DE60310865T2

DE60310865T2 - Verfahren zur Bestimmung von der biomechanischen Verträglichkeit einer auf dem Kopf zu tragenden Ausrüstung

Info

Publication number: DE60310865T2
Application number: DE60310865T
Authority: DE
Inventors: Joel 94117 BAUDOU; Alain 94117 LEGER
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2002-12-13
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2023-11-29
Also published as: IL159137A0; US6879932B2; FR2848660A1; EP1428442B1; US20040162701A1; DE60310865D1; IL159137A; ZA200309542B; FR2848660B1; EP1428442A1

Description

Das Gebiet der Erfindung betrifft die Ergonomie und die Sicherheit der Kopfausrüstungen, die insbesondere Anzeigevorrichtungen aufweisen und dazu bestimmt sind, von einem Besatzungsmitglied eines Luftfahrzeugs getragen zu werden.
Die Verwendung von so genannten Anzeigevorrichtungen für maschinelles Sehen, die direkt am Kopf des Benutzers und nicht am Instrumentenbrett befestigt sind, hat viele Vorteile. Es ist dadurch möglich, wenn die Bedingungen der Umgebungsbeleuchtung unzureichend werden, das menschliche Sehen durch Nachtsichtvorrichtungen mit Lichtverstärker zu ersetzen. Es ist ebenfalls möglich, die natürliche Sicht des Benutzers durch die Darstellung von Symbologien oder Synthesebildern zu erhöhen.
Diese Vorrichtungen, die Bildquellen, optische Bauteile, Mechanik usw. aufweisen, haben aber eine nicht vernachlässigbare Masse und erhöhen deutlich die Gesamtmasse, die von der Halswirbelsäule getragen wird. Diese zusätzliche Last erzeugt umso mehr Spannungen, als ihr Schwerpunkt von demjenigen des Kopfes entfernt ist. Die Besatzungen von Luftfahrzeugen sind zusätzlich sehr starken mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt (Vibrationen, Beschleunigungen, Erschütterungen beim Auswurf aus dem Flugzeug und beim Öffnen des Fallschirms, Crashs, ...), die die von der Halswirbelsäule getragenen Kräfte noch vervielfachen. Dieser Abschnitt der Wirbelsäule ist aber für seine relative Zerbrechlichkeit bei starken Beschleunigungen bekannt. Gefahren von Verletzungen mit den ggf. schweren oder sogar tödlichen Folgen sind dann möglich.
Die Gestaltung von Systemen für maschinelles Sehen, die am Kopf des Operators befestigt werden, berücksichtigt diese Art von Gefahr, indem sie sie durch die Anwendung von Regeln und allgemeinen Empfehlungen, die darauf abzielen, die Masse der Ausrüstungen zu begrenzen und ihren Schwerpunkt so gut wie möglich zu positionieren, auf ein akzeptables Niveau reduzieren. 1 zeigt ein Beispiel dieser Art von Empfehlungen. Der Kopf T des Benutzers und die Kopfausrüstung C sind im Profil dargestellt, der Kopf ist gestrichelt und der Helm in durchgezogenen Strichen dargestellt. Der Schwerpunkt C_GC der Kopfausrüstung ist durch einen schwarzen Kreis dargestellt, und der Schwerpunkt C_GT des Kopfes ist durch einen weißen Kreis dargestellt. Die weißen und schwarzen Pfeile stellen die Massen des Kopfes bzw. der Kopfausrüstung dar. Die Empfehlungen spezifizieren insbesondere, dass der Schwerpunkt C_GC sich in einer Zone Z befinden muss, die durch das schraffierte Rechteck dargestellt und bezüglich des Schwerpunkts des Kopfes spezifiziert ist (Anthropometric Relationships of body and body segment moments of inertia – Air Force Aerospace Medical Research Laboratory – J.T. McConville, Ints Kaleps – J.Cuzzi- Dec. 80).
Die Kenntnis der Position des Schwerpunkts des Kopfes ist also für die Gestalter von Kopfausrüstungen wichtig.
Die Merkmale der Ausrüstungen sind genau festgelegt und ziemlich einfach berechenbar und messbar. Die CAO-Werkzeuge (CRO – Conception Assistee par Ordinateur/rechnergestützte Gestaltung) ermöglichen es, schon bei der Gestaltung die vorhersehbare Masse der Helmausrüstung sowie die Stelle ihres Schwerpunkts zu kennen. Es ist dagegen sehr viel schwieriger, die mechanischen Merkmale des Kopfes des Benutzers genau zu kennen. Üblicherweise greift man auf so genannte "Standard"-Kopfmodelle zurück. Diese Modelle können aber zu falschen Schlussfolgerungen bezüglich anatomischer Besonderheiten mancher Benutzer führen und so einen berechneten Schwerpunkt des Kopfes ergeben, der vom tatsächlichen Schwerpunkt entfernt ist.
Es ist das Ziel der Erfindung, den Nachteil der Verwendung eines "Standard"-Kopfes zu vermeiden, dessen biomechanische Parameter von den Parametern des wirklichen Kopfes des Benutzers entfernt sein können, indem er durch ein repräsentatives digitales Modell ersetzt wird, das es ermöglicht, die genaue Position des Schwerpunkts des Kopfes genauer zu berechnen.
Genauer gesagt, hat die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Schwerpunkts einer von einem Benutzer getragenen Kopfausrüstung bezüglich des Schwerpunkts des Kopfes des Benutzers zum Gegenstand, wobei die Kopfausrüstung Anzeigegeräte aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens die folgenden Schritte aufweist:

• Bestimmung der Position des Schwerpunkts der Kopfausrüstung in einem ersten dreiachsigen geometrischen Koordinatensystem;
• Bestimmung der Position des Schwerpunkts des Kopfes ausgehend von einem digitalen Modell, das für die anatomischen Daten des Kopfes des Benutzers repräsentativ ist, wobei der Schwerpunkt des Kopfes in einem zweiten dreiachsigen geometrischen Koordinatensystem festgelegt ist, das bezüglich des ersten dreiachsigen geometrischen Koordinatensystems gekennzeichnet ist;
• Bestimmung der Position des Schwerpunkts der Kopfausrüstung im zweiten dreiachsigen geometrischen Koordinatensystem.

Die Erfindung wird besser verstanden und weitere Vorteile gehen aus der nachfolgenden nicht einschränkend zu verstehenden Beschreibung und mit Hilfe der beiliegenden Figuren hervor. Es zeigen:
1 eine Profilansicht der Kopfausrüstung des Benutzers und seines Kopfs.
2 die Position von anatomischen Punkten, die für den Kopf in Profilansicht und in Stirnansicht repräsentativ sind.
3 die untere Grenze des Volumens des Kopfes, die von einer Schnittebene begrenzt wird.
4 die untere Grenze des Volumens des Kopfes, die von zwei Schnittebenen begrenzt wird.
5 die Vernetzung des Kopfes, die die Berechnung seines Volumens erlaubt.
Die modernen Techniken der dreidimensionalen Anthropometrie werden bereits für die Benutzeranpassung der Kopfausrüstungen der Luftfahrzeugbesatzungen verwendet. So vermeidet man die Verwendung von mechanischen Regelungen an der Kopfausrüstung, die es ermöglichen, das von den Anzeigesystemen erzeugte Bild vor den Augen des Benutzers zu präsentieren, Regelungen, die den Trägerhelm unnötig verkomplizieren und schwerer machen würden.
Eine einfache Art, die Erfindung einzusetzen, ist es, diese existierenden Techniken zu verwenden, um den Schwerpunkt des Kopfes des Benutzers zu berechnen. In diesem Rahmen ist das digitale Basismodell eine dreidimensionale Kartographie der Außenfläche des Kopfes des Benutzers, wobei die anatomischen Daten Punkte sind, die zu der Fläche gehören.
Einer der schwierigen Punkte bei der Herstellung der Kartographie ist es, ein genaues dreiachsiges Koordinatensystem zu definieren, das es ermöglicht, den Kopf genau zu festzulegen, damit die Schwerpunkte des Kopfes und der Ausrüstung im gleichen Koordinatensystem berechnet werden können. Die einfachste Vorgehensweise ist es, identifizierbare anthropometrische Punkte zu definieren, wobei die Punkte es ermöglichen, den Kopf in einem zweiten dreiachsigen Koordinatensystem (O, X, Y, Z) festzulegen, das bezüglich des ersten dreiachsigen Koordinatensystems der Kopfausrüstung gekennzeichnet ist. Wie in 2 angezeigt, sind die anthropometrischen Punkte im Allgemeinen der rechte und linke Tragus 4 oder der rechte und linke infraorbitale Bereich 3 oder die rechten und linken occipitalen Kondylen 7 oder der Nasenwurzelpunkt 2 sowie die Zentren der rechten und linken Pupille 1. Diese letzteren Punkte sind besonders nützlich, da sie gemeinsame Referenzen mit denjenigen des Anzeigesystems der Kopfausrüstung bilden.
Die Herstellung der dreidimensionalen Kartographie erfolgt traditionell durch optische Mittel wie optische Kameras oder optische Scanner mit Laserabtastung. Die obigen anthropometrischen Punkte werden einfach durch farbige Marken oder Pastillen festgelegt, die auf dem Kopf des Benutzers angeordnet sind. Diesen Vorrichtungen kann man eine Farbbildkamera hinzufügen, die es ermöglicht, die Textur der Oberfläche des Kopfes anzuzeigen und auf die verschiedenen anatomischen Punkte des Kopfes zu zeigen.
Wenn die dreidimensionale Kartographie durchgeführt wurde, berechnet man die Position des Schwerpunkts C_GT des Kopfes ausgehend von der Kartographie. Die Position des Schwerpunkts kann ausgehend von derjenigen des Zentrums C_VT des Volumens des Kopfes berechnet werden.
Unter den Verfahren zur Durchführung dieser letzteren Berechnung ist es möglich, die Position des Zentrums des Volumens des Kopfes zu bestimmen, indem ein erstes Verfahren angewendet wird, dessen verschiedene Schritte in den 3, 4 und 5 dargestellt sind und nachfolgend detailliert werden:

• Bestimmung mindestens einer Schnittebene P_C, die das Volumen des Kopfes in Höhe des Halses begrenzt;
• Bestimmung eines gemeinsamen Punktes M, der sich in dieser Schnittebene P_C befindet;
• Vernetzung der Punkte P der Kartographie der Außenfläche des Kopfes in benachbarte Dreiecke, wobei die Spitzen jedes Dreiecks einem Punkt P entsprechen;
• Aufteilung des Volumens des Kopfes in Tetraeder T_T, wie in 5 gezeigt, wobei jedes Tetraeder T_T die drei Punkte P eines Dreiecks und den gemeinsamen Punkt M enthält;
• Berechnung des Elementarvolumens jedes Tetraeders T_T;
• Berechnung des Zentrums des Volumens C_T jedes Tetraeders;
• Berechnung des Gesamtvolumens des Kopfes durch Addieren der Elementarvolumen aller Tetraeder;
• Berechnung der Position des Zentrums C_VT des Volumens des Kopfes durch Berechnung des Baryzentrums der Zentren C_T der Volumen aller Tetraeder.

Dieses erste Verfahren ist gut geeignet, wenn die Punkte der dreidimensionalen Kartographie in einem Standardformat vom Typ ASCII digitalisiert sind. Die Berechnungen, um zur Bestimmung des Zentrums des Volumens des Kopfes zu kommen, sind dann eine Folge von einfachen Elementaroperationen.
Es ist aber möglich, ein zweites Verfahren zu verwenden, um die Position des Zentrums des Volumens des Kopfes zu bestimmen. Die Schritte dieses zweiten Verfahrens sind dann:

• Bestimmung mindestens einer Schnittebene P_C, die das Volumen des Kopfes in Höhe des Halses begrenzt;
• Erzeugung eines digitalen Objekts ausgehend von Punkten der Kopf-Kartographie und von der Schnittebene, wobei das digitale Objekt von einer rechnergestützten Gestaltungssoftware wie den Softwareprogrammen EUCLID oder CATIA verwendet werden kann;
• Berechnung der Position des Zentrums C_VT des Volumens durch diese Software.

Dieses zweite Verfahren hat den Vorteil, dass man das digitale Kopfmodell als ein CAO-Projekt verwenden kann. So ist es möglich, bestimmte Simulationen wie die Positionierung der Kopfausrüstung auf dem Kopf des Benutzers durchzuführen.
Unabhängig vom gewählten Verfahren kann die Schnittebene P_C, die es ermöglicht, den Kopf in Höhe des Halses zu begrenzen, eine einzige sein. Sie wird dann im Wesentlichen durch den linken Gonion 5, den rechten Gonion 5 und den Inion 6 bestimmt, wie in 3 angezeigt ist.
Die Begrenzung des Kopfes in Höhe des Halses kann ebenfalls durch die Vereinigung von zwei Schnittebenen P'_C und P''_C durchgeführt werden, wobei die erste Schnittebene P'_C es ermöglicht, das Volumen des Kopfes nach vorne zu begrenzen, während die zweite Schnittebene P''_C es ermöglicht, das Volumen des Kopfes nach hinten zu begrenzen, wobei die erste Schnittebene im Wesentlichen durch den linken und rechten Gonion 5 und durch die linken und rechten occipitalen Kondyle 7 bestimmt wird, während die zweite Schnittebene durch die rechten und linken occipitalen Kondyle 7 und den Inion 6 bestimmt wird. In diesem Fall gehört der gemeinsame Punkt M vorzugsweise zur Schnittstelle der zwei Schnittebenen P'_C und P''_C, wie in 4 angegeben ist.
In Kenntnis der Position des Zentrums des Volumens des Kopfes des Benutzers leitet man davon die Position des Schwerpunkts des Kopfes im zweiten dreiachsigen Koordinatensystem des Kopfes ab, indem man die folgende Formel für jede der drei Koordinaten X_CGT, Y_CGT und Z_CGT des Schwerpunkts des Kopfes verwendet: XCGT = AX·XCVT + BX·L + CX·l + ... YCGT = AY·YCVT + BY·L + CY·l + ... ZCGT = AZ·ZCVT + BZ·L + CZ·l + ...
Wobei:

• X_CVT, Y_CVT und Z_CVT die Koordinaten des Zentrums des Volumens des Kopfes sind;
• A_X, B_X, C_X, ... Faktoren sind, die ausgehend von vorher von biomechanischen Labors an menschlichen Köpfen ausgeführten Messungen festgelegt werden und es ermöglichen, eine Korrelation zwischen dem Schwerpunkt und dem Volumenzentrum des Kopfes herzustellen.
• L, l die Länge bzw. die Breite des Kopfes des Benutzers sind, wie in 2 angezeigt ist.

Allgemeiner wird die Position jeder der drei Koordinaten des Schwerpunkts des Kopfes im zweiten dreiachsigen Koordinatensystem durch die Produktsumme von zwei Faktoren erhalten, wobei der erste Faktor eine Konstante und der zweite Faktor ein anthropometrischer Parameter des Kopfes ist.
Es ist ebenfalls möglich, den Schwerpunkt des Kopfes zu bestimmen, indem man ein digitales Modell verwendet, das nicht nur die dreidimensionale Kartographie des Kopfes, sondern auch die volumetrischen und densitometrischen Merkmale seiner verschiedenen Bestandteile (Knochen der Schädelhöhle, Gehirn, Hohlräume, ...) angibt. Diese Daten werden zum Beispiel durch Mittel der Computertomographie RMN (Kernspinresonanz) erhalten.
Wenn das Volumen, die Masse und die Position des Schwerpunkts des Kopfes des Benutzers bekannt sind, verwendet man diese Eingangsdaten in digitalen Werkzeugen zur naturgetreuen digitalen Simulation wie zum Beispiel der Software PAM-SAFE der Firma PAM SYSTEM, die es ermöglicht, eine digitale Testpuppe zu erzeugen, die für jeden Benutzer repräsentativ ist. Durch Anwendung von für die Flugbedingungen repräsentativen Beanspruchungen an diese digitale Testpuppe berechnet man den Tensor der Kräfte in Höhe der Schnittstelle zwischen dem Kopf und dem Hals. In Abhängigkeit von Verletzungskriterien, die auf zulässigen Belastungshöhen basieren, bewertet man dann das Risiko der Benutzung einer Kopfausrüstung für jeden Benutzer.
Das Ergebnis dieser Analyse kann für folgende Zwecke verwendet werden:

• Optimierung der Merkmale oder der Position der Kopfausrüstung bei ihrer Benutzeranpassung, um die Verletzungsgefahren zu verringern.
• Bestimmung der Benutzungsgrenzen der Ausrüstung und Anpassung ihres Betriebsbereichs.
• Bestimmung der Parameter der Steuerung eines Schleudersitzes oder der Dämpfung eines Anticrash-Sitzes angepasst an die dem Benutzer eigenen Merkmale.
• Flugverbot für die Benutzer, die zu große Verletzungsgefahren haben.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Schwerpunkts (C_GC) einer von einem Benutzer getragenen Kopfausrüstung (C) bezüglich des Schwerpunkts (C_GT) des Kopfes des Benutzers, wobei die Kopfausrüstung Anzeigegeräte aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens die folgenden Schritte aufweist: • Bestimmung der Position des Schwerpunkts der Kopfausrüstung in einem ersten dreiachsigen geometrischen Koordinatensystem; • Bestimmung der Position des Schwerpunkts des Kopfes ausgehend von einem digitalen Modell, das für die anatomischen Daten des Kopfes des Benutzers repräsentativ ist, wobei der Schwerpunkt in einem zweiten dreiachsigen geometrischen Koordinatensystem festgelegt ist, das bezüglich des ersten dreiachsigen geometrischen Koordinatensystems gekennzeichnet ist; • Bestimmung der Position des Schwerpunkts der Kopfausrüstung im zweiten dreiachsigen geometrischen Koordinatensystem.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Modell eine dreidimensionale Kartographie der Außenfläche des Kopfes des Benutzers ist, wobei die anatomischen Daten zu der Fläche gehörende Punkte sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Kartographie identifizierbare anthropometrische Punkte aufweist, wobei die Punkte es ermöglichen, den Kopf im ersten dreiachsigen geometrischen Koordinatensystem der Kopfausrüstung zu kennzeichnen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die anthropometrischen Punkte der rechte und linke Tragus (4) oder der rechte und linke infraorbitale Bereich (3) oder die occipitalen Kondylen (7) oder der Nasenwurzelpunkt (2) sowie die Zentren der rechten und linken Pupille (1) sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Bestimmung der Punkte der dreidimensionalen Kartographie optische Kameras oder optische Scanner mit Laserabtastung sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsbestimmung des Schwerpunkts (C_GT) des Kopfes ausgehend von der Bestimmung der Position des Zentrums des Volumens (C_VT) des Kopfes erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Position des Zentrums des Volumens (C_VT) des Kopfes die folgenden Schritte aufweist: • Bestimmung mindestens einer Schnittebene (P_C), die das Volumen des Kopfes in Höhe des Halses begrenzt; • Bestimmung eines gemeinsamen Punktes (M), der sich in dieser Schnittebene befindet; • Vernetzung der Punkte (P) der Kartographie der Außenfläche des Kopfes in aneinandergrenzende Dreiecke, wobei die Spitzen jedes Dreiecks einem Punkt (P) entsprechen; • Zerschneiden des Volumens des Kopfes in Tetraeder (T_T), wobei jedes Tetraeder die drei Punkte (P) eines Dreiecks und den gemeinsamen Punkt (M) enthält; • Berechnen des Elementarvolumens jedes Tetraeders (T_T); • Berechnen des Zentrums des Volumens (C_T) jedes Tetraeders (T_T) ; • Berechnen des Gesamtvolumens des Kopfes durch Addieren der Elementarvolumen aller Tetraeder (T_T); • Berechnen der Position des Zentrums des Volumens (C_VT) des Kopfes durch Berechnen des Baryzentrums der Zentren der Volumen aller Tetraeder (T_T).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Position des Zentrums des Volumens (C_VT) des Kopfes die folgenden Schritte aufweist: • Bestimmung mindestens einer Schnittebene (P_C), die das Volumen des Kopfes (T) in Höhe des Halses begrenzt; • Erzeugung eines digitalen Objekts ausgehend von Punkten der Kopf-Kartographie und von der Schnittebene, wobei das digitale Objekt von einer rechnergestützten Gestaltungssoftware verwendet werden kann; • Berechnung der Position des Zentrums des Volumens (C_VT) durch diese Software.
Verfahren nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittebene (P_C) einzig ist und im Wesentlichen durch den linken Gonion (5), den rechten Gonion (5) und den Inion (6) bestimmt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Kopfes im Wesentlichen durch die Verbindung von zwei Schnittebenen (P'_C, P''_C) begrenzt wird, wobei die erste Schnittebene (P'_C) es ermöglicht, das Volumen des Kopfes nach vorne zu begrenzen, während die zweite Schnittebene (P''_C) es ermöglicht, das Volumen des Kopfes nach hinten zu begrenzen, wobei die erste Schnittebene (P'_C) im Wesentlichen vom linken und rechten Gonion (5) und vom rechten und linken occipitalen Kondyl (7) bestimmt wird, während die zweite Schnittebene vom rechten und linken occipitalen Kondyl (7) und vom Inion (6) bestimmt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Position jeder der drei Koordinaten des Schwerpunkts (C_GT) des Kopfes im dreiachsigen Koordinatensystem durch die Summe von Produkten von zwei Faktoren erhalten wird, wobei der erste Faktor eine Konstante ist, während der zweite Faktor ein anthropometrischer Parameter des Kopfes ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der anthropometrische Parameter die Koordinate, die auf der gleichen Achse des Zentrums des Volumens (C_VT) des Kopfes genommen wird, oder die Länge des Kopfes oder die Breite des Kopfes ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Modell ein volumetrisches und densitometrisches Modell der verschiedenen Bestandteile des Kopfes ist.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Modell von Mitteln der Computertomographie NMR (magnetische Kernresonanz) erstellt wird.
Verfahren zur Abschätzung der Benutzungsgefahr einer von einem Benutzer getragenen Kopfausrüstung unter Betriebsbedingungen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt der Bestimmung der Position des Schwerpunkts (C_GC) der Kopfausrüstung bezüglich des Schwerpunkts des Kopfes (C_GT) des Benutzers aufweist, der gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung einer einen Benutzer simulierenden Testpuppe, die mindestens eine Kopfausrüstung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt der Bestimmung der Position des Schwerpunkts (C_GC) der Kopfausrüstung bezüglich des Schwerpunkts des Kopfes (C_GT) des Benutzers aufweist, der gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 durchgeführt wird.