基于干黏附特性的变刚度惯性载荷消减装置

1.本发明涉及一种消减惯性载荷防护装置，具体为一种基于干黏附特性的变刚度惯性载荷消减装置。


背景技术：

2.高g载荷及高g增长率载荷不仅能引起工作人员颈肌拉伤，还能造成工作人员的颈椎骨折、韧带撕裂、椎间盘退变和椎间盘突出，最严重的会引起工作人员颈椎骨折伤亡事故发生，这些伤害往往会大大缩短工作人员从事此种工作的寿命，对于一些花费巨大费用培养工作人员的工作会是一个巨大的损失。
3.高g载荷及高g增长率载荷不仅会严重危害工作人员的生命健康，还会造成巨大的经济损失，因此目前最迫切的需求是研发能有效消减惯性载荷、减轻头颈部损伤的防护装置。
4.目前的防护装置分为被动式和主动式，被动式的防护装置有用于赛车的hans头颈支撑系统和安全气囊等，hans系统不能有效的消减惯性载荷，对减少颈部损伤几乎没有作用，安全气囊虽然能有效地保护人体头部和胸部，使之免于伤害或减轻伤害程度，但是在车辆以较高速度撞击时，安全气囊弹出时产生的巨大撞击力会对人的头部、颈部等较脆弱的部位造成严重的损伤；主动式的防护装置有车用hrs头部约束装置系统和新型的车用主动头部约束系统，hrs系统工作过程：在追尾事故发生时人通过靠背触发机构，头枕自动向前、向上移动保护头部，但是对于快速减速过程中的头部剧烈前摆并不能进行很好的抑制，还是会对颈部造成大的损伤。
5.新型的车用主动头部约束系统主要是在人的头部的每一侧部署一个衬垫元件，消除侧面或斜向碰撞而造成的头部和颈部损伤，但是对于快速减速过程中的头部剧烈前摆并不能进行很好的抑制，还是会对颈部造成大的损伤，而且还会限制头颈部的自由活动和视野。
6.变刚度的消减惯性载荷防护装置不仅能有效消减惯性载荷降低头颈部的损伤，还不会限制工作人员的头颈部运动和视野，尽管变刚度的防护装置有这么多的优势，但是目前对于变刚度技术应用到消减惯性载荷防护装置领域还很少，而且现有的变刚度技术难以满足变刚度消减惯性载荷防护装置的应用，如张涛等人在1998年《光学精密工程》第5期《压电陶瓷基本特性研究》中提到的压电陶瓷材料，其可实现刚度的连续变化，响应速度快，但其刚度变化范围较小，且难以适应各种曲面结构刚度的变化；王强等人在2020年《机电信息》第26期《液压可变刚度螺旋弹簧设计与分析》中提到的变刚度弹簧，其刚度变化响应较慢，结构较为复杂，且由于形状固定，导致适用对象有限；刘晨等人在2018年《西安交通大学学报》第12期《一种新型柔性静电吸附变刚度结构》中提到的静电吸附技术，其刚度变化由电压调节，结构简单，操作简便，工作稳定性较好，但虽然其刚度变化很快，但是当电压达到5.5kv时，对应的静电吸附力却只有100mn，总体刚度较低，适用范围有限。


技术实现要素：

7.针对现有装置的不足，本发明的目的在于提供一种基于干黏附特性的变刚度惯性载荷消减装置，解决了主动式防护装置的不足，改变了现有变刚度机构的复杂性、响应速度慢、刚度可变化范围小等缺陷，有效消减在高g载荷及高g增长率载荷下的工作人员所受的高惯性载荷，也保证了工作人员的头颈部的运动空间和视野范围。
8.为实现以上目的，本发明通过以下具体技术方案予以实现：一种基于干黏附特性的变刚度惯性载荷消减装置，包括若干分别连接到头盔与衣服的变刚度机构和与头盔以及衣服可拆卸连接的连接结构，变刚度机构为气动执行机构，包括具有高刚度外套的上机构和具有低刚度气驱膨胀内套的下机构，上机构与头盔之间通过连接结构可拆卸式连接，下机构与衣服之间通过连接结构可拆卸式连接，上机构套接下机构；下机构内气囊在气压作用下膨胀，驱动下机构内的内套产生形变，使固定在内套外表面上的仿生黏附材料层与上机构内高刚度外套的内壁面紧密接触，使变刚度机构处于高刚度状态，传递惯性载荷，实现载荷消减的功能；下机构的内套在气压降低后直径减小，下机构和上机构脱离接触，变刚度机构处于低刚度状态，上机构和下机构可以自由运动，没有约束。
9.本发明技术方案，变刚度机构的刚度变化是通过调节气囊气压来实现，同时在变刚度机构的接触界面引入仿生黏附材料层作用，以增大刚度变化极限，其中仿生黏附材料的应用使得本发明的变刚度技术远远优于传统气压变刚度技术的一个重要原因。
10.对本发明技术方案的进一步优选，基于干黏附特性的变刚度惯性载荷消减装置，还包括变刚度检测触发单元，所述变刚度检测触发单元包括两路独立的气压施加或排放的启动信号，分别为由使用人员主动施加的信号和由应用对象内置的加速度传感器给定的信号，使用人员主动施加的信号为集成在应用对象控制系统内的主动启动信号。
11.对本发明技术方案的进一步优选，应用对象为汽车、飞机或火车。
12.对本发明技术方案的进一步优选，下机构内气囊的气压调节通过气动单元调节，气动单元为气源。
13.对本发明技术方案的进一步优选，头部惯性载荷消减防护装置内所有气囊的气嘴连通一根气管，气管端部设置阀门，气动单元可拆式连接阀门，阀门电连接变刚度检测触发单元。
14.对本发明技术方案的进一步优选，上机构还包括上连接扣和复位弹簧，上连接扣与高刚度外套顶端连接，上机构通过上连接扣与连接结构连接到头盔上，复位弹簧位于高刚度外套内，且复位弹簧与高刚度外套顶端连接；下机构还包括下连接扣，气囊置于高刚度外套内，气囊一端连接复位弹簧，另一端连接下连接扣，内套套在气囊上，且气囊与内套在顶端固定。
15.对本发明技术方案的进一步优选，复位弹簧与高刚度外套之间螺纹连接，方便后续更换维护；复位弹簧可防止变刚度机构在非工作状态下自由伸缩时上机构与下机构脱离；复位弹簧与气囊之间铆钉连接，方便后续更换维护。
16.对本发明技术方案的进一步优选，变刚度机构具有三个状态，分别为：非工作状态、工作状态和工作响应结束状态；非工作状态时，黏附材料层和高刚度外套脱开，气囊可在高刚度外套中沿轴向自由移动；工作状态时，黏附材料层和高刚度外套黏附，气囊在高刚度外套中位置固定；工作响应结束状态时，气囊恢复到非工作状态时的可以沿轴向自由移
动的状态。
17.变刚度机构，未进行工作的情况下，气囊未膨胀，内套未发生形变，下机构的黏附材料层与高刚度外套内壁之间有间隙1mm,气囊可在高刚度外套中沿轴向自由移动；在进行工作的情况下，气囊膨胀，内套发生形变，推动附着的黏附材料层与高刚度外套内壁面黏附，气囊与高刚度外套的相对运动被约束；内套对气囊的相对高刚度外套的运动起导向作用，黏附材料层可与光滑的高刚度外套黏附提高刚度。变刚度机构在未进行工作时，每个变刚度机构未锁定，工作人员的头颈部可以自由运动，在进行工作时，每个变刚度机构锁定，消减工作人员头颈部受到的惯性载荷。
18.对本发明技术方案的进一步优选，内套套在气囊的上部，内套顶端与气囊之间胶粘，可在不破坏气囊密封性的情况下，使内套与气囊固定在一起；内套上沿轴向间隔开设多条通槽，通槽延伸到内套的底端；内套采用低强度金属材料制成，内套的厚度小于等于0.5mm。适当降低内套强度，使气囊更容易将内套底端顶起，让粘在内套外侧的黏附材料层更容易与高刚度外套内壁接触；同时，增加高刚度外套与内套之间的径向距离，减小变刚度机构在非工作状态下进行移动时的阻力。
19.对本发明技术方案的进一步优选，高刚度外套采用轻质高强度金属材料制成，高刚度外套的厚度为1.5mm。尽可能提高高强度外套强度，在工作状态下，其需要抵抗大部分冲击载荷，保证在工作过程中不会出现弯折或断裂；同时，选择较轻质材料，可在一定程度上降低使用人员需要承受的负荷。
20.本发明技术方案中提及的黏附材料，为已知材料，本领域技术人员已知。
21.本发明的有益效果是：1、本发明是主动式消减惯性载荷的防护装置，具有更好的消减惯性载荷的效果。
22.2、本发明与现有的变刚度机构不同，本发明采用仿生黏附技术实现刚度变化，通过气压调节仿生黏附材料的黏附与脱附，具有刚度变化范围大、响应迅速等特点；仿生黏附材料具有稳定的可重复黏附特性和一定强度的黏附强度，在机构单元接触界面引入仿生黏附作用，以增大刚度变化极限，其中仿生黏附材料的应用使得本发明的变刚度技术远远优于传统气压变刚度技术的一个重要原因。
23.3、本发明不会限制使用人员的头颈部自由运动和视野。
附图说明
24.图1为本发明实施例的整体组装示意图；图2为本发明实施例的变刚度机构的上机构的剖切视图；图3为本发明实施例的变刚度机构的下机构的示意图；图4为本发明实施例的变刚度机构的结构示意图；图5为本发明实施例的内套与黏附材料层的装配图；图6为本发明实施例的连接结构的示意图；图中标号说明：1——头盔，2——变刚度机构，3——气管，4——衣服，5——阀门，6——上连接扣，7——复位弹簧，8——高刚度外套，9——下连接扣，10——气囊，11——黏附材料层，12——内套，13—滑块，14—复位簧。
具体实施方式
25.下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-5及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
27.如图1所示，本实施例系一种基于干黏附特性的变刚度惯性载荷消减装置，包括头盔1、七个变刚度机构2和一套气动单元，气动单元包括气管1、阀门5和外置气源。
28.头盔1的设计符合头部尺寸，被佩戴时与头紧密贴合。
29.七个变刚度机构2逐一均匀布置，七个变刚度机构2的上下两端均通过连接结构分别与头盔1与衣服4连接。
30.如图2、3和4所示，所示，本实施例，变刚度机构2为气动执行机构，包括具有高刚度外套8的上机构和具有低刚度气驱膨胀内套12的下机构，具体为：上机构包括上连接扣6、复位弹簧7和高刚度外套8，上连接扣6与高刚度外套8顶端外表面焊接在一起，复位弹簧7由高刚度外套8后端插入，且高刚度外套8顶端与复位弹簧7通过螺纹连接在一起，具体为，复位弹簧7端头固定一个连接块，连接块外表面设置外螺纹，高刚度外套顶端内表面设置内螺纹，两者螺纹连接。
31.本实施例中，高刚度外套8采用轻质高强度金属材料制成，优先采用厚度为1.5mm的不锈钢制成。
32.下机构包括下连接扣9、气囊10、黏附材料层11和内套12，内套12套在气囊10的上部，内套12的顶端与气囊10之间胶粘，可在不破坏气囊密封性的情况下，使内套12与气囊10固定在一起；多条黏附材料层11粘贴在内套12的外表面上。气囊10下部分与下连接扣9通过铆钉连接在一起。
33.如图5所示，内套12为圆筒结构，内套12为具有低刚度气驱膨胀的内套，内套12采用低强度金属材料制成，本实施例优先采用铝合金制成。内套12上沿轴向间隔开设多条通槽，通槽延伸到内套12的底端，内套12的厚度小于等于0.5mm。在向气囊10充气后，气囊10膨胀将由通槽隔开的内套12部分向外顶起，使得粘贴在内套12外表面上的黏附材料层11与高刚度外套8的内缸壁黏附，气囊与高刚度外套的相对运动被约束。
34.如图3所示，变刚度机构的上机构的复位弹簧7与下机构的气囊10通过铆钉连接在一起，具体为，在气囊10端部一体成型一块外凸的连接部，复位弹簧7与此连接部之间通过铆钉连接。
35.如图6所示，本实施例中，变刚度机构2与头盔1之间可拆卸式的连接结构，优先采用插接式连接结构，具体以变刚度机构2与头盔1连接为例，进一步说明：在头盔1上内嵌设置复位簧14和滑块13，滑块13周围为一凹槽，滑块13在复位簧14的作用下，在凹槽内有位移变化。
36.在变刚度机构2与头盔1连接时，利用变刚度机构2内的上连接扣6与连接结构进行连接，具体为：在安装上连接扣6时，直接将上连接扣6推入头盔1上的凹槽，上连接扣6推动滑块13在凹槽移位，滑块13移位的同时压缩复位簧14；当上连接扣6安装到位后，复位簧14推动滑块13进入上连接扣6上的插槽内，滑块13将上连接扣6和头盔1锁定在一起。在拆卸上
连接扣6时，手动将滑块13向后移位，从上连接扣6内的插槽脱离，上连接扣6和头盔1不再锁定在一起，可将上连接扣6从头盔1上拆卸下来。
37.本实施例中，变刚度机构2与衣服4的连接，实质为下连接扣9和衣服4的连接，本实施例中下连接扣9和衣服4优选采用按扣连接结构，具体为，在衣服4上和下连接扣9分别设置按扣的子母扣。
38.本实施例装置实现载荷消减的功能具体为：上机构套接下机构；下机构内气囊10在气压作用下膨胀，驱动下机构内的内套12产生形变，使固定在内套12外表面上的仿生黏附材料层11与上机构内高刚度外套的内壁面紧密接触，使变刚度机构2处于高刚度状态，传递惯性载荷，实现载荷消减的功能。
39.当下机构的内套在气压降低后直径减小，下机构和上机构脱离接触，变刚度机构2处于低刚度状态，上机构和下机构可以自由运动，没有约束。
40.本实施例采用的充气单元通过阀门5和气源来提供气压和流量，是由一个气源、阀门5、气管3组成的双向（正负向）气压回路系统，气管3是给变刚度机构输送气流的通道。气管3连通每个变刚度机构内的气囊10的气口。
41.本实施例装置，还包括变刚度检测触发单元，变刚度检测触发单元包括两路独立的气压施加或排放的启动信号，分别为由使用人员主动施加的信号和由应用对象内置的加速度传感器给定的信号，使用人员主动施加信号为集成在应用对象控制系统内的主动启动信号。本实施例装置优选的应用对象为汽车、飞机或火车。
42.举例说明， 本实施例装置的应用对象为汽车，在汽车的自身控制系统内接入一个主动启动信号，该主动启动信号由驾驶员进行控制，可以控制阀门打开或关闭，实现气压和流量的控制。这是使用人员主动施加信号，具体表现在，汽车内的人员感知到危险即将来临，主动启动该装置来保护头部。
43.在汽车的自身控制系统内的加速度传感器（若汽车没有，可以增设用于检测汽车速度增加的传感器）上接出一路启动信号，该路启动信号是在加速度传感器检测到汽车正常行驶过程中出现加速度异常情况时，启动该装置来保护头部。
44.本实施例的基于干黏附特性的变刚度惯性载荷消减装置，变刚度机构根据不同惯性载荷可以选择不同的变刚度机构个数，可以选择1-7组，惯性载荷越大，变刚度机构越多。
45.本实施例的基于干黏附特性的变刚度惯性载荷消减装置，未进行工作的情况下气囊10可在高刚度外套8中沿轴向自由移动，在进行工作的情况下气囊10充气膨胀将内套12撑开，推动附着的黏附材料层与高刚度外套8的内表面黏附，气囊10与高刚度外套8的相对运动被约束。内套12对气囊10相对高刚度外套8的运动起导向作用，黏附材料层可与光滑的高刚度外套黏附提高刚度。变刚度机构在未进行工作时，每个变刚度机构未锁定，工作人员的头颈部可以自由运动，在进行工作时，每个变刚度机构锁定，消减工作人员头颈部受到的惯性载荷。
46.本实施例的基于干黏附特性的变刚度惯性载荷消减装置，变刚度机构为气动执行机构，充气单元为变刚度机构供气及放气，变刚度检测触发单元为气动单元发送控制信号。变刚度机构的刚度变化是通过调节气囊气压来实现，同时在机构单元接触界面引入仿生黏附作用，以增大刚度变化极限，其中仿生黏附材料的应用使得本发明的变刚度技术远远优于传统气压变刚度技术的一个重要原因。
47.变刚度机构具有三个状态，分别为非工作状态、工作状态、工作响应结束状态：在非工作状态时，变刚度机构气囊处于负压状态，黏附材料层和高刚度外套脱开（间隙在1mm左右），处于刚度较小的状态，可沿轴向自由移动，头部处于自由状态，可以自由运动，在头部正视前方时，复位弹簧处于不受力状态，在头部扭转或低头时，头盔带动高刚度外套伸出，复位弹簧处于拉伸状态，需要克服复位弹簧的拉力（很小），当头部恢复正视前方时，气囊在复位弹簧拉力的作用下，恢复至初始位置。
48.在工作状态时，阀门5的进气口开启，供气系统迅速对气囊10进行充气，气囊10膨胀，将内套12向外侧抬起，内套12外表面粘贴的黏附材料与高刚度外套的缸体内表面贴合，形成较大界面作用力，刚度较大，高刚度外套和气囊基本不发生相对滑动。
49.在工作响应结束状态，阀门5的出气口开启，气囊10内气体排出，气囊内恢复负压状态，内套12恢复原状，使得黏附材料层与高刚度外套体内壁脱离，刚度恢复到较低水平，变刚度机构可沿轴向自由移动，头部可以自由活动。
50.在变刚度机构的三个状态下，内套12对气囊10的相对高刚度外套8的运动起导向作用，黏附材料层11可与光滑的高刚度外套8黏附提高刚度。
51.基于干黏附特性的变刚度惯性载荷消减装置也具有三个状态：在非工作状态时，变刚度机构每个单元位置没有锁定，刚度小，头部处于自由状态，可以自由运动，在运动过程中仅仅需要克服每个变刚度机构的复位弹簧的施加的力而已；当使用人员将要受到惯性载荷时，使用人员操控控制系统发出工作信号，该防护装置进入工作状态，供气系统进入充气的工作状态，变刚度机构每个单元位置锁定，刚度增大，变刚度机构将头盔固定，消除使用人员的惯性载荷，防止在过载的情况下工作人员头部前倾。当工作人员所受的惯性载荷撤销后，防护装置进入工作响应结束状态，供气系统进入泄气的工作状态，变刚度机构恢复到原来刚度小的状态，头部又处于可以自由运动的状态。
52.以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于干黏附特性的变刚度惯性载荷消减装置，其特征在于：包括若干分别连接到头盔（1）与衣服（4）的变刚度机构（2）和与头盔（1）以及衣服（4）可拆卸连接的连接结构，变刚度机构（2）为气动执行机构，包括具有高刚度外套（8）的上机构和具有低刚度气驱膨胀内套（12）的下机构，上机构与头盔（1）之间通过连接结构可拆卸式连接，下机构与衣服之间通过连接结构可拆卸式连接，上机构套接下机构；下机构内气囊（10）在气压作用下膨胀，驱动下机构内的内套（12）产生形变，使固定在内套（12）外表面上的仿生黏附材料层（11）与上机构内高刚度外套的内壁面紧密接触，使变刚度机构（2）处于高刚度状态，传递惯性载荷，实现载荷消减的功能；下机构的内套在气压降低后直径减小，下机构和上机构脱离接触，变刚度机构（2）处于低刚度状态，上机构和下机构可以自由运动，没有约束。2.根据权利要求1所述的基于干黏附特性的变刚度惯性载荷消减装置，其特征在于，所述基于干黏附特性的变刚度惯性载荷消减装置，还包括变刚度检测触发单元，所述变刚度检测触发单元包括两路独立的气压施加或排放的启动信号，分别为由使用人员主动施加的信号和由应用对象内置的加速度传感器给定的信号，使用人员主动施加的信号为集成在应用对象控制系统内的主动启动信号。3.根据权利要求2所述的基于干黏附特性的变刚度惯性载荷消减装置，其特征在于，所述应用对象为汽车、飞机或火车。4.根据权利要求2所述的基于干黏附特性的变刚度惯性载荷消减装置，其特征在于，下机构内气囊（10）的气压调节通过气动单元调节，气动单元为气源。5.根据权利要求4所述的基于干黏附特性的变刚度惯性载荷消减装置，其特征在于，头部惯性载荷消减防护装置内所有气囊（10）的气嘴连通一根气管（3），气管（3）端部设置阀门（5），气动单元可拆式连接阀门（5），阀门（5）电连接变刚度检测触发单元。6.根据权利要求1所述的基于干黏附特性的变刚度惯性载荷消减装置，其特征在于，上机构还包括上连接扣（6）和复位弹簧（7），上连接扣（6）与高刚度外套（8）顶端连接，上机构通过上连接扣（6）与连接结构连接到头盔（1）上，复位弹簧（7）位于高刚度外套（8）内，且复位弹簧（7）与高刚度外套（8）顶端连接；下机构还包括下连接扣（9），气囊（10）置于高刚度外套（8）内，气囊（10）一端连接复位弹簧（7），另一端连接下连接扣（9），内套（12）套在气囊（10）上，且气囊（10）与内套（12）在顶端固定。7.根据权利要求6所述的基于干黏附特性的变刚度惯性载荷消减装置，其特征在于，复位弹簧（7）与高刚度外套（8）之间螺纹连接，复位弹簧（7）与气囊（10）之间铆钉连接。8.根据权利要求1所述的基于干黏附特性的变刚度惯性载荷消减装置，其特征在于，所述变刚度机构具有三个状态，分别为：非工作状态、工作状态和工作响应结束状态；非工作状态时，黏附材料层（11）和高刚度外套（8）脱开，气囊（10）可在高刚度外套（8）中沿轴向自由移动；工作状态时，黏附材料层（11）和高刚度外套（8）黏附，气囊（10）在高刚度外套（8）中位置固定；工作响应结束状态时，气囊（10）恢复到非工作状态时的可以沿轴向自由移动的状态。9.根据权利要求1所述的基于干黏附特性的变刚度惯性载荷消减装置，其特征在于，所述内套（12）套在气囊（10）的上部，内套（12）顶端与气囊（10）之间胶粘，内套（12）上沿轴向间隔开设多条通槽，通槽延伸到内套（12）的底端；内套（12）采用低强度金属材料制成，内套（12）的厚度小于等于0.5mm。
10.根据权利要求1所述的基于干黏附特性的变刚度惯性载荷消减装置，其特征在于，高刚度外套（8）采用轻质高强度金属材料制成，高刚度外套（8）的厚度为1.5mm。

技术总结
本发明公开了一种基于干黏附特性的变刚度惯性载荷消减装置，包括若干连接头盔与衣服的变刚度机构和与头盔以及衣服可拆卸连接的连接结构，变刚度机构为气动执行机构，包括具有高刚度外套的上机构和具有低刚度气驱膨胀内套的下机构，上机构与头盔和下机构与衣服分别通过连接结构可拆卸连接，上机构套接下机构；下机构气囊充气膨胀，使下机构内套形变，固定在内套外表面的仿生黏附材料层与上机构高刚度外套内壁紧密接触，变刚度机构处于高刚度状态，实现载荷消减；气囊气压降低后，下机构和上机构脱离，变刚度机构处于低刚度状态。本发明是主动式消减惯性载荷的防护装置，具有更好的消减惯性载荷的效果，且可以完全不影响下机构和上机构的相对运动。构和上机构的相对运动。构和上机构的相对运动。


技术研发人员：戴振东 王林锋 宝韦文 胡旻昊
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/6/27