TWI581838B - 感測式護具內襯及其防護裝置 - Google Patents

Description

感測式護具內襯及其防護裝置

本發明係有關於一種護具之內襯，特別是有關於一種具有拉脹結構(auxetic structure)以具有自我調整之特性，並設有感測器以感測穿戴狀況之感測式護具內襯及其防護裝置。

當在容易受傷的狀況下，例如激烈運動、工地工作或戰場上等，人們通常會穿戴可保護身體的護具以策安全，例如，因為頭部包含了人類重要的器官大腦，故通常會穿戴頭盔以避免頭部受到傷害。但為了保護身體，護具通常較厚重且不通風，在活動時容易造成身體的不適及活動的困難，並且，每個人的身形因人而異，常會有尺寸無法完全合身之狀況，造成諸多不便。

再者，在需穿戴護具之狀況下，身體可能會受到各種不同外在衝擊的影響，而護具本身也可能因此受到損傷，因此，若能有一種可對應人體身形及活動狀況自我調整，且具有感測穿戴狀況之護具之內襯，應能令使用者穿戴時更為舒適，並可藉感測到的數據判斷人體及護具的狀況。

有鑑於上述習知之問題，本發明之目的在於提供一種具有拉脹結構且設有感測器之感測式護具內襯及其防護裝置，以使穿戴時更舒適，並感測穿戴時之狀況。

根據上述之目的，本發明係提供一種感測式護具內襯，其包含內襯墊及感測器。內襯墊為以3D列印方式製成之拉脹結構，內襯墊之一側具有凹槽。感測器以3D列印方式製成，並設於凹槽內，感測器為壓力感測器、濕度感測器或溫度感測器，壓力感測器感測所受到之壓力並產生壓力訊號，濕度感測器感測濕度並產生濕度訊號，溫度感測器感測溫度並產生溫度訊號。

較佳者，感測式護具內襯可進一步包含複數個內襯墊，分別具有不同之拉脹結構，且設於護具之不同位置。

較佳者，各不同之內襯墊設置有不同之感測器。

較佳者，內襯墊之一表面上可具有黏性層，內襯墊以黏性層黏附於護具。

根據上述之目的，本發明再提出一種防護裝置，其包含防護裝置本體、內襯墊、感測器及處理模組。內襯墊為以3D列印方式製成之一拉脹結構，內襯墊設於防護裝置本體之內側表面上，且相對於防護裝置本體之一側具有一凹槽。感測器以3D列印方式製成，並設於凹槽內，感測器為壓力感測器、濕度感測器或溫度感測器，壓力感測器感測所受到之壓力並產生壓力訊號，濕度感測器感測濕度並產生濕度訊號，溫度感測器感測溫度並產生溫度訊號。處理模組連接感測器並接收壓力訊號、濕度訊號或溫度訊號。其中，感測器與處理模組以訊號線連接，內襯墊中對應訊號線具有通道，防護裝置本體對應通道具有溝槽，通道與溝槽連通，訊號線設於溝槽及通道中。

較佳者，防護裝置可進一步包含複數個內襯墊，分別具有不同之拉脹結構，且設於防護裝置本體之不同位置。

較佳者，各不同之內襯墊設置有不同之感測器。

較佳者，防護裝置可更包含儲存單元，連接處理模組，處理模組傳送所接收之壓力訊號、濕度訊號或溫度訊號至儲存單元，儲存單元儲存所接收之壓力訊號、濕度訊號或溫度訊號。

較佳者，防護裝置可更包含傳輸單元，連接處理模組，處理模組傳送所接收之壓力訊號、濕度訊號或溫度訊號至傳輸單元，傳輸單元將所接收之壓力訊號、濕度訊號或溫度訊號傳至外部裝置。

較佳者，內襯墊之一表面上可具有黏性層，內襯墊以黏性層黏附於防護裝置本體。

承上所述之本發明之感測式護具內襯及其防護裝置藉由設置具拉脹結構之內襯墊，以使內襯具有自我調整特性，令使用者穿戴時更舒適並增加保護效果，並且將感測器設於內襯墊上，使本發明之感測式護具內襯及其防護裝置具有感測功能，提供使用者穿戴時之狀況數據。

10‧‧‧感測式護具內襯

100‧‧‧防護裝置

110‧‧‧內襯墊

111‧‧‧凹槽

112‧‧‧孔洞

113‧‧‧黏性層

114‧‧‧通道

120‧‧‧感測器

130‧‧‧防護裝置本體

131‧‧‧溝槽

132‧‧‧導電區域

133‧‧‧支撐點

134‧‧‧節點

140‧‧‧處理模組

141‧‧‧訊號線

150‧‧‧儲存單元

160‧‧‧傳輸單元

第1圖係為本發明之感測式護具內襯之示意圖。

第2圖係為本發明之防護裝置之第一示意圖。

第3圖係為本發明之防護裝置之方塊圖。

第4圖係為本發明之防護裝置之第二示意圖。

第5圖係為本發明之防護裝置之第三示意圖。

請參閱第1圖，其係為本發明之感測式護具內襯之示意圖。如圖所示，本發明之感測式護具內襯10包含內襯墊110及感測器120。內襯墊110以3D列印方式製成之拉脹結構(auxetic structure)，內襯墊110之一側具有凹槽111。

更詳地來說，整個內襯墊110係以拉脹結構為主體，拉脹結構為一種具有負泊松比(negative Poisson's ratio)的結構，其在一個方向受力而被壓縮時，在垂直於受力方向的結構會產生收縮，相對地，在受到拉力而延展時，在垂直於受力方向的結構也會一同延展而膨脹。

也就是說，當拉脹結構兩側被拉伸時，其中央結構會膨脹而使體積增加，其體積增加程度最大可增加30%。而在中心受到壓力時，其結構會收縮而變得緊密。因此，將具拉脹結構之內襯墊110設於護具中時，內襯墊110便會依據穿戴護具之使用者的運動而改變形狀，達到緩衝之功效，同時，也因拉脹結構之自我調整之特性，使護具對使用者更合身。

另外，具有負泊松比的拉脹結構中會具有孔洞112，因此，當具拉脹結構之內襯墊110設於護具中時，也會提供通風的功能，令使用者在穿戴護具時更為舒適。

再者，上述具拉脹結構之內襯墊110之結構形狀、大小及材質等特性，可在電腦上進行設計，並針對不同的需求設計不同的內襯墊110，例如，可以調整內襯墊110構成的材質之比例，以符合不同的設計需求。例如，支撐點133的材質可為Stratasys®公司的VeroWhitePlus^TM白色剛性材料，拉伸強度約為50-65百萬帕(MPa)，彈性模量約為2000-3000百萬帕(MPa)。而節點134處材質為 TangoBlackPlus^TM，係為黑色橡膠狀材料，其拉伸強度約為0.8-1.2百萬帕(MPa)蕭氏硬度為Scale A 26-28。

其中支撐點133與節點134的材料體積比可根據設計的要求進行調整，提高支撐點133(剛性材料)的比例有利於增強結構在受力狀態下維持形狀之能力。提高節點134(彈性材料)的比例則有利於增加結構因受力而變形的靈敏度。支撐點133與節點134兩者的比值與內襯墊110結構的粗細共同決定結構的整體剛度。

同時，調整支撐點133的夾角可以改變結構的體積變化極限值。支撐點133在夾角為60度時，該機構體積變化為-49.7%(結構壓縮)到74.9%(結構拉伸)，結構的材質比例參數和幾何結構參數均可在設計時予以調節，以適應不同的產品需求，另外也可調整內襯墊110之拉脹結構的結構單元的密度，使其具有不同程度的拉脹特性。

接著，將設計好的設計圖輸入到3D印表機(3D Printer)中，以3D列印的方式印出內襯墊110。而因為內襯墊110係以3D列印方式製成，所以不僅能有效降低成本，也可減少製造的時間，並且能快速地對內襯墊110的設計進行修改，甚至是進行客製化的設計，使本發明之感測式護具內襯10能有更廣泛的使用。

同時，在設計內襯墊110時，可在其一側上對應欲設置的感測器120的大小形狀以及位置來設計凹槽111，預留感測器120設置的位置，以使設有感測器120的內襯墊110之表面平整，不會因設置有感測器120而使整體表面有突起。

感測器120同樣係以3D列印方式製成，其可以3D電子印表機(3D Electronics Printer)印製而成，可印製溫度感測器、濕度感測器、壓力感測器、應變規…等，並設於內襯墊110上對應之凹槽111內。而感測器120的厚度可控制在0.2-1mm的範圍內，且不同感測器120厚度會有所不同，將此厚度的感測器120裝在內襯墊110的凹槽111內，使用者會幾乎感覺不到感測器120的存在，不會產生異物感。

再者，感測器120在設計時可設計為壓力感測器、濕度感測器或溫度感測器之任一種。壓力感測器可感測所受到之壓力，也就是說，當壓力感測器裝在設於護具內之內襯墊110上時，其便可感側使用者身體與內襯墊110之間之壓力，並以此產生壓力訊號。濕度感測器可感測濕度，也就是說，當濕度感測器裝在設於護具內之內襯墊110上時，其便可感側護具內之濕度，並以此產生濕度訊號。溫度感測器可感測溫度，也就是說，當溫度感測器裝在設於護具內之內襯墊110上時，其便可感側護具內之溫度，並以此產生溫度訊號。

本發明之感測式護具內襯10可進一步包含複數個內襯墊110，分別具有不同之拉脹結構，且設於護具之不同位置。也就是說，因為只要具有負泊松比結構變係為拉脹結構，因此，拉脹結構可有不同的結構形式，其拉脹特性也不盡相同，如此，便可針對護具中不同位置的不同需求，將複數個分別具有不同拉脹結構的內襯墊110設於護具中不同之位置，以使具拉脹結構之內襯墊110發揮更好的效果。

再者，如上所述之複數個內襯墊110同樣也可分別具有複數個凹槽111，其中各個不同之內襯墊110可分別在其各自的凹槽111中設置有不同之感測器120，以對不同位置感測不同的資訊。

另外，內襯墊110可在設計時，設計其之一表面上具有黏性層113，再在3D印表機中加入對應所需之材料，如此便能列印出一表面具有黏性的內襯墊110，而具有黏性層113的內襯墊110便能藉黏性層113而直接黏附於護具上。

續請參閱第2圖及第3圖，第2圖係為本發明之防護裝置之第一示意圖；第3圖係為本發明之防護裝置之方塊圖。如圖所示，本發明之防護裝置100包含防護裝置本體130、內襯墊110、感測器120及處理模組140，亦即，本發明之防護裝置100係將上述之感測式護具內襯10設於防護裝置本體130。而下述將以頭盔做為防護裝置本體130之示例，但並不以此為限。

內襯墊110之結構及其製成方式已如上所述，在此便不再贅述。內襯墊110設於防護裝置本體130之內側表面上，也就是設於頭盔的內側，藉由其之拉脹結構以做為使用者頭部與頭盔之間的緩衝，同時也因拉脹結構有自我調整之特性，讓使用者在各種情況下皆能舒適地穿戴設有此內襯墊110之頭盔。且因內襯墊110之拉脹結構中之孔洞112，使本發明之防護裝置100相較於一般頭盔有更好的通風效果，穿戴時更為舒適而不悶熱。

而如上述所描述之內襯墊110上之凹槽111，係位於內襯墊110相對於防護裝置本體130之一側，亦即，凹槽111係位於內襯墊110與使用者頭部接觸之一側，使設於其中之感測器120可與人體頭部接觸，如此，當使用者穿戴頭盔時，感測器120便可感測頭盔內部的狀況並產生相對應的訊號，以供不同的分析需求使用。同樣地，感測器120之製成方式、設置位置及感測種類已如上所述，在此便不再贅述。

進一步地，防護裝置100可包含複數個內襯墊110，分別具有不同之拉脹結構，且設於防護裝置本體130之不同位置。也就是說，可有複數個內襯墊110設頭盔中，並位於不同位置，例如頭頂、前額、後腦及兩側等位置。且位於不同位置之內襯墊110，可對應不同位置之需求，而設計不同的結構形狀、大小及材質等，使本發明之防護裝置100具有更好的穿戴效果。舉例來說，內襯墊110結構可用多種材料印製成不同形狀，例如，半圓形，其材質會較柔軟，適合放在前額處可吸收額外的重量，當像是需增加夜視鏡或是護目鏡在頭盔前額處時，便可以半圓形的結構來吸收所增加的額外重量；矩形，其吸震程度較好，適合擺放於後腦處，減少後腦所受到的衝擊以保護腦幹，像是可吸收子彈碎片或異物的衝擊。

同樣地，如上所述之複數個內襯墊110同樣也可分別具有複數個凹槽111，其中各個不同之內襯墊110可分別在其各自的凹槽111中設置有不同之感測器120，以對不同位置感測不同的資訊。

更進一步地，在同一內襯墊110上之不同凹槽111中，也可具有不同種類的感測器120，也就是說，對應不同之需求，同一內襯墊110上可同時具有壓力感測器、濕度感測器或溫度感測器，分布在同一內襯墊110上不同位置。

同時，因內襯墊110及感測器120皆是以3D列印方式製成，在內襯墊110的結構、形狀、設置位置，以及感測器120的種類及設置位置等設計，皆可對應各種不同需求而改變，而感測器120的數量及位置也可根據需要進行設計，且每個內襯墊110中心皆可擺放至少一個感測器120，以便反應 整體頭部環境。而以3D列印方式製成除了可進行客製化的設計外，也可快速地取得成品，以降低成本。

接著，防護裝置100可更包含儲存單元150，儲存單元150連接處理模組140，處理模組140便可將其所接收之壓力訊號、濕度訊號或溫度訊號傳至儲存單元150，而儲存單元150將所接收之壓力訊號、濕度訊號或溫度訊號儲存，以提供後續不同的需求使用。

再者，防護裝置100可更包含傳輸單元160，傳輸單元160連接處理模組140，處理模組140便可將其所接收之壓力訊號、濕度訊號或溫度訊號傳至傳輸單元160，而傳輸單元160可將所接收之壓力訊號、濕度訊號或溫度訊號傳至外部裝置。傳輸單元160以無線傳輸之方式與外部裝置連接，以使他處之人可即時掌握穿戴本發明之防護裝置100的使用者的狀況。

上述儲存單元150及傳輸單元160可紀錄不同種類之感測器120感測到的資訊，使用者便能依這些資訊進行各種評估判斷。例如，當頭盔受到衝擊時，壓力感測器便能感測使用者頭部所受到的壓力，之後便能以此判斷該衝擊對使用者的影響；或是可感測頭盔內的溫度及濕度，藉此掌握使用者的使用狀況，作為判斷使用者身體健康之依據。同時，也可依據感測器120感測到的資訊判斷頭盔使用的狀況，以作為更換頭盔之參考。

同樣地，內襯墊110可在設計時，設計其之一表面上具有黏性層113，再在3D印表機中加入對應所需之材料，如此便能列印出一表面具有黏性的內襯墊110，而具有黏性層113的內襯墊110便能藉黏性層113而直接黏附於防護裝置本體130的內側表面上。

續請參閱第4圖，其係為本發明之防護裝置之第二示意圖。如圖所示，其提供一種感測器120與處理模組140連接之方式。其中，感測器120與處理模組140的連接方式係以訊號線141連接，因此，在內襯墊110中會有對應訊號線141的通道114，通道114可在設計內襯墊110時便預先設計，如此以3D印表機列印製成的內襯墊110便會具有讓訊號線141通過的通道114。

而防護裝置本體130對應通道114具有溝槽131，也就是頭盔具有可令訊號線141通過的溝槽131，並且內襯墊110之通道114與頭盔之溝槽131會彼此連通，因此訊號線141便可設於溝槽131及通道114中，如此，設於內襯墊110的感測器120便可藉由訊號線141通過內襯墊110及頭盔，而與處理模組140相連接。

續請參閱第5圖，其係為本發明之防護裝置之第三示意圖。如圖所示，其提供另一種感測器120與處理模組140連接之方式。在第5圖中，防護裝置本體130具有的溝槽131可設置在其之中，也就是在頭盔內，並且可在製作頭盔時，就將頭盔中之訊號線141一併製作，如此，當內襯墊110需更換時，因頭盔之溝槽131中之訊號線141與內襯墊110之通道114中之訊號線141並非為一體，便不需將頭盔中之訊號線141更換，僅需換掉內襯墊110。而在頭盔上與內襯墊110之訊號線141相接處，可設有較大面積的導電區域132，令其可穩定地連續傳輸訊號。

承上所述之本發明之感測式護具內襯及其防護裝置在防護裝置本體中設置具有拉脹結構之內襯墊，藉由拉脹結構的自我調整特性，以令防護裝置可適應各種不同的使用狀況，並在且內襯墊上設置感測器，以掌握使用者穿戴防護裝置時之狀況。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

100‧‧‧防護裝置

110‧‧‧內襯墊

111‧‧‧凹槽

114‧‧‧通道

120‧‧‧感測器

130‧‧‧防護裝置本體

131‧‧‧溝槽

140‧‧‧處理模組

141‧‧‧訊號線

Claims (10)

1. 一種感測式護具內襯，其包含：一內襯墊，係為以3D列印方式製成之一拉脹結構，該拉脹結構具有一支撐點及一節點，該支撐點包含一剛性材料，該節點包含一彈性材料，該剛性材料與該彈性材料之拉伸強度不同，該內襯墊之一側具有一凹槽；以及一感測器，係以3D列印方式製成，並設於該凹槽內，該感測器係為一壓力感測器、一濕度感測器或一溫度感測器，該壓力感測器感測所受到之壓力並產生一壓力訊號，該濕度感測器感測濕度並產生一濕度訊號，該溫度感測器感測溫度並產生一溫度訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之感測式護具內襯，其進一步包含複數個該內襯墊，分別係具有不同之該拉脹結構，且設於一護具之不同位置。
3. 如申請專利範圍第2項所述之感測式護具內襯，其中各不同之該內襯墊設置有不同之該感測器。
4. 如申請專利範圍第1項所述之感測式護具內襯，其中該內襯墊之一表面上係具有一黏性層，該內襯墊以該黏性層黏附於一護具。
5. 一種防護裝置，其包含：一防護裝置本體；一內襯墊，係為以3D列印方式製成之一拉脹結構，該拉脹結構具有一支撐點及一節點，該支撐點包含一剛性材料，該節 點包含一彈性材料，該剛性材料與該彈性材料之拉伸強度不同，該內襯墊設於該防護裝置本體之內側表面上，且相對於該防護裝置本體之一側具有一凹槽；一感測器，係以3D列印方式製成，並設於該凹槽內，該感測器為一壓力感測器、一濕度感測器或一溫度感測器，該壓力感測器感測所受到之壓力並產生一壓力訊號，該濕度感測器感測濕度並產生一濕度訊號，該溫度感測器感測溫度並產生一溫度訊號；以及一處理模組，係連接該感測器並接收該壓力訊號、該濕度訊號或該溫度訊號；其中，該感測器與該處理模組係以一訊號線連接，該內襯墊中對應該訊號線具有一通道，該防護裝置本體對應該通道具有一溝槽，該通道與該溝槽連通，該訊號線設於該溝槽及該通道中。
6. 如申請專利範圍第5項所述之防護裝置，其進一步包含複數個該內襯墊，分別係具有不同之該拉脹結構，且設於該防護裝置本體之不同位置。
7. 如申請專利範圍第6項所述之防護裝置，其中各不同之該內襯墊設置有不同之該感測器。
8. 如申請專利範圍第5項所述之防護裝置，其更包含一儲存單元，係連接該處理模組，該處理模組傳送所接收之該壓力訊號、該濕度訊號或該溫度訊號至該儲存單元，該儲存單元儲存所接收之該壓力訊號、該濕度訊號或該溫度訊號。
9. 如申請專利範圍第5項所述之防護裝置，其更包含一傳輸單元， 係連接該處理模組，該處理模組傳送所接收之該壓力訊號、該濕度訊號或該溫度訊號至該傳輸單元，該傳輸單元將所接收之該壓力訊號、該濕度訊號或該溫度訊號傳至一外部裝置。
10. 如申請專利範圍第5項所述之防護裝置，其中該內襯墊之一表面上係具有一黏性層，該內襯墊以該黏性層黏附於該防護裝置本體。