用于吸收、分散和测量力的结构 |
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| 申请号 | CN201611174522.9 | 申请日 | 2016-11-07 | 公开(公告)号 | CN106669136A | 公开(公告)日 | 2017-05-17 |
| 申请人 | 冲击力科技实验室有限公司; | 发明人 | J·L·罗伯茨; W·马沙尔; H·葛瓦; K·德尔维希; | ||||
| 摘要 | 用于吸收、分散和测量 力 的结构。一种吸收、分散和测量力的结构，该结构包括多个不同的层，该多个不同的层包括：第一冲击 吸收材料 (12)，其具有面向预期的冲击的方向的外表面和相反的内表面。冲击分散层(13)，与第一冲击吸收材料的内表面相邻设置，并且具有比第一冲击吸收材料更高的抗挠 刚度 。第二冲击吸收材料(12)，其具有与冲击分散层相邻的外表面和相反的内表面，并且具有比冲击分散层更低的硬度。压力 传感器 (14)横跨第二冲击吸收材料的内表面布置，其中，第一冲击吸收材料的外表面上的冲击部分地被所述第一冲击吸收材料吸收、被冲击分散层分散并进一步被第二冲击吸收材料吸收，剩余的传递的力由所述 压力传感器 感测。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种吸收、分散和测量力的结构，所述结构包括多个不同的层，该多个不同的层包括： |
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| 说明书全文 | 用于吸收、分散和测量力的结构技术领域[0001] 本发明涉及一种用于吸收、分散和测量力的结构。 背景技术[0002] 这样的结构主要旨在作为可穿戴衣物(garment)的一部分。然而，它具有其他的应用，诸如，用于可能需要吸收、分散(dissipate)和测量力的运动设备。例如，用于争球器(scrummaging machine)或者扑搂包(tackle bag)中。该结构还可应用在诸如防撞护栏中以及运输中对车辆的保护中。它可用于保护工具和工件，其中，其有助于测量力以确定该工具是否需要重新校准或者维修。 [0003] 具有冲击吸收垫的可穿戴衣物在许多应用中是已知的。特别地，它们被广泛地用于穿戴者的身体很可能会受到冲击的运动中。例如，在橄榄球、足球(美式)、拳击、马术和板球中。此外，在诸如骑摩托车和骑脚踏车的活动中，冲击吸收垫内置在头盔、夹克和裤子中，其对使用者的身体提供一定程度的保护。 [0004] 与本发明相关的还有在“智能服装”领域中进行的诸多发展。智能服装的例子包括在衣物中内置计步器、陀螺仪和心率监测器。它们通常用于测量诸如行走的距离、速度、加速度和心率的参数。这些可用于向用户提供诸如消耗的能量、行走的距离等的各种参数的指示。 [0005] 与本发明尤其相关的是在冲击检测领域中的智能服装的发展。申请人知道许多设计为间接测量对身体的冲击的系统。这些系统包括由X2Biosystems制造的xPatch。这是一种设计为贴在用户的耳后并提供6轴加速度测量的贴片。由Reebok制造的Checklight包括内置在无沿便帽内的加速度计和陀螺仪。无沿便帽具有根据所检测的冲击的严重程度来点亮的红色、黄色和绿色的灯。来自i1的Shockbox提供一种类似的设备。此外，由Blackbox Biometrix制造的爆炸计量系统(blast gauge system)是监控压力和加速度以确定暴露于在军事环境中的爆炸冲击波的传感器系统。 [0007] US 2015/0059494公开了一种用于监测和测量施加到个人的冲击力的系统。其具有可以被结合到一件服装中的多层板。朝向板的外表面设置有传感器。 发明内容[0008] 本发明目的在于提供对上述设备的改进。 [0010] 在US2015/0059494中，在输入方向上，在传感器的前面存在外部纺织层，随后是环氧树脂和复合层压材料。实质上，这代表了传感器前面的纺织层和刚性层。本发明在传感器前面具有三层。其中的两层是冲击吸收材料，另一层是相对刚性的冲击分散层。本发明相对于US2015/0059494提供的优势在于，所述材料提供了现有技术中不能获得的冲击吸收特性。进一步的，该冲击分散层能够将力散布在较宽的区域，不仅改善了所述结构的冲击吸收能力，还便于感测，因为传感器能够在较宽的区域测量较低的峰值力。如果结构被容纳在可穿戴衣物中，那么，冲击分散层位于两层冲击吸收材料之间的事实意味着穿戴者以及对穿戴者施加冲击的人两者均免受冲击的影响。 [0011] 本发明仅直接测量冲击吸收垫下游的压力。该结构可以可选地包括邻近所述垫的外表面的第二传感器，以直接测量冲击力。但是，优选地，该结构被设置与基于在内表面所测得的力来计算作用在冲击吸收垫的外表面上的冲击力的装置相结合。该装置可以采取控制系统的形式，控制系统利用与材料的冲击吸收能力相关的填充阻尼因子被编程。对于给定的力，这个因子被确定为传递的力的量与入射力的比率。这样的值优选通过对材料的样品进行测试的实验来确定。 [0012] 实际上，所述垫的外表面上的入射力不会垂直于垫的表面。另一方面，压力传感器仅能够测量传递的力的法向分量。在该处描述和接下来的描述中，入射力指的是所述垫的外表面上的冲击力。传递的力指的是垫的相反侧(opposite side)上的力。 [0013] 大致上，可以仅依赖于测量这个法向分量，这是基于该法向分量是对穿戴者最有害的力。因此，以相对大的入射角(相对于法线方向)施加的相对大的力有效地表示对用户的“掠射”，使得仅确定这个力的法向分量就足够了。 [0014] 但是，优选地，该结构与加速度计和陀螺仪结合以测量因为碰撞造成的速度(大小和方向)的变化。这个信息，结合上面所提及的填充阻尼因子使得能够通过利用动量和能量守恒定律求解运动方程来计算入射力的方向和大小。 [0015] 冲击吸收垫是设计为通过吸收所施加的力的一部分向用户提供合理程度的缓冲的垫。所吸收的力的比例可以根据冲击的峰值力在很小程度上变化，因此，冲击吸收垫的特性可以基于在所选择的力7kN处的阻尼因子进行描述。优选地，第一和第二冲击吸收垫和冲击分散层一起在7kN处具有大于10％的阻尼因子，优选地，大于50％的阻尼因子，最优选地，大于85％的阻尼因子。对于特定的材料而言，阻尼因子是通过使材料经受多个不同大小的入射力的作用以及测量材料在相反侧上传递的力来确定。然后，从这些测量结果来获得校准曲线以用于这样的计算。例如，在7kN处的阻尼因子大于10％，表示所述垫将吸收入射力的10％。 [0017] 设置覆盖垫的外表面的外织物层。这将会改善衣物的外观，因为垫不会被暴露在衣物的外表面。第一织物层和第二织物层可以是多层结构，以向穿戴者提供增强的舒适特性。在垫、传感器和织物层之间还可以有另外的层。 [0018] 压力传感器本身可以是能够测量一个特定位置处的压力的单个传感器。这样的传感器将适合于仅需要在相对小的区域内检测力的衣物。另选地，在横跨较宽的区域上可以设置这样的垫和传感器的阵列。 [0019] 但是，优选地，压力传感器是矩阵阵列的形式，其能够检测横跨冲击吸收垫的宽度的大部分的压力变化。 [0020] 传感器可以是电容传感器(例如，如US2013167663中描述的)或者应变计。优选是电阻传感器，诸如模拟电阻传感器，其构造为将施加的力转换为电阻。 [0021] 尤其当冲击吸收垫具有冲击分散层时，冲击吸收垫的特性为：将入射力散布在相对宽的区域上。可以跨越该区域获得矩阵阵列传感器，该传感器将测量整个这样的区域上的力增加以及来自传感器的平均值。另选地，可测量冲击的“力轮廓”，其中，各个位置处的力被测量。在任一情况下，传感器将会测量力和施加力的区域，使得能够计算压力。 [0022] 然而，优选地，该结构与具有与所述压力传感器的电连接的控制模块结合。对于较大的衣物，例如被设计成穿在上身的上衣(top)，可以具有多个冲击吸收垫，每一个冲击吸收垫具有它们自己的压力传感器，并且每一个冲击吸收垫都连接到控制模块。 [0023] 控制模块还优选地包括处理单元，该处理单元用于接收感测的数据、执行入射力的任何所需的计算并根据需要控制数据的传输。 [0024] 控制模块还优选地包括能够无线地传输和接收数据的收发器。这可以是任何已知类型的无线通信，诸如蜂窝、蓝牙、Sub 1GHz无线电或无线电。该衣物还可结合GPS技术以使得能够确定穿戴者的位置。 [0025] 控制模块还优选地包括诸如锂陶瓷电池的电池。由于其安全性质，特别适于这样的应用。 [0027] 控制模块还可以设置有存储器，以存储检测到的数据。另选地，它可以无线地实时传输以便外部存储。控制设备传输数据所使用的频率将根据需求来确定。一方面，数据可以立即被传输出去。另一方面，数据可以简单地全部存储在控制模块上，并且一旦用户已经停止穿戴所述衣物，就在稍后的日期下载。或者，数据可以以固定的间隔每数秒或数分钟进行传输。 [0028] 控制模块可全部封装在防水壳中，使得它可以与衣物一起被清洗。另选地，控制模块是可移除的。类似的，必要时，压力传感器或者每一个压力传感器可被封装或者是可移除的。 [0029] 可以将物品施加在其上的衣物可以是选自下面的组中的一个或多个，所述组包含T恤、长袖上衣、夹克、铠甲(harness)、头盔、绑腿、短裤、手套(例如，拳击手套或者板球手套)，或者可附接到身体上的个人填充物品，诸如，股垫、护胸、护胫、板球垫和颈托。衣物可以是“骨骼”类型的衣物，其不一定形成完整的衣物，而是设计成在另一件衣物下穿着。附图说明 [0030] 现在将参考附图对根据本发明的结构的示例进行描述，在附图中： [0031] 图1A是根据本发明的结构中的衣物的前视图； [0032] 图1B是图1A的衣物的后视图； [0033] 图1C是图1A和图1B的衣物的透视图； [0034] 图1D是前述附图的衣物的俯视图； [0035] 图2是穿过垫、传感器和衣物的各层的示意性横截面； [0036] 图3A是压力传感器的分解示意图； [0037] 图3B是同一传感器的组装平面图； [0038] 图4示出了控制模块的布局；以及 [0040] 图6A是穿过组装了根据本发明的结构的扑搂包的横截面； [0041] 图6B是图6A的包的平面图； [0042] 图7A是穿过组装了根据本发明的结构的争球器的横截面； [0043] 图7B是图7A的争球器的前视图； [0044] 图8是组装了根据本发明的结构的钻孔机的示意图；以及 [0045] 图9是组装了根据本发明的结构的防撞护栏的平面图。 具体实施方式[0046] 图1A至图1D示出了加垫上衣(padded top)，其是旨在供橄榄球运动员使用的一种加垫衬层的类型。如在本申请中其它地方所描述的，本发明适用于一般可穿戴的衣物以及需要冲击保护的其他物品中。虽然图1A至图1D中例示出的上衣只是用作例示，但容易理解的是，对于其他这样的衣物，冲击吸收垫被放置在最有可能接收到冲击的区域中。 [0047] 如图1A至图1C所示，衣物1包括5个冲击吸收垫2，包括一对肩垫，一对上臂垫和胸垫。朝向衣物1的背部的上部的是控制模块3。控制模块3由软层4包围着，从而为穿戴该衣物的人以及撞击它们的任何人提供舒适感。该控制模块3经由导电线5连接至垫2中的每一个。线5可以仅为被保持在衣物的层与层之间的线，使得其不会防碍穿戴者。 [0048] 垫的数量和定位仅仅作为一个示例提供。可以有更少数量的垫，例如，仅有肩垫，或者附加垫，诸如保护肋骨的垫。 [0049] 图2更详细地示出了垫2的结构。该垫被夹在外织物层10和内织物层11之间。该垫由冲击吸收层12组成。这可以由诸如发泡弹性体、热塑弹性体、发泡热塑弹性体或者任何合适的柔性材料(compliant material)构成。层12的厚度通常小于100mm，更优选地小于50mm，最优选地小于20mm。在冲击吸收材料12内的是冲击分散层13。这可以在制造时嵌入到冲击吸收材料中。另选地，冲击吸收材料12可以由在冲击分散层13周围夹住冲击分散层13的两部分形成。冲击分散层13可以是高冲击工程聚合物(诸如聚碳酸酯或者尼龙)、玻璃或者碳纤维复合材料、双轴取向膜或者提供高挠曲(flexural)强度、高抗刺穿性和柔性的任何其它材料。 [0050] 在冲击吸收层12和内织物层11之间的是传感器14。该传感器在图3A和图3B中被更加详细地示出。另一种合适的传感器在US2014/0083207中示出。 [0051] 传感器14包括两个基底层14a、14b，在两个基底层14a、14b之间设置有间隔层14c，以及可选的一个或多个介电层14d、14e。基底层14a、14b相对的表面可携带印刷在其上的已知电阻的导电迹线，使得当接触基底层14a、14b时，提供取决于接触力的可变电阻。优选地，这样的力感应电阻元件的阵列以网格图案布置在基底14a、14b上。传感器可以被设计为具有布置在其内的有效感应网格的任何期望的图案(网格图案不必是规则的图案)。 [0052] 图4中示出了控制模块3的布局。 [0053] 该模块包含以下部件。 [0054] 加速度计(例如，ADXL375)，其是三轴加速度计。这将会测量穿戴者正常运动期间的加速度以及测量受冲击时的突然变化。 [0055] 陀螺仪51(例如，ADXRS290)。这是双轴陀螺仪，能够检测佩戴者的方位(orientation)的变化。 [0056] 处理器53(例如，ARM Cortex M3)，其将从加速度计50和陀螺仪51接收来自压力传感器14的读数，并执行各种计算并输出下面所列出的诊断信息。 [0057] 连接器54，用于连接至矩阵传感器。 [0058] 电源管理集成电路55。 [0059] 诸如蓝牙设备的收发器56。 [0060] 插座57，电池可经由该插座57充电。 [0061] LED 58，其优选地为多色设备，以提供诸如接通/断开、低电量、充电等的设备状态的指示。它还可以用于根据冲击的大小提供可视输出。 [0062] 用于激活设备的接通/断开开关59。 [0063] 电池连接器60，用于附接至诸如锂陶瓷电池的电池，其以相对小的体积提供相对大的电源。尽管示出为单独连接，但优选地该电池是控制模块3的一部分。 [0064] 现在将参考图5对本发明的操作进行描述。控制器53接收如下所描述的多个输入，以评估冲击的性质以及执行各种计算和提供有用的输出。 [0065] 在第一次穿戴所述衣物之前由用户提供某些信息。这能够通过提供诸如用户在他们首次使用该衣物时可以访问的应用程序或者网站的用户界面70来方便地实现。需要关于用户特有的多个参数的信息，例如他们的体重、身高和诸如胸部和腰部测量的尺寸。这些都用于确定冲击的性质。也可以有年龄输入，以使得软件能够确定什么可被认为是冲击的能够接受的水平。 [0066] 所述软件预先安装有关于被认为是可接受的峰值压力和冲量(impulse)的阈值水平的数据71。这些将包括个人冲击的值以及关于累积的冲击的数据。这些值可以基于关于冲击的安全水平的现有的医学研究进行设置。软件的这方面是可更新的，以使得能够从最新的医学研究收集新的信息。 [0067] 来自所述压力传感器或者每个压力传感器14的输入由数字(numeral)72表示。感测的值是所传递的力的法向分量。压力传感器14提供冲击力FN以及该力已经被施加的区域Apad的指示。 [0068] 来自加速度计50和陀螺仪51的输入由数字73表示。基于材料的校准将填充阻尼因子74编程到软件中。 [0069] 这可以与将已知大小的冲击应用于垫以及测量所传递的力一样简单。可以通过将不同大小的冲击应用于垫来执行更加复杂的校准。 [0070] 然后，所有这些信息被处理器53接收，其能够计算用户感觉到的冲量。这通过将压力传感器14检测到的力对时间积分来实现。 [0071] 使用该数据，连同个人用户数据，加速度计和陀螺仪数据以及填充阻尼因子一起，该算法通过使用动量和能量守恒定律求解运动方程能够计算入射力Fi。 [0073] 图6A和图6B示出了扑搂包80中的垫2。如图6B中所示，所述垫位于所述包的一侧，能够被清楚地标识出，使得它能够被所述包的用户瞄准。该垫具有与之前描述的结构相同的结构，能够吸收力并在传感器14处测量所述垫的下游的力。 [0075] 图8示出了两个垫2组装到否则为常规结构的钻孔机100中。所示出的垫位于钻孔机掉落时最容易损坏的区域中。但是，如果必要的话，垫可应用到其他区域。例如，如果工具或者工件对于损伤尤其敏感，这样的垫可能是有用的，因为它们能够保护工具和工件免受损伤。它们还能够测量工具遭受的冲击力，并且如果该工具需要重新校准或者维修，则向用户提出警告。虽然图8中例示出的是钻孔机，但可以理解的是这可以应用到工具和/或工件需要保护的任何工具中。 [0076] 图9示出了已经将垫2应用于其上的常规防撞护栏。相同的层状结构使得冲击能够被吸收和分散，传感器14将会测量传递到防撞护栏的力，其可用于事故调查目的和/或确定护栏是否需要维护。 |
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