实施例中，展开装置124可以包括其他易碎或可破裂的装置。例如，展开装置124可以包括一个或多个可破裂的密封件。易碎展开装置124可以以大体类似于剪切销128的方式起作用。例如，易碎展开装置124可以维持内部构件106与外壳104之间的初始配置，当被施加足够的力时，易碎展开装置124可以破裂，其中，这种破裂允许内部构件106相对于外壳104枢转(通过枢转接头108的作用)。

在另一示例实施例中，展开装置124包括弹性附接构件128、164(例如，弹性系绳，而不是剪切销)以将内部构件106和外壳104保持在它们的初始相对角位置。弹性附接构件128、164的图形表示可以类似于如图19A和图19B所示的剪切销128的图形表示。在展开之前(即，在经历与冲击相关联的范围内的力之前)，弹性附接构件128、164可以准许内部构件106与外壳104之间的一些相对旋转移动。在一些实施例中，该展开前相对旋转小于5°。在一些实施例中，该展开前相对旋转小于2.5°。在一些实施例中，该展开前相对旋转小于1.25°。在展开时，弹性附接构件128、164拉伸或以其他方式变形并允许内部构件106相对于外壳104绕枢转轴线138旋转(或更大范围的相对旋转)。在一些实施例中，这个更大范围的可准许相对旋转大于5°。在一些实施例中，这个更大范围的可准许相对旋转大于10°。在一些实施例中，这个更大范围的可准许相对旋转大于15°。在一些实施例中，弹性附接构件128、164可以被配置成在施加到头盔100的力大于可配置阈值的情况下破裂。

展开装置124可以包括卡扣配合连接器154，如图20A和图20B所示。卡扣配合连接器154包括彼此形成恢复性变形配合的凹形部件156和凸形部件158。也就是说，当凸形部件158插入凹形部件156时，部件156、158中的一个或两个最初弹性地变形，然后，当进行连接时，存在趋于恢复该弹性变形的恢复力，从而导致部件156、158“卡扣配合”在一起。当凹形部件156接合凸形部件158时，卡扣配合连接器154将外壳104与内部构件106连接。当足够的力使部件156、158中的一个或两个变形从而允许它们再次分离时，例如，当头盔100被大于阈值的力撞击时，凹形部件156与凸形部件158分离。在一些实施例中，该阈值是1000N。在一些实施例中，该阈值是750N。在一些实施例中，该阈值是1500N。

展开装置124可以包括机械展开装置。例如，展开装置124可以包括一个或多个扭转弹簧。在展开时，一个或多个扭转弹簧拉伸或以其他方式变形并允许内部构件106相对于外壳104围绕枢转轴线138旋转(或更大范围的相对旋转)。在一些实施例中，这个更大范围的可准许相对旋转大于5°。在一些实施例中，这个更大范围的可准许相对旋转大于10°。在一些实施例中，这个更大范围的可准许相对旋转大于15°。在一些实施例中，一个或多个扭转弹簧可以被配置成在施加到头盔100的力大于可配置阈值的情况下破裂。

在一些其他实施例中，枢转接头108和展开装置124作为一个机构合并在一起。例如，图21A至图21B、图22A至图22B、图23A至图23C和图24A至图24C示出了具有内置展开装置的枢转接头。图21A至图21B示出了枢转接头160，该枢转接头具有销162和联接到销162的弹性附接构件164。销162允许内部构件106相对于外壳104进行一个自由度的旋转。销162被定位成使得销162的纵向轴线与枢转轴线138对齐。弹性附接构件164将销162与内部构件106连接。可以通过将销162接合在穿过内部构件106和外壳104的对齐的孔口内来提供枢转接头160。在一些其他实施例中，销162与内部构件106或外壳104中的任一个整体形成，使得另一个壳可相对于整体形成的销-壳组件绕枢转轴线138旋转。弹性附接构件164被联接到销162并且用于维持内部构件106与外壳104之间的初始相对角关系(例如，维持在最小相对角取向内)，直到头盔100受到足够的冲击力。在一些实施例中，该最小相对旋转小于5°。在一些实施例中，该最小相对旋转小于2.5°。在一些实施例中，该最小相对旋转小于1.25°。当足够的外力施加到头盔100时(例如，在冲击时)，弹性附接构件164拉伸或以其他方式变形，从而允许内部构件106相对于外壳104绕枢转轴线138的更大范围的旋转。在一些实施例中，这个更大范围的可准许相对旋转大于5°。在一些实施例中，这个更大范围的可准许相对旋转大于10°。这个更大范围的可准许相对旋转大于15°。在一些实施例中，弹性构件164可以被配置成在施加到头盔100的力大于可配置阈值的情况下破裂。

图22A至图22B示出了具有凹形部件172和凸形部件174的枢转接头170。在所展示的实施例中，凹形部件172联接到外壳104并且凸形部件174联接到内部构件106，但是这种配置可以颠倒。凹形部件172具有与凸形部件174互补的特征。首先，凹形部件172被成形为限定大致圆柱形孔，并且凸形部件174被成形为具有与凹形部件172的孔互补的圆柱形表面，使得凸形部件174至少部分地配合在凹形部件172的孔中。凹形部件172限定具有内表面175的径向延伸凹槽176。凸形部件174具有从侧壁179延伸并且形状与凹槽176互补的可变形或脱离键部178，使得键部178配合在凹槽176中。当头盔100受到大于可配置阈值的冲击力时，键部178从凸形部件174剪断(和/或键部178和凹槽176中的一个或两个变形)，使得键部178和凹槽176的相互作用不再阻止凸形部件174相对于凹形部件172旋转。凸形部件174与凹形部件172之间的相对旋转进而允许内部构件106相对于外壳104绕枢转轴线138旋转。

图23A至图23C示出了具有内置卡扣配合机构的枢转接头180。枢转接头180具有凹形部件182和与凸形部件182互补的凸形部件184。在所展示的实施例中，凹形部件182具有固定到外壳104的内表面的基部186，并且凸形部件184具有固定到内部构件106的外表面的基部181，但是这种配置可以颠倒。凸形部件184具有从基部181延伸的轴183。凹形部件182和凸形部件184具有结构特征以便(i)使得凹形部件182能够相对于凸形部件184旋转，以及(ii)将凹形部件182和凸形部件184保持在初始角布置。首先，为了使凹形部件182和凸形部件184能够相对旋转，凸形部件184的轴183用作枢转销。轴183仅允许凹形部件182相对于凸形部件184进行一个自由度的旋转，这进而使得内部构件106能够相对于外壳104绕枢转轴线138旋转。轴183以任何合适的方式与凹形部件182接合，以允许凹形部件182相对于凸形部件184进行一个自由度的旋转。例如，凹形部件182的基部186可以限定凹入部分189，该凹入部分被成形为限制凸形部件184相对于凹形部件182的平移移动。轴183可以被成形为限定大体圆柱形孔185，并且凹形部件182可以提供销188，该销被成形为至少部分地配合在大体圆柱形孔185中。大体圆柱形孔185具有与枢转轴线138对齐的纵向轴线。销188从凹形部件182的基部186延伸，并且当销188配合在大体圆柱形孔185中时，销188在沿枢转轴线138的方向上定位。销188和大体圆柱形孔185是可选的，并且它们的接合使得凹形部件182与凸形部件184之间仅有一个自由度。其次，为了将凹形部件182和凸形部件184保持在初始角布置，可以使用卡扣配合机构。例如，轴183可以包括一个或多个径向突出部187A，该一个或多个径向突出部被成形为配合到凹形部件182上的一个或多个对应凹口189A中。当径向突出部187A位于凹口189A内时，它们的接合阻止凹形部件182和凸形部件184之间的相对旋转，这进而阻止内部构件106与外壳104之间的相对旋转。当径向突出部187A从凹口189A离开时，它们的脱离允许凹形部件182和凸形部件184之间的相对旋转，这进而允许内部构件106与外壳104之间的相对旋转。

参考图23A至图23C，轴183包括接合凹形部分189的两个悬臂187。悬臂187各自具有径向突出部187A，并且凹形部分189提供两个对应的径向延伸凹面189A。径向突出部187A可以由可变形材料制成。当头盔100受到大于可配置阈值的冲击时，径向突出部187A变形并从径向延伸的凹面189A离开，使得凸形部件184可以相对于凹形部件182旋转。可以存在多于两个悬臂187，使得准许离散水平的角旋转。例如，可以存在四个悬臂187，并且这些悬臂可以围绕轴183以均匀的角间隔对称地定位。在这种实施例中，准许90°的离散水平的角旋转。

图24A至图24C示出了具有齿轮状轮廓的枢转接头190。枢转接头190具有凹形部件192和凸形部件194。凹形部件192联接到外壳104并且凸形部件194联接到内部构件106。凹形部件192具有与凸形部件194互补的特征。首先，凹形部件192被成形为限定孔，并且凸形部件194被成形为限定与凹形部件192的孔互补的表面，使得凸形部件194至少部分地配合在凹形部件192内。凸形部件194的表面具有齿轮状轮廓/棘轮接口。对应地，凹形部件192的孔具有互补的齿轮状轮廓/棘轮接口。凹形部件192与凸形部件194之间的齿轮状接合(i)实现了离散水平的角旋转，并且(ii)将凹形部件192和凸形部件194保持在初始角布置。仅当头盔100受到大于可配置阈值的冲击力时，凹形部件192才相对于凸形部件194旋转。这种力或扭矩引起凹形部件192或凸形部件194的变形，这进而准许凹形部件192相对于凸形部件194进行离散量的角旋转。一旦力下降到低于可配置阈值，凹形部件192相对于凸形部件194的旋转就会停止。总体而言，凸形部件194相对于凹形部件192的每次增量转动都将提供一定水平的扭转阻力。

这些示例实施例表明枢转接头108和展开装置124可以是单独的结构部件或者可以组合成单个机构。

头盔100可以包括位于内部构件106的内表面上的保护衬里(未示出)。保护衬里可以类似于现有技术的头盔上设置的保护衬里，并且可以包括任何可变密度的泡沫材料。

头盔100还可以包括固位带(未示出)、下巴带或者用于将头盔100固定到头部10的其他合适装置。

头盔100可以用于减轻颈椎损伤和/或骨折。响应于大于可配置阈值的冲击力，展开装置124被展开以将内部构件106和外壳104从它们的初始相对角关系中释放，并且外壳104能够相对于内部构件106绕枢转轴线138旋转。在头部先冲击的情况下，头盔100引起颈部弯曲，从而减轻颈椎骨折。

第二头盔实施例

图12示出了根据另一示例实施例的头盔200。头盔200基本上类似于头盔100，除了头盔200包括一个或多个倾斜区域249A，这些倾斜区域被限定在外壳204的外表面204B上的对应的一对末端/顶点251A、251B之间或者至少在外壳204的外表面204B与正中矢状平面220的相交处204C。这些顶点251A、251B(统称为顶点251)可以用于由于外壳204与地面(或其他冲击表面)之间的相互作用而在外壳204与内壳206之间引起附加的扭矩。与头盔100的部件相对应的头盔200的部件用增加100的附图标记来示出。

不限于此，头盔200可以用于涉及诸如冰和/或雪的低摩擦冲击表面的运动。在撞击时，低摩擦撞击表面可以准许头盔在这种表面上滑动，并且由于这种滑动，可能不会(仅经由摩擦)在内部构件和外壳之间产生期望的扭矩以促进相对枢转运动。在这些情况下，期望引起内部构件与外壳之间的相对枢转运动以及对应的颈部弯曲的基本力学可能不同于涉及相对较高摩擦冲击表面的那些。对抗光滑表面的备用特征是将外壳204的外表面204B的矢状平面轮廓204C成形，使得在对应的成对顶点251A、251B之间存在一个或多个倾斜区域249。

例如，图12的头盔200中的外壳204的外表面204B的矢状平面轮廓204C包括分别位于顶点251A、251B之间的一个或多个倾斜区域249A。在图12所展示的实施例中，矢状平面轮廓204C的倾斜区域249是直线。这并不是绝对必要的。在一些实施例中，矢状平面轮廓204C的倾斜区域249的曲率半径与倾斜区域249的边缘处的顶点251的对应曲率半径相比可以相对较大。在图12所展示的实施例中，顶点251B与COG线202重合，但这不是必需的。如果顶点251B与COG线202重合，则顶点251B可以被称为COG顶点251B。头盔200可以包括位于COG顶点251B之前的一个或多个前倾斜表面249A。例如，头盔200包括位于COG顶点251B之前并且在COG顶点251B与顶点251A之间的前倾斜表面249A。在一些实施例中，头盔200可以包括位于COG顶点251B之后的一个或多个后倾斜表面。

外壳204的外表面204B(及其倾斜表面249A和顶点251A、251B)有助于在头盔200与冲击表面之间产生额外的力，其中，该力被定向为在外壳204与内部构件206之间产生扭矩，该扭矩趋于在高摩擦冲击表面和低摩擦冲击表面的情况下引起外壳与内部构件之间的相对枢转移动并引起颈部弯曲。对于相对高摩擦的冲击表面，可以在图13中看到这种效果。在图13的图示中，外壳204(具体地，COG顶点251B和倾斜表面249A)与冲击表面之间的相互作用产生摩擦扭矩，该摩擦扭矩趋于使外壳204围绕枢转轴线238沿顺时针方向枢转和/或使内壳沿逆时针方向枢转(在所展示的视图中)。

图14A至图14C展示了头盔200与低摩擦冲击表面的相互作用。当轴向撞击光滑表面时，向下的力经由枢转接头208传递到外壳204上，从而在外壳204上绕枢转轴线238产生顺时针扭矩(在所展示的视图中)，该扭矩趋于将外壳204的遮护空腔216的顶部边缘向上移动到眉毛上方更远处。当头盔从初始冲击(图14A)过渡到稍微旋转位置(图14B)时，表明了这种顺时针旋转。由于冲击表面与外壳204之间缺少摩擦，外壳204可能无法继续旋转经过图2 14B中所示的配置，并且相反，外壳204可以抵靠冲击表面滑动，直到顶点251A停止外壳204的相对顺时针旋转。头盔200与冲击表面之间的接触点现在被移位，从而在头盔-头部-颈部组件上施加逆时针扭矩。

施加在外壳204上的接触力的位置最初在顶点251B的位置处。该力本身表现为顺时针扭矩(在外壳204上绕枢转轴线238)，该扭矩趋于导致外壳相对于内部构件沿顺时针方向枢转。当头盔从初始冲击(图14A)过渡到稍微旋转位置(图14B)时，表明了这种顺时针旋转。当斜面251A接触地面时，外壳204的旋转停止，从而在外壳上施加逆时针力矩。此时，头部的动量获得前向分量，并且头部和颈部移动成弯曲。

在其他方面，头盔200可以类似于本文描述和展示的头盔100。

使用多壳式头盔防止脊柱损伤

为了简洁起见且在不失一般性的情况下，本部分的描述集中于头盔100，但也适用于头盔200和本文描述的其他头盔。如图15所示，外壳104相对于内部构件106绕枢转轴线138旋转。枢转轴线138的位置被有目的地放置在COG线102之前。如图15的中间分图所示，枢转轴线138的这个位置使得头部10和内部构件106能够在枢转接头208上施加扭矩(绕枢转轴线138)，该扭矩趋于引起颈部弯曲和头部10朝向佩戴者躯干的前部移动(即，在所展示的视图中，头部和颈部受到逆时针扭矩)。同时，枢转轴线138的这个位置使得外壳104能够在相反的角方向上经受枢转接头208上(绕枢转轴线138)的扭矩。

表1示出了由于在商用头盔上进行的在内部构件106与外壳104之间的枢转运动而引起的实验测量的负载和加速度的变化(图17和图18)。所有跌落均以3.0m/s至3.2m/s内的冲击速度进行测试。

表1

改装单壳式头盔以提供双壳功能

可以通过改装单壳式头盔来制成头盔100。单壳式头盔包括第一壳和内部保护衬里。内部保护衬里可以是单冲击保护衬里(例如，EPS)或多冲击保护衬里(例如，EVA)。具有单冲击保护衬里的单壳式头盔在本文中可以称为单冲击单壳式头盔。具有多冲击保护衬里的单壳式头盔在本文中可以称为多冲击单壳式头盔。

图16示出了用于改装单壳式头盔以提供双壳式头盔100的方法300。

在步骤302处，确定联接区110的位置。联接区110由嵌入头盔100的正中矢状平面120中的以下三条线界定：(i)COG线102、(ii)眉线112，以及(iii)前线114。如上所讨论，COG线102的位置可以由头盔制造商指定，特别是在制造商使用标准化拟人测试装置(“ATD”)(通常称为假人)来设计头盔的尺寸和形状的情况下。

在步骤304处，将第二壳可枢转地联接到单壳式头盔的第一壳以形成多壳结构。第一壳可通过绕横向定向的枢转轴线138旋转而相对于第二壳移动。枢转轴线138平行于多壳结构的横向平面并且正交于正中矢状平面。枢转轴线还穿过联接区110(参见上文对枢转轴线138和联接区110的描述)。第二壳可以进入单壳式头盔内部或在单壳式头盔外部。第二壳可以跨越单壳式头盔的全部或一部分。

第二壳可以经由枢转机构联接到第一壳。第二壳可以通过枢转接头108联接到第一壳。

在步骤306处，添加展开装置124以将外壳104和内部构件106可拆卸地联接在一起。如上所讨论，在没有足够的外力的情况下，展开装置124约束内部构件106与外壳104之间绕枢转轴线138的旋转运动(例如，约束在最小旋转量内)。也就是说，在没有足够的外力的情况下，展开装置126约束内部构件106和外壳104绕枢转轴线138的初始相对角取向(例如，约束在最小相对角取向内)。展开装置124可以通过在内部构件106与外壳104之间(或者在内部构件106与外壳104之间的枢转联接的任何部件之间)施加趋于防止相对旋转的力来约束内部构件106与外壳104之间的相对运动。当头盔受到具有足够力(例如，大于阈值的外力)的冲击时，展开装置124展开以准许外壳104与内部构件106之间绕枢转轴线138的相对角旋转。在一些实施例中，展开装置124可以在没有足够外力的情况下处于初始配置，并且在头盔受到具有足够力的冲击时处于展开配置(不同于初始配置)。当头盔100受到冲击时，展开装置124还可以准许积累足够的摩擦力。这种摩擦力然后可能会改变头部动量的方向。

图17A示出了示例一次性使用的单壳式头盔，该单壳式头盔被改装以添加内部构件106来提供本文描述的双壳式头盔功能。图17B示出了示例多次使用的单壳式头盔，该单壳式头盔被改装以添加内部构件106来提供本文描述的双壳式头盔功能。

图18示出了示例单壳式头盔，该单壳式头盔被改装以添加外壳104来提供本文描述的双壳式头盔功能。

虽然上文已经讨论了多个示例性方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些修改、排列、添加和子组合。因此，以下所附权利要求和此后引入的权利要求旨在被解释为包括与整个说明书的最广泛解释一致的所有此类修改、排列、添加和子组合。

Claims (49)

1.一种头盔，包括：

外壳，该外壳限定凹面；

内部构件，该内部构件的至少一部分位于该凹面内，该内部构件枢转地联接到该外壳并且被准许通过绕横向定向的枢转轴线旋转来相对于该外壳移动；以及

展开装置，该展开装置：

在没有足够的外力的情况下，约束该内部构件与该外壳之间绕该枢转轴线的旋转运动；以及

当该头盔受到足够力的冲击时，展开以准许该外壳与该内部构件之间绕该枢转轴线的相对角旋转。

2.如权利要求1或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，在没有足够的外力的情况下，该展开装置通过施加趋于防止该内部构件与该外壳之间或者该内部构件与该外壳之间的枢转联接的任何部件之间的相对旋转的力来约束内部构件与外壳之间的相对旋转运动。

3.如权利要求1和2中任一项或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，在没有足够的外力的情况下，该展开装置将该内部构件与该外壳之间绕该枢转轴线的旋转运动约束为最小相对旋转。

4.如权利要求3或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，该最小相对旋转小于5°。

5.如权利要求3至4中任一项或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，当该头盔受到具有足够力的冲击时，该展开装置展开以准许该外壳与该内部构件之间绕该枢转轴线的更大范围的相对角旋转。

6.如权利要求5或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，该更大范围的相对旋转大于5°。

7.如权利要求1至6中任一项或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，该横向定向的枢转轴线平行于该头盔的横向平面并且正交于该头盔的正中矢状平面。

8.如权利要求7或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，该横向定向的枢转轴线穿过由该头盔的正中矢状平面中的三条假想线界定的联接区，该三条线是：

重心线；

眉线，该眉线从该头盔的前部部分延伸到后部部分并且与限定面部开口的顶边缘的表面上的最低点相切；以及

前线，该前线与该重心线平行并且与该面部开口的顶边缘表面的最低点相交。

9.如权利要求8或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，该横向定向的枢转轴线与该联接区内的狭窄区域相交，该狭窄区域在该眉线上方2.5cm内。

10.如权利要求1至9中任一项或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，该内部构件和该外壳通过枢转接头联接在一起，这准许该外壳通过围绕该横向定向的枢转轴线旋转来相对于该内部构件移动。

11.如权利要求10或本文任何其他权利要求所述的头盔，该枢转接头包括对称地位于该头盔上的两个枢转机构。

12.如权利要求11或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，该两个枢转机构中的一个或两个被定位在该头盔的重心线与在该展开装置展开之后该内部构件与该外壳之间的最大相对角旋转范围在10°至30°的范围内的位置之间。

13.如权利要求11至12中任一项或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，该两个枢转机构中的一个或两个被定位成使得该横向定向的枢转轴线与该矢状平面相交的位置位于该内部构件的弧中心与该外壳的弧中心之间的中点处。

14.如权利要求11至13中任一项或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，第一枢转机构绕第一枢转轴线枢转，并且第二枢转机构绕第二枢转轴线枢转。

15.如权利要求14或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，该第一枢转轴线、该第二枢转轴线和该横向定向的枢转轴线共线。

16.如权利要求11至14中任一项或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，该两个枢转机构中的一个或两个提供三个旋转自由度。

17.如权利要求11至16中任一项或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，该第一枢转轴线和该第二枢转轴线的平移位置是固定的。

18.如权利要求11至14、16和17中任一项或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，该第一枢转轴线和该第二枢转轴线中的至少一个的取向是可变的。

19.如权利要求16或18或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，这些枢转机构中的一个或两个包括表面支承枢转接头，其中，两个互补的弯曲表面彼此抵靠以提供该表面支承枢转接头的移动。

20.如权利要求19或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，这些枢转机构中的一个或两个包括一个或多个球窝接头。

21.如权利要求19至20或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，这些枢转机构中的一个或两个包括一个或多个全窝型枢转接头。

22.如权利要求19至21或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，这些枢转机构中的一个或两个包括一个或多个半窝型枢转接头。

23.如权利要求10至22中任一项或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，这些枢转机构中的一个或两个包括安装到该内部构件和该外壳中的一个的一个或多个锥形部件。

24.如权利要求10至18中任一项或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，该内部构件和该外壳通过销穿过该内部构件和该外壳中的一对对齐的孔口接合而联接在一起。

25.如权利要求24或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，该销包括与该横向定向的枢转轴线对齐的纵向轴线。

26.如权利要求1至25中任一项或本文任何其他权利要求所述的头盔，该展开装置包括剪切销，其中，当该头盔受到大于可配置阈值的冲击力时，该剪切销折断并破裂。

27.如权利要求26或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，该剪切销被放置在该头盔的后外侧区域附近。

28.如权利要求1至25中任一项或本文任何其他权利要求所述的头盔，该展开装置包括弹性附接构件，该弹性附接构件连接在该内部构件与该外壳之间，其中，当该头盔受到该冲击时，该弹性附接构件变形以准许该内部构件和该外壳绕该横向定向的枢转轴线的相对旋转。

29.如权利要求1至28中任一项或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，该枢转接头和该展开装置彼此分离。

30.如权利要求1至28中任一项或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，该展开装置被设置为该枢转接头的一部分，该枢转接头准许该内部构件与该外壳之间绕该枢转轴线的相对旋转移动。

31.如权利要求1至30中任一项或本文任何其他权利要求所述的头盔，进一步包括缓冲层，该缓冲层定位在该内部构件与该外壳之间，该缓冲层被配置成控制外壳相对于内部构件的旋转加速度或减速度。

32.如权利要求1至31中任一项或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，该外壳包括一个或多个倾斜区域。

33.如权利要求1至31中任一项或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，该外壳的正中矢状平面包括一个或多个顶点。

34.如权利要求1至31中任一项或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中：

该外壳包括一个或多个倾斜区域，每个倾斜区域由该外壳的正中矢状平面上的对应的一对顶点限定；并且

这些顶点与该冲击表面相互作用，以增加该外壳由于该外壳与该冲击表面之间的相互作用而经历的扭矩(相对于圆形表面)。

35.如权利要求34或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，该横向定向的枢转轴线穿过由该头盔的正中矢状平面中的三条假想线界定的联接区，该三条线是：

重心线；

眉线，该眉线从该头盔的前部部分延伸到后部部分并且与限定面部开口的顶边缘的表面上的最低点相切；以及

前线，该前线与该重心线平行并且与该面部开口的顶边缘表面的最低点相交；并且

该重心线与这一对顶点中的一个相交。

36.如权利要求1至35中任一项或本文任何其他权利要求所述的头盔，进一步包括保护衬里，该保护衬里附接到该内部构件的内表面。

37.如权利要求1至36中任一项或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，该外壳被成形为覆盖佩戴者头部的头顶区域、前部区域和后部区域中的至少一个。

38.如权利要求1至37中任一项或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，该内部构件被成形为覆盖佩戴者头部的头顶区域、前部区域和后部区域中的至少一个。

39.如权利要求1至38中任一项或本文任何其他权利要求所述的头盔，其中，该展开装置定位在该头盔的后部处。

40.一种头盔，包括：

外壳，该外壳限定凹面；

内部构件，该内部构件的至少一部分位于该凹面内；

位于该内部构件的相对侧上的第一枢转接头和第二枢转接头，该第一枢转接头和该第二枢转接头有利于该内部构件与该外壳之间的相对枢转移动；

其中，这些第一枢转接头准许绕对应的第一枢转轴线和第二枢转轴线的旋转，并且其中，该第一枢转接头和该第二枢转接头准许该第一枢转轴线和该第二枢转轴线的取向改变，同时保持该第一枢转轴线和该第二枢转轴线的平移位置处于静态。

41.如权利要求40所述的头盔，具有本文任何其他权利要求所述的任何特征、特征的组合和/或特征的子组合。

42.一种头盔，包括：

外壳，该外壳限定凹面；

内部构件，该内部构件的至少一部分位于该凹面内；

位于该内部构件的相对侧上的第一枢转接头和第二枢转接头，该第一枢转接头和该第二枢转接头有利于该内部构件与该外壳之间的相对枢转移动；

其中，这些第一枢转接头准许三个自由度的旋转并且保持静态平移位置。

43.如权利要求42所述的头盔，具有本文任何其他权利要求所述的任何特征、特征的组合和/或特征的子组合。

44.一种用于减轻颈椎损伤的方法，该方法包括：

提供如权利要求1至43中任一项所述的头盔；以及

当该头盔受到该冲击力时，该展开装置允许该外壳与该内部构件之间绕该横向定向的枢转轴线的相对旋转运动。

45.一种用于减轻颈椎损伤的方法，该方法包括：

提供如权利要求1至43中任一项所述的头盔；以及

当该头盔受到该冲击力时，该第一枢转接头和该第二枢转接头有利于绕对应的第一枢转轴线和第二枢转轴线的运动，并且其中，该第一枢转接头和该第二枢转接头准许该第一枢转轴线和该第二枢转轴线的取向改变，同时保持该第一枢转轴线和该第二枢转轴线的平移位置处于静态。

46.一种用于减轻颈椎损伤的方法，该方法包括：

提供如权利要求1至43中任一项所述的头盔；以及

当该头盔受到该冲击力时，该第一枢转接头和该第二枢转接头有利于在三个自由度上旋转并保持静态平移位置。

47.如权利要求44至46中任一项或本文任何其他权利要求所述的方法，进一步包括：

将具有脊柱轴向分量的线性力转换成旋转运动。

48.一种用于将单壳式头盔改装成多壳式头盔的方法，该方法包括：

确定联接区，该联接区由该单壳式头盔的正中矢状平面中的三条线界定，该三条线是：

重心线；

眉线，该眉线从该头盔的前部部分延伸到后部部分并且与限定面部开口的顶边缘的表面上的最低点相切；以及

前线，该前线与该重心线平行并且与该面部开口的顶边缘表面的最低点相交；

将第二壳的至少一部分定位在该第一壳的凹面内；

通过枢转接头可枢转地联接该第二壳和该第一壳，并且该枢转接头具有与该联接区中的正中矢状平面相交的横向定向的枢转轴线，使得该第二壳和该第一壳能够通过绕该横向定向的枢转轴线旋转而相对于彼此移动，其中，该横向定向的枢转轴线平行于该头盔的横向平面并且正交于该头盔的正中矢状平面；以及

通过展开装置将该第一壳联接到该第二壳，该展开装置：

在没有足够的外力的情况下，约束该内部构件与该外壳之间绕该枢转轴线的旋转运动；以及

当该头盔受到足够力的冲击时，展开以准许该外壳与该内部构件之间绕该枢转轴线的相对角旋转。

49.一种用于将单壳式头盔改装成多壳式头盔的方法，该方法包括：

确定联接区，该联接区由该单壳式头盔的正中矢状平面中的三条线界定，该三条线是：

重心线；

眉线，该眉线从该头盔的前部部分延伸到后部部分并且与限定面部开口的顶边缘的表面上的最低点相切；以及

前线，该前线与该重心线平行并且与该面部开口的顶边缘表面的最低点相交；

将第二壳的至少一部分定位在该第一壳的凹面的至少一部分周围；

通过枢转接头可枢转地联接该第二壳和该第一壳，并且该枢转接头具有与该联接区中的正中矢状平面相交的横向定向的枢转轴线，使得该第二壳和该第一壳能够通过绕该横向定向的枢转轴线旋转而相对于彼此移动，其中，该横向定向的枢转轴线平行于该头盔的横向平面并且正交于该头盔的正中矢状平面；以及

通过展开装置将该第一壳联接到该第二壳，该展开装置：

在没有足够的外力的情况下，约束该内部构件与该外壳之间绕该枢转轴线的旋转运动；以及

当该头盔受到足够力的冲击时，展开以准许该外壳与该内部构件之间绕该枢转轴线的相对角旋转。