CN117547081A - 一种实时调节贴合度的智能气囊头盔系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时调节贴合度的智能气囊头盔系统及其控制方法。主要包括头盔主体、气囊组件、气体模块和电子模块，气体模块包括气动装置、气压源、气管；电子模块包括气压控制模块、头盔状态信号采集模块。所述的气囊组件包括多个规格不一的气囊，固定在头盔主体的内部，与穿戴者的头部接触，各个气囊之间通过连接带连接，连接带贴合在头盔的表面；气囊组件和气体模块相连接；气囊组件和电子模块电连接；气体模块和电子模块电连接。头盔可以通过电子模块实时检测和穿戴者头部的贴合度，并通过气囊进行调整。本发明的头盔系统能保证头盔与穿戴者紧密贴合，保证穿戴者正确佩戴头盔，防止头盔位置偏移甚至脱落，充分发挥头盔的保护作用。

Description

一种实时调节贴合度的智能气囊头盔系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种头盔系统，具体涉及一种实时调节贴合度的智能气囊头盔系统及其控制方法。

背景技术

人类的头部是及其重要且非常脆弱的部位，在发生剧烈撞击时，极容易造成头部脑震荡、骨折，甚至有可能伤害大脑，威胁生命安全。头盔是非常好的保护人类头部的护具，在发生剧烈撞击时，头盔可以吸收由撞击产生的能量，避免头部与硬物直接接触，大大降低了撞击对于头部产生的伤害。头盔已成为了我们日常生活中非常普遍且重要的护具，不管是我们在骑行、滑雪，或者警察和士兵在训练、执行任务时都需要头盔来保护头部，避免在活动的过程中收到伤害。

头盔能否充分发挥保护作用，除了头盔本身的强度外，头盔和穿戴者头部的贴合度也有着非常大的关系，头盔与穿戴者头部的贴合度越高，越能够起到保护作用。现有专利(公开号：CN216019380)公开了一种包裹性强的头顶护垫头盔，包括头盔主体、弧形护板、缓冲垫和固定装置。当穿戴者佩戴头盔时，固定装置可以提供弹力，将弧形护板顶在穿戴者的头顶，使得弧形护板与穿戴者的头部更加贴合，提高了贴合度，增强了包裹性，同时缓冲垫也能够提高头盔佩戴的舒适度。

然而现有装置通过弹力将弧形护板顶到穿戴者的头部，并不能做到与穿戴者头部的完全贴合，同时由于弧形护板形状是固定的，无法适应不同人的头型，而且在运动的过程中，由于晃动的产生，头盔与头部之间会有相对位移，造成头盔无法紧贴穿戴者的头部，在发生危险时不能够充分发挥出头盔的保护作用。另外，现有装置使用大量的填充物来提高头盔的包裹性和贴合度，填充物的过厚会影响头部的灵活性，造成活动不便。将弧形护板顶在穿戴者头部也会影响穿戴的舒适性。

为了克服现有装置的缺陷，需要设计一种新型的、动态调节的、舒适的、适用范围广的包裹装置来提高头盔的包裹性和贴合度，解决现有装置存在的技术缺陷。

发明内容

为了克服现有头盔与穿戴者头部贴合度不足的问题，本发明提供了一种实时调节贴合度的智能气囊头盔系统及其控制方法，解决了现有技术中无法做到的实时调节头盔的贴合度、能够适应不同人的头部、舒适安全外表美观等问题。

为了解决现有技术的不足，本发明提供了如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种实时调节贴合度的智能气囊头盔系统，包括头盔、气动装置、气压源、气管、气囊组件、气压控制模块、头盔状态信号采集模块。头盔状态信号采集模块通过传感器采集头盔状态信号，之后将信号传递至气压控制模块，气压控制模块的中央控制器对于信号进行处理，计算出当前状态下的理想气囊气压，之后气压控制模块控制气动装置，实现对于气囊组件的充气或放气，实时调节气囊的气压状况，最终实现调节贴合度。气压源起到提供高压气体的作用，气管为高压气体的输送管，电源模块为整个头盔系统提供电源。

进一步，气囊组件部分包括气囊基底内衬和气囊，气动部分包括气动装置、气压源和气管，传感控制模块包括传感器和中央控制器。气囊基底内衬粘贴固定在头盔的内部表面，气囊固定连接在气囊基底内衬内，气囊与传感控制模块电连接，与气动装置通过气管相连接，气动装置通过气管和气压源相连接，气动装置与传感控制模块电连接。

所述气囊组件部分的气囊基底内衬通过粘贴的方式贴附在头盔的内部表面，气囊通过缝线的方式固定在气囊基底内衬的内部。气囊基底内衬为柔性的织物材料，气囊基底内衬可以更好地贴合在头盔的内部表面，柔性材料可以提高穿戴时的舒适性。

更进一步，所述的气囊组件中的气囊总共有7个气囊，分别命名为气囊a～g。其中气囊a位于头盔内部的正前方，贴附于头盔内部，以头盔前部的弧面为形，与穿戴者的额头相接触。气囊b位于头盔内部的正后方，贴附于头盔内部，以头盔后部的弧面为形，与穿戴者的后脑枕骨处相接触。通过调整气囊a和气囊b可以调整头盔的前后贴合度和穿戴姿态。气囊c和气囊d位于头盔的左侧面，贴附于头盔内部，形状为正方形，与穿戴者的左耳上部相接触。气囊e和气囊f位于头盔的右侧面，贴附于头盔内部，形状为正方形，与穿戴者的右耳上部相接触。通过调整气囊c、气囊d和气囊e、气囊f可以调节头盔的左右贴合度和穿戴姿态。气囊g位于头盔内部的正上方，贴附于头盔内部，以头盔顶部的弧面为形，与穿戴者头顶相接触，通过调整气囊g可以调节头盔的向下贴合度和穿戴姿态。多个气囊的设置可以实现对头盔贴合度和穿戴姿态的精准控制，同时能够大大提高穿戴的舒适性。

优选地，所述的气动模块中的气管主要作用是连接部件和运送高压气体，气管连接气囊和气压源，连接气压源和气动装置。

优选地，所述的气动模块中的气压源的主要作用是为气囊提供高压气体。

优选地，所述的气动模块中的气动装置包括空气压缩机和电磁开关阀。空气压缩机的主要作用是将空气压缩成高压气体。电磁开关阀主要作用是通过开关控制气管的进气或泄气。

进一步，所述的传感控制模块中的传感器包括陀螺仪传感器、气压传感器、力传感器。其中陀螺仪传感器有2个，分别位于头盔的顶部和穿戴者头顶处，可以检测到头盔和穿戴者头部在空间内的偏转角度。气压传感器共有7个，分别位于各个气囊的内部，可以实时检测气囊内部的气压情况。力传感器有多个，均匀分布在头盔的内部表面，可以实时检测头盔内部各个测量点的力的大小。

进一步，所述的传感控制模块中的中央控制器，中央控制器的主要作用是接收各个传感器所采集的信号，之后对于信号进行分析处理，通过计算得出各个气囊的理想气压状况，之后中央控制器再对气动模块下达指令，最终由气动模块实现对于各个气囊的气压进行调节。

第二方面，本发明提供了一种实时调节贴合度的智能气囊头盔系统的控制方法

当穿戴者穿戴智能气囊头盔系统活动时，如果头盔与穿戴者的头部发生了相对位移，位于头盔内部的头盔状态信号采集模块会通过布置在头盔内部的各种传感器来采集头盔的状态信号，之后将采集的信号传递至气压控制模块，经过中央控制器对信号进行处理，输出控制指令至气动装置，再由气动装置控制各个气囊的气压状况，最终实现对于头盔贴合度的调节。

气囊头盔与穿戴者的头部可能会发生相对位移，即气囊头盔与穿戴者的头部出现间隙或者贴合度较低，气囊无法起到应有的作用，具体地可以将气囊头盔与穿戴者头部发生的相对位移分为头盔前倾、头盔后移、头盔左倾、头盔右倾、头盔过低。当头盔与穿戴者头部发生复杂的相对位移时，可以分解为上述情况的组合，依次进行调节。

当头盔状态信号采集模块检测到发生了头盔前倾时，将采集的头盔状态信号传递至气压控制模块的中央控制器进行处理，中央控制器通过控制气囊b的电磁开关阀实现对气囊b的充气，通过控制气囊a的电磁开关阀实现对气囊a的放气，使得头盔后移，最终实现调节气囊头盔前倾的情况。

当头盔状态信号采集模块检测到发生了头盔后仰时，将采集的头盔状态信号传递至气压控制模块的中央控制器进行处理，中央控制器通过控制气囊a的电磁开关阀实现对气囊a的充气，通过控制气囊b的电磁开关阀实现对气囊b的放气，使得头盔前移，最终实现调节气囊头盔后仰的情况。

当头盔状态信号采集模块检测到发生了头盔左倾时，将采集的头盔状态信号传递至气压控制模块的中央控制器进行处理，中央控制器通过控制气囊e、f的电磁开关阀实现对气囊e、f的充气，通过控制气囊c、d的电磁开关阀实现对气囊c、d的放气，使得头盔右移，最终实现调节气囊头盔左倾的情况。

当头盔状态信号采集模块检测到发生了头盔右倾时，将采集的头盔状态信号传递至气压控制模块的中央控制器进行处理，中央控制器通过控制气囊c、d的电磁开关阀实现对气囊c、d的充气，通过控制气囊e、f的电磁开关阀实现对气囊e、f的放气，使得头盔左移，最终实现调节气囊头盔右倾的情况。

当头盔状态信号采集模块检测到发生了头盔过低时，将采集的头盔状态信号传递至气压控制模块的中央控制器进行处理，中央控制器通过控制气囊g的电磁开关阀实现对气囊g的充气，通过控制气囊a、b、c、d、e、f的电磁开关阀实现对气囊a、b、c、d、e、f的放气，使得头盔上升，最终实现调节气囊头盔过低的情况。

头盔状态信号采集模块实时获取头盔检测点的力的信号和气囊里的气压信号，将得到的信号传递至中央控制器，中央控制器将所得的信号数据和预设值范围进行比较，得到当前气囊头盔的状态。当头盔后部力的数值大于阈值的上限，头盔前部力的数值小于阈值的下限，则头盔的状态为头盔前倾；当头盔前部力的数值大于阈值的上限，头盔后部力的数值小于阈值的下限，则头盔的状态为头盔后仰；当头盔左部力的数值大于阈值的上限，头盔右部力的数值小于阈值的下限，则头盔的状态为头盔右倾；当头盔右部力的数值大于阈值的上限，头盔左部力的数值小于阈值的下限，则头盔的状态为头盔左倾；当头盔顶部力的数值大于阈值上限，则头盔的状态为头盔过低。

该气囊头盔系统使用多个粘贴在头盔内部的气囊来调节头盔的贴合度，通过头盔状态信号采集模块获取的数据识别出当前的头盔穿戴状态，根据不同的头盔穿戴状态，通过调节气囊的气压状况来提高头盔的包裹性和贴合度。该头盔系统穿戴舒适，即使关闭系统也不会对穿戴者的活动产生影响，整个气囊头盔系统集成度高，方便携带。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明在头盔内部使用的气囊基底内衬和气囊等柔性材料，在保证贴合度的同时提高穿戴头盔的舒适性。

2、本发明设计了传感器和中央控制器，可以实时检测头盔的穿戴状态，当头盔与穿戴者头部发生相对位移时进行调节，响应速度快。

3、由于气囊与穿戴者头部的贴合度较高，体积较小，穿戴者在穿戴头盔时不会因为头盔而影响头部的活动。

附图说明

图1是气囊头盔总体结构示意图。

图2是气囊头盔气囊位置示意图。

图3是穿戴气囊头盔示意图。

图4是头盔内部示意图

图5是传感控制模块示意图。

具体实施方式

为了详细说明本发明的结构特点及具体操作步骤，现以下较佳实施例并配合附图进行说明。

本申请中的头盔穿戴于穿戴者的头部，气囊组件在头盔的内部表面，与穿戴者头盔贴合，通过对气囊组件中的气囊进行充气或放气来调整头盔的穿戴姿态，保证与头部有较高的贴合度。头盔状态信号采集模块在头盔的内表面和气囊组件设置有多个传感器，采集头盔的穿戴姿态信号，信号由中央处理器进行处理，之后向气压控制模块传递控制信号，气压控制模块再通过控制气动装置实现对于气囊组件的充气和放气，气动装置设置有电磁开关阀控制气管的进气和出气，气压源为气囊组件提供高压气体

本申请主要包含以下三点创新性设计：

(1)通过传感控制的设计，可以实现实时调节头盔的贴合度；

(2)气囊的材料选择为柔性材料，可以适应不同人的头部；

(3)气囊表面更加贴合穿戴者头部，包裹性更强，也更加舒适。

如图1所示，在一实施例中，本系统包括头盔1、气动装置2、气压源3、气管4、气囊组件5、气压控制模块6、头盔状态信号采集模块7。气囊组件5通过固定粘接的方式固定连接在头盔1的内部表面上，气囊组件5通过气管4和气压源3相连接，气动装置2与气压源3相连接，气动装置2和气囊组件5与气压控制模块6电连接，气囊组件5与头盔状态信号采集模块7进行电连接，气压控制模块6与头盔状态信号采集模块7进行电连接。

如图2所示，在一实施例中，气囊组件中的气囊总共有7个气囊，分别命名为气囊a～g。其中气囊a位于头盔内部的正前方，贴附于头盔内部，以头盔前部的弧面为形，与穿戴者的额头相接触。气囊b位于头盔内部的正后方，贴附于头盔内部，以头盔后部的弧面为形，与穿戴者的后脑枕骨处相接触。通过调整气囊a和气囊b可以调整头盔的前后贴合度和穿戴姿态。

气囊c和气囊d位于头盔的左侧面，贴附于头盔内部，形状为正方形，与穿戴者的左耳上部相接触。气囊e和气囊f位于头盔的右侧面，贴附于头盔内部，形状为正方形，与穿戴者的右耳上部相接触。通过调整气囊c、气囊d和气囊e、气囊f可以调节头盔的左右贴合度和穿戴姿态。

气囊g位于头盔内部的正上方，贴附于头盔内部，以头盔顶部的弧面为形，与穿戴者头顶相接触，通过调整气囊g可以调节头盔的向下贴合度和穿戴姿态。多个气囊的设置可以实现对头盔贴合度和穿戴姿态的精准控制，同时能够大大提高穿戴的舒适性。

如图3和图4所示，在一实施例中，所述头盔1包括头盔主体101、头盔内胆102。头盔主体101主要起到保护穿戴者头部的作用，头盔内胆102为柔性织物材料，紧贴在头盔主体101的内部表面，头盔绑带经过穿戴者下巴连接头盔左右两侧，起到简单的固定头盔主体101的作用，防止头盔从穿戴者头部脱落。

所述气动装置2包括微型空气压缩机201、电磁开关阀202。微型空气压缩机201与电源模块电连接，主要作用是将空气压缩成高压气体。电磁开关阀202设通过气管4与气压源3相连接，与气压控制模块电连接，主要控制气管4的进气和出气。

所述气压源3包括高压气囊301、稳压阀302。高压气囊301主要作用是储存经过压缩的高压气体，稳压阀302主要作用是稳定高压气囊301气压，防止气压过高或者漏气导致气压不足。

如图4和图5所示，在一实施例中，头盔状态信号采集模块7包括陀螺仪传感器、气压传感器、力传感器。陀螺仪传感器可以检测出头盔在空间中的偏转角度，气压传感器可以实时检测各个气囊502的气压状况，力传感器可以检测出头盔内部各部位的受力情况。头盔状态信号采集模块所采集的信号传递至气压控制模块6，由气压控制模块6进行信号的处理。气压控制模块6包括中央控制器。气压控制模块6可以通过对头盔状态信号采集模块7所采集的信号的进行处理，得到理想的气囊气压条件，再通过控制气动模块2来调节气囊的气压，使气囊气压达到理想状况。

本申请实施例还提供了一种实时调节头盔贴合度的智能气囊头盔的控制方法：

气囊头盔系统采取的控制方法为PID控制算法。中央控制器通过对陀螺仪传感器、气压传感器、力传感器所得信号进行分析，得到各个气囊理想气压，以各个气囊当前气压为输入，理性气压作为输出，同时作为负反馈信号输入，当前气压和理想气压的差为误差信号，执行机构为气动装置2，对象为气囊502。

气囊头盔与穿戴者的头部可能会发生相对位移，即气囊头盔与穿戴者的头部出现间隙或者贴合度较低，气囊502无法起到应有的作用，具体地可以将气囊头盔的状态分为头盔前倾、头盔后移、头盔左倾、头盔右倾、头盔过低。当头盔与穿戴者头部发生复杂的相对位移时，可以分解为上述情况的组合，依次进行调节。

当头盔状态信号采集模块检测到发生了头盔前倾时，将采集的头盔状态信号传递至气压控制模块的中央控制器进行处理，中央控制器通过控制气囊b的电磁开关阀实现对气囊b的充气，通过控制气囊a的电磁开关阀实现对气囊a的放气，使得头盔后移，最终实现调节气囊头盔前倾的情况。

当头盔状态信号采集模块检测到发生了头盔后仰时，将采集的头盔状态信号传递至气压控制模块的中央控制器进行处理，中央控制器通过控制气囊a的电磁开关阀实现对气囊a的充气，通过控制气囊b的电磁开关阀实现对气囊b的放气，使得头盔前移，最终实现调节气囊头盔后仰的情况。

当头盔状态信号采集模块检测到发生了头盔左倾时，将采集的头盔状态信号传递至气压控制模块的中央控制器进行处理，中央控制器通过控制气囊e、f的电磁开关阀实现对气囊e、f的充气，通过控制气囊c、d的电磁开关阀实现对气囊c、d的放气，使得头盔右移，最终实现调节气囊头盔左倾的情况。

当头盔状态信号采集模块检测到发生了头盔右倾时，将采集的头盔状态信号传递至气压控制模块的中央控制器进行处理，中央控制器通过控制气囊c、d的电磁开关阀实现对气囊c、d的充气，通过控制气囊e、f的电磁开关阀实现对气囊e、f的放气，使得头盔左移，最终实现调节气囊头盔右倾的情况。

当头盔状态信号采集模块检测到发生了头盔过低时，将采集的头盔状态信号传递至气压控制模块的中央控制器进行处理，中央控制器通过控制气囊g的电磁开关阀实现对气囊g的充气，通过控制气囊a、b、c、d、e、f的电磁开关阀实现对气囊a、b、c、d、e、f的放气，使得头盔上升，最终实现调节气囊头盔过低的情况。

头盔状态信号采集模块实时获取头盔检测点的力的信号和气囊里的气压信号，将得到的信号传递至中央控制器，中央控制器将所得的信号数据和预设值范围进行比较，得到当前气囊头盔的状态。当头盔后部力的数值大于阈值的上限，头盔前部力的数值小于阈值的下限，则头盔的状态为头盔前倾；当头盔前部力的数值大于阈值的上限，头盔后部力的数值小于阈值的下限，则头盔的状态为头盔后仰；当头盔左部力的数值大于阈值的上限，头盔右部力的数值小于阈值的下限，则头盔的状态为头盔右倾；当头盔右部力的数值大于阈值的上限，头盔左部力的数值小于阈值的下限，则头盔的状态为头盔左倾；当头盔顶部力的数值大于阈值上限，则头盔的状态为头盔过低。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种实时调节贴合度的智能气囊头盔系统，其特征在于，包括头盔（1）、气动装置（2）、气压源（3）、气管（4）、气囊组件（5）、气压控制模块（6）、头盔状态信号采集模块（7）；

气囊组件（5）固定连接在头盔（1）的内部表面上，气囊组件（5）通过气管（4）和气压源（3）相连接；气动装置（2）与气压源（3）相连接，气动装置（2）还和气囊组件（5）与气压控制模块（6）电连接；气囊组件（5）与头盔状态信号采集模块（6）进行电连接，气压控制模块（6）与头盔状态信号采集模块（7）电连接；

头盔（1）穿戴于穿戴者的头部，气囊组件（5）在头盔（1）的内部表面，与穿戴者头盔贴合，通过对气囊组件（5）中的气囊进行充气或放气来调整头盔的穿戴姿态，保证与头部有较高的贴合度。

2.如权利要求1所述的一种实时调节贴合度的智能气囊头盔系统，其特征在于，所述头盔（1）包括头盔主体（101）、头盔内胆（102）；所述头盔主体（101）用于保护穿戴者头部，所述头盔内胆（102）为柔性织物材料，紧贴在头盔主体（101）的内部表面。

3.如权利要求1所述的一种实时调节贴合度的智能气囊头盔系统，其特征在于，所述气动装置（2）包括微型空气压缩机（201）、电磁开关阀（202）；微型空气压缩机（201）用于将空气压缩成高压气体；电磁开关阀（202）通过气管（4）与气压源（3）相连接，与气压控制模块电连接，控制气管（4）的进气和出气。

4.如权利要求1所述的一种实时调节贴合度的智能气囊头盔系统，其特征在于，所述气压源（3）包括高压气囊（301）、稳压阀（302）；高压气囊（301）用于储存经过压缩的高压气体，稳压阀（302）用于稳定高压气囊（301）气压，防止气压过高或者漏气导致气压不足。

5.如权利要求1所述的一种实时调节贴合度的智能气囊头盔系统，其特征在于，所述气囊组件（5）包括气囊基底内衬（501）、气囊（502）；气囊基底内衬（501）为柔性织物材料，用于固定和连接各个气囊（502），使得各个气囊成为一个整体；气囊（502）通过缝线固定在气囊基底内衬（501）上，与穿戴者的头部直接接触。

6.如权利要求1所述的一种实时调节贴合度的智能气囊头盔系统，其特征在于，所述头盔状态信号采集模块（7）包括陀螺仪传感器、气压传感器、力传感器；陀螺仪传感器用于检测出头盔在空间中的偏转角度，气压传感器用于实时检测各个气囊（502）的气压状况，力传感器用于检测出头盔（1）内部各部位的受力情况。

7.如权利要求1所述的一种实时调节贴合度的智能气囊头盔系统，其特征在于，所述气压控制模块（6）包括中央控制器；气压控制模块（6）通过对头盔状态信号采集模块（7）所采集的信号的进行处理，得到理想的气囊气压条件，再通过控制气动装置（2）来调节气囊的气压，使气囊气压达到理想状况。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述的智能气囊头盔系统的控制方法，其特征在于：采取的控制方法为PID控制算法；中央控制器通过对陀螺仪传感器、气压传感器、力传感器所得信号进行分析，得到各个气囊理想气压，以各个气囊当前气压为输入，理想气压作为输出，同时作为负反馈信号输入，当前气压和理想气压的差为误差信号，执行机构为气动装置（2），对象为气囊（502）。

9.一种如8所述的控制方法，其特征在于：将气囊头盔的状态分为头盔前倾、头盔后移、头盔左倾、头盔右倾、头盔过低；当头盔与穿戴者头部发生复杂的相对位移时，分解为上述情况的组合，依次进行调节。

10.一种如权利要求9所述的控制方法，其特征在于：头盔状态信号采集模块（7）实时获取力传感器的信号和气囊里的气压信号，将得到的信号传递至中央控制器，中央控制器将所得的信号数据和预设值范围进行比较，得到当前气囊头盔的状态；

当头盔后部力的数值大于阈值的上限，头盔前部力的数值小于阈值的下限，则头盔的状态为头盔前倾；

当头盔前部力的数值大于阈值的上限，头盔后部力的数值小于阈值的下限，则头盔的状态为头盔后仰；

当头盔左部力的数值大于阈值的上限，头盔右部力的数值小于阈值的下限，则头盔的状态为头盔右倾；

当头盔右部力的数值大于阈值的上限，头盔左部力的数值小于阈值的下限，则头盔的状态为头盔左倾；

当头盔顶部力的数值大于阈值上限，则头盔的状态为头盔过低。