一种伞兵着陆用的柔性下肢安全保护装置

技术领域

本发明属于伞兵跳伞着陆防护设备技术领域，具体涉及一种伞兵着陆用的柔性下肢安全保护装置。

背景技术

伞兵跳伞着陆损伤及防护是伞兵医学保障的重点、难点问题，国内外报道伞兵跳伞损伤多发生在着陆过程中，损伤以下肢为主，引起伞降损伤的原因包括着陆地形、天气变化、战斗负荷、着陆姿势等因素，这些因素主要会使得伞兵着陆时下肢所受冲击力过大，着陆时地面反作用力是体重4-6倍，力从足底传导到小腿和膝盖，再传至躯干各部位，传导过程中人体通过肌肉收缩和关节屈伸来缓冲地面反作用力，最先受力的下肢关节最易受到损伤，造成臀部、膝关节、足踝等部位的损伤。

伞兵跳伞的着陆姿势主要有半蹲式和滚翻式两种，我国主要采用半蹲式着陆，半蹲式跳伞着陆姿势要求在未着陆时下肢成半蹲姿势，做到“三紧一平”，即两腿弯曲，并将膝、踝关节、前脚掌内侧靠齐夹紧，脚掌与地面平行，其主要特点在于在初始接触后主动地大幅度弯曲下肢关节，通过延长缓冲时间和增加缓冲距离来减小冲击过载和预防潜在损伤，但半蹲式着陆姿势只能减小所受冲击过载和预防潜在损伤，并不能完全避免伞兵在着陆过程中下肢主要部位所受到的损伤。

公开号为CN116572222A的中国发明专利申请提出了一种应对跳伞着陆冲击的下肢防护外骨骼及其使用方法，主要包括大腿组件、小腿组件、足踝组件，其中大腿组件包括大腿护板及大腿杆，大腿杆上设有膝关节缓冲装置，小腿组件包括小腿护板及小腿杆，小腿杆上设有护膝，足踝组件包括U型护足，U型护足上设有C型护足，且上端来凝结有缓冲弹片，缓冲弹片与长度调节装置相连，长度调节装置与小腿组件相连，具有预防落地冲击损伤的下肢防护外骨骼，防止冲击力过大、运动失稳造成的关节移位和扭伤，实现对人体下肢关节和骨骼肌肉的保护。

但上述装置的外骨骼结构限制了下肢运动的自由度，在伞兵着陆时会对下肢关节的运动造成干涉，不能很好的适应下肢姿态变化。

发明内容

本发明的目的是为了解决背景技术中提及的问题，提供一种面向伞兵着陆用的柔性下肢安全保护装置，能够实现伞兵的柔性穿戴，在不干涉下肢关节运动的同时能实现下肢关节姿态变化的快速自适应调整，同时能避免伞兵着陆过程中因下肢所承受冲击力过大而造成的损伤，实现对伞兵下肢，包括臀部、膝关节部位、足踝部位以及足底部位的保护。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种伞兵着陆用的柔性下肢安全保护装置，包括一个臀部保护装置、两个膝关节保护装置和两个足踝保护装置，所述臀部保护装置、膝关节保护装置和足踝保护装置的形状分别与臀部、膝关节和足踝部位相匹配，并设有束缚机构连接在相应部位；所述臀部保护装置和膝关节保护装置都包括若干缓冲层，最外侧的缓冲层内填充有D3O材料，中间缓冲层至少有一层为气垫层；所述足踝保护装置包括缓冲鞋底和踝关节保护装置，所述踝关节保护装置形状与脚踝相匹配，踝关节保护装置采用碳纤维材料；踝关节保护装置连接在缓冲鞋底上；所述缓冲鞋底包括若干层，最下层为橡胶层，中间至少有一层为气垫层；所述臀部保护装置、膝关节保护装置与足踝保护装置内的气垫层都设有通孔和与之相匹配的封堵装置，所述气垫层与外界连通后膨胀增加厚度。

作为优选，所述封堵装置为电动阀门；人体腰部、左右大腿前侧和左右踝关节处各设有独立的惯性传感器，腰部的惯性传感器与臀部保护装置内的电动阀门电性连接，左右大腿前侧的惯性传感器分别与两个膝关节保护装置内的电动阀门连接，左右踝关节处的惯性传感器分别与两个足踝保护装置内的电动阀门连接；所述惯性传感器和与之连接的电动阀门之间还电性连接有PLC处理器用于接收处理惯性传感器的信息并向电动阀门发送信号；所述惯性传感器用于监测相应部位的姿态变化，当姿态变化达到设定范围时PLC控制器向电动阀门发送开启信号控制其开启使气垫层与外部连通。

作为优选，所述臀部保住装置包括四层依次连接的缓冲层，由外到内依次为护臀D3O材料层、护臀橡胶层、护臀气垫层和护臀编织物层，所述护臀D3O材料层和护臀气垫层各自设有独立的外包层，所述外包层不透气不透水；护臀D3O材料层的外包层内填充有D3O材料，护臀气垫层的外包层内填充有可压缩回弹材料，护臀气垫层未与外界连通时，可压缩回弹材料处于压缩状态；所述护臀橡胶层为橡胶，所述护臀编织物层为编织物。

作为优选，所述膝关节保护装置包括四层依次连接的缓冲层，由外到内依次为护膝D3O材料层、护膝橡胶层、护膝编气垫层和护膝编织物层，所述护膝D3O材料层和护膝编气垫层各自设有独立的外包层，所述外包层不透气不透水；护膝D3O材料层的外包层内填充有D3O材料，护膝编气垫层的外包层内填充有可压缩回弹材料，护膝编气垫层未与外界连通时，可压缩回弹材料处于压缩状态；所述护膝橡胶层为橡胶，所述护膝编织物层为编织物。

作为优选，所述踝关节保护装置采用碳纤维材料；所述缓冲鞋底包括相互连接的三层，最外层和最内层为橡胶层，中间为鞋底气垫层，所述鞋底气垫层包括外包层，所述外包层不透气不透水，外包层内填充有可压缩回弹材料。

作为优选，所述鞋底气垫层分为前中后三个独立的气垫层分别为脚前足气垫、脚中足气垫和脚后足气垫，每个气垫层设有通孔和独立的电动阀门，三个电动阀门与同一个惯性传感器电性连接；所述脚中足气垫为蜂窝状。

作为优选，所述臀部保护装置包括环状腰带，环状腰带下方连接有护臀护臀缓冲垫，所述护臀缓冲垫内设有若干缓冲层；臀部保护装置的束缚机构包括第一绑缚带、第二绑缚带和第三绑缚带；所述环状腰带内设有第一绑缚带，第一绑缚带的两端由环状腰带前侧的两个出口伸出；护臀缓冲垫设有第二绑缚带和第三绑缚带，第二绑缚带和第三绑缚带将护臀缓冲垫绑缚在臀部。

作为优选，所述膝关节保护装置包括护膝，护膝的两侧连接有可调节连接件，所述护膝内设有若干缓冲层；膝关节保护装置的束缚机构包括第一护膝绑缚带和第二护膝绑缚带；所述护膝和可调节连接件分别设有第二护膝绑缚带和第一护膝绑缚带，所述第二护膝绑缚带和第一护膝绑缚带分别用于将护膝和可调节连接件绑缚在膝盖和腿部。

作为优选，所述可调节连接件包括依次连接的第一连接片、中间连接带和第二连接片，第一连接片连接在护膝上，第一护膝绑缚带设置在第二连接片上，中间连接带两侧表面都依次间隔设有若干相匹配的魔术贴公面和母面。

作为优选，所述足踝保护装置的束缚机构包括踝关节绑缚带和鞋底绑缚带；所述踝关节保护装置上设有踝关节绑缚带用于将踝关节保护装置绑缚在脚踝处；所述缓冲鞋底上设有鞋底绑缚带用于将缓冲鞋底绑缚在脚上。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过臀部保护装置和膝关节保护装置的四层缓冲垫所组成的护臀可实现伞兵着陆过程中臀部和膝关节所受冲击力的逐级缓冲，通过足踝保护装置的缓冲鞋底的三层（尤其其中的气垫层）可实现伞兵着陆过程中足底所受冲击力的逐级缓冲，以及由碳纤维板制成的踝关节保护装置可避免伞兵着陆过程中因运动失稳造成的踝关节内翻、外翻，而臀部保护装置和膝关节保护装置都是柔性的，在保护伞兵着陆安全的前提下还不会影响伞兵的正常运动；足踝保护装置的踝关节保护装置虽然采用了碳纤维材料，但是其仅用于防止踝关节的内翻和外翻，并不会影响脚的正常活动，所以整个装置既能保护伞兵安装着陆，避免对下肢关节的损伤，同时还不会影响伞兵的正常活动。

2、本发明通过在各个装置中设置惯性传感器监测伞兵着陆过程中相应部位的姿态变化，当某部位的姿态变化达到设定范围时，惯性传感器控制电动阀门开启，使得相应装置的气垫层与外界连通，从而实现自动充气的功能，使得伞兵在着落过程中无需分心去打开气垫层的封堵装置，可以专心调整落地姿势，进一步确保了着落的安全性。

3、缓冲鞋底的气垫层设置为脚前足气垫、脚中足气垫和脚后足气垫，其中脚中足气垫为蜂窝状，因为在落地过程中，脚前足和脚后足受力较大，而脚中足受力最小，常规的脚前足气垫和脚后足气垫能保证对脚前足和脚后足有足够的缓冲作用，能避免其受伤，而蜂窝状的脚中足气垫既能提供必要的缓冲作用（因为脚中足受力小，其需要的缓冲作用要求也低），同时又降低了气垫的整体重量和耗材，使得足踝保护装置提供足够的保护作用，又更加轻便，进一步减少其对伞兵行动的阻碍。

附图说明

图1为本发明提供的装置绑缚在人体上的正面和侧面示意图；

图2为臀部保护装置的正面和侧面结构示意图；

图3为臀部保护部装置的缓冲层结构示意图；

图4为膝关节保护装置的结构示意图；

图5为调整连接件的结构示意图；

图6为护膝的结构示意图；

图7为足踝保护装置的结构示意图；

图8为缓冲鞋底的结构示意图；

图9为图8缓冲鞋底中气垫层的结构示意图；

图10为人体上惯性传感器分布图。

图中标记名称：

1-臀部保护装置；11-第一绑缚带；12-护臀缓冲垫；13-第二绑缚带；14-第三绑缚带；15-环状腰带；121-护臀D3O材料层；122-护臀橡胶层；123-护臀气垫层；124-护臀编织物层；

2-膝关节保护装置；21-护膝绑缚带1；22-护膝绑缚带2；23-可调整连接件；231-第一连接片；232-中间连接带；233-第二连接片；

24-护膝；241-护膝D3O材料层；242-护膝橡胶层1；243-护膝气垫层；244-护膝编织物层；

3-足踝保护装置；31-踝关节保护装置；32-踝关节绑缚带；33-鞋底绑缚带；34-锁扣；35-缓冲鞋底；351-鞋底第一橡胶层；352-鞋底气垫层；353-鞋底第二橡胶层；3521-第一气孔；3522-脚后足气垫；3523-脚中足气垫；3524-脚前足气垫；3525-第二气孔；3526-第三气孔；

4-惯性传感器a；5-惯性传感器b；6-惯性传感器c；7-惯性传感器d；8-惯性传感器e。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-10所示，本发明提供了一种面向伞兵着陆用的柔性下肢安全保护装置，包括一个臀部保护装置1、两个膝关节保护装置2和两个足踝保护装置3，所述臀部保护装置1、膝关节保护装置2和足踝保护装置3的形状分别与臀部、膝关节和足踝部位相匹配，并设有束缚机构连接在相应部位。

人体腰部、左右大腿前侧和左右踝关节处各设有独立的惯性传感器，腰部的惯性传感器与臀部保护装置1内的电动阀门（后续会详细介绍）电性连接，左右大腿前侧的惯性传感器分别与两个膝关节保护装置2内的电动阀门连接，左右踝关节处的惯性传感器分别与两个足踝保护装置3内的电动阀门连接；所述惯性传感器用于监测相应部位的姿态变化，当姿态变化达到设定范围时控制电动阀门开启使气垫层与外部连通。

本实施例中，如图2所示，臀部保护装置1包括环状腰带15，环状腰带15下方连接有护臀护臀缓冲垫12，所述护臀缓冲垫12内设有四层依次连接的缓冲层（可以根据实际需求设置更多或者减少，但是D3O材料层和气垫层至少要各有一层），由外到内依次为护臀D3O材料层121、护臀橡胶层122、护臀气垫层123和护臀编织物层124，所述护臀D3O材料层121和护臀气垫层123各自设有独立的外包层，所述外包层不透气不透水，这样外包层可以将内部的填充物料包裹在内且不会泄漏；护臀D3O材料层121的外包层内填充有D3O材料，护臀气垫层123的外包层内填充有可压缩回弹材料（可以采用高回弹海绵等材料，后续的可压缩回弹材料都可以采用该材料，不再赘述），护臀气垫层123未与外界连通时，可压缩回弹材料处于压缩状态；所述护臀橡胶层122为橡胶，所述护臀编织物层124为编织物（如棉织物等常用的用于衣物的编织物）。

臀部保护装置1的束缚机构包括第一绑缚带11、第二绑缚带12和第三绑缚带13；所述环状腰带15内设有第一绑缚带11，第一绑缚带11的两端由环状腰带15前侧的两个出口伸出，就像运动裤裤腰中的松紧绳，待环状腰带15在腰部套好后通过拉紧第一绑缚带11并打结将环状腰带15牢牢束缚在腰部，当然第一绑缚带11的两端也可以采用像书包背带的卡扣形式相互连接，且可以调节松紧度，从而将环状腰带15束缚在腰部，后续所有的绑缚带结构都可以采用上述两种类型，或者其他类型的结构也可以，只要能将对应的装置束缚在指定部位即可，这都是常规的现有技术，后续关于绑缚带的结构不再赘述。

护臀缓冲垫12设有第二绑缚带13和第三绑缚带14，第二绑缚带13和第三绑缚带14将护臀缓冲垫12绑缚在臀部，从而使得护臀缓冲垫12能更好的贴合臀部，从而更好的保护臀部。

所述护臀气垫层123设有通孔以及相匹配的电动阀门用于封堵通孔，在人体腰部还设有惯性传感器a4与该电动阀门电性连接。

当伞兵着陆时由于地面作用力及腰椎反复前屈运动等因素影响时，可能会造成臀部与地面接触，导致臀部受到过大的冲击力。根据我国伞兵跳伞离机姿势动作标准中，伞兵离机前上体需前倾55°，故在着陆过程中，通过腰部前侧（也可以设置在后侧或者腰部的其他部位，只要能检测出腰部的姿态变化即可）布置的惯性传感器a4检测上体前屈运动的姿态变化，当上体前屈的旋转角度变化范围在45°-55°时，该保护装置的气垫层电动阀门门打开，气垫内的可压缩回弹材料接触空气自动膨胀充气。在臀部接触地面的瞬间，最外层的护臀D3O材料层121首先与地面接触，在未受到冲击时，该材料层柔软且具有弹性，当受到冲击时，内部分子吸收冲击聚集变硬，可实现缓冲减震作用，进而由护臀橡胶层122、护臀气垫层123、护臀编织物层124依次进行臀部所受冲击力的逐级缓冲。着陆过后，若臀部接触地面时可通过自身重力以及所受冲击力的作用，将气垫内的气体通过气孔排出，若臀部未接触地面，可通过挤压或者小型气泵等装置，将气垫内气体排出。

本实施例中，如图4所示，膝关节保护装置2包括护膝24，护膝24的两侧连接有可调节连接件23，所述护膝24内设有四层缓冲层（可以根据实际需求设置更多或者减少，但是D3O材料层和气垫层至少要各有一层）；由外到内依次为护膝D3O材料层241、护膝橡胶层242、护膝编气垫层243和护膝编织物层244，所述护膝D3O材料层241和护膝编气垫层243各自设有独立的外包层，所述外包层不透气不透水；护膝D3O材料层241的外包层内填充有D3O材料，护膝编气垫层243的外包层内填充有可压缩回弹材料，护膝编气垫层243未与外界连通时，可压缩回弹材料处于压缩状态；所述护膝橡胶层242为橡胶，所述护膝编织物层244为编织物。

膝关节保护装置2的束缚机构包括第一护膝绑带21和第二护膝绑带22；所述护膝24和可调节连接件23分别设有第二护膝绑带22和第一护膝绑带21，所述第二护膝绑带22和第一护膝绑带21分别用于将护膝24和可调节连接件23绑缚在膝盖和腿部。

所述可调节连接件23包括依次连接的第一连接片231（该连接片也可以不设置，直接将中间连接带232连接在护膝24上）、中间连接带232和第二连接片233，第一连接片231连接在护膝24上，第一护膝绑缚带21设置在第二连接片233上，中间连接带232两侧表面都依次间隔设有若干相匹配的魔术贴公面和母面，这样可以将中间连接带232进行折叠，折叠的部分通过魔术贴的公母面相互粘合，可以根据不同体型缩放可调连接件23的长度，从而将位于大腿和小腿部位的可调连接件23更好的绑缚在相应的部位上，配合第一护膝绑带22将整个膝关节保护装置2绑缚在膝关节部位；两个连接片以及中间连接带都可以采用强度较高的编织物（比如PP编织土工布）。

由于加速度过大，或着陆姿势、风速等因素影响时，可能会造成膝关节与地面接触导致膝关节受到过大的冲击力。根据我国伞兵跳伞离机姿势动作标准中，伞兵离机前需屈膝使得大腿角度变化60°，形成大腿和小腿之间为120°夹角的姿势，故在着陆过程中，通过大腿前侧布置的惯性传感器b5和惯性传感器c6检测到膝关节屈膝的姿态变化，当屈膝后大腿旋转角度变化范围在50°-60°时，该保护装置的气垫层电动阀门门打开，气垫内的可压缩回弹材料接触空气自动膨胀充气。在膝关节接触地面的瞬间，膝关节保护装置最外层的护膝D3O材料层241首先接触地面，在未受到冲击时，该材料柔软且具有弹性，当受到冲击时，内部分子吸收冲击聚集变硬，可实现缓冲减震作用，进而由护膝橡胶层242、护膝气垫层243、护膝编织物层244依次进行膝关节所受冲击力的逐级缓冲。着陆过后，若膝关节接触地面时可通过自身重力以及所受冲击力的作用，将气垫内的气体通过气孔排出，若膝关节未接触地面，可通过挤压，将气体排出。

本实施例中，如图7所示，足踝保护装置3包括缓冲鞋底35和踝关节保护装置31，所述踝关节保护装置31形状与脚踝相匹配，为类U型板结构（具体可见图7），踝关节保护装置31在保证强度的前提下可以设置若干通槽，用于减轻整体重量；踝关节保护装置31采用碳纤维材料（可以采用碳纤维板）；踝关节保护装置31连接在缓冲鞋底35上。

如图8所示，所述缓冲鞋底35包括依次连接三层，由外而内依次是鞋底第一橡胶层351、鞋底气垫层352和鞋底第二橡胶层353，所述鞋底气垫层包括外包层，所述外包层不透气不透水，外包层内填充有可压缩回弹材料。

如图9所示，所述鞋底气垫层352分为前中后三个独立的气垫层分别为脚前足气垫3522、脚中足气垫3523和脚后足气垫3524，每个气垫层设有通孔和独立的电动阀门，三个电动阀门与同一个惯性传感器电性连接，也就是由同一个惯性传感器控制三个气垫层同时与外界连通。

所述脚中足气垫3523为蜂窝状（具体可见图9），也就是脚中足气垫3523的上下表面设有若干均与排布的通孔，而脚中足气垫3523内部之间还是相互连通的，内部填充有可压缩回弹的材料，使其具有一定的缓冲作用（缓冲作用没有脚前足气垫3522和脚后足气垫3524强），同时还节省了材料，减轻了重量。这样设计是因为伞兵落地时，脚的前后足受力相对于脚中足受力更大，因此脚中足气垫无需提供那么大的缓冲作用，设置成蜂窝状节省材料和重量便可行。

所述足踝保护装置3的束缚机构包括踝关节绑缚带32和鞋底绑缚带33；所述踝关节保护装置上设有踝关节绑缚带32用于将踝关节保护装置绑缚在脚踝处；所述缓冲鞋底上设有鞋底绑缚带33用于将缓冲鞋底绑缚在脚上，鞋底绑缚带33不同于其他绑缚带，在鞋底第二橡胶层353上设有锁扣34，鞋底绑缚带33采用塑料材质，表面设有与锁扣34相匹配的扣齿，这种结构在溜冰鞋中很常见，可以稳定牢靠的将缓冲鞋底35绑缚在脚上（一般是绑缚在伞兵穿的伞兵靴外部）。

设有用缓冲结构构成的三层鞋底35及限制足底内翻、外翻的踝关节保护装置31。伞兵在着陆过程中，踝关节外侧布置的惯性传感器d7和惯性传感器e8检测到半蹲式着陆方式的双足并拢姿态变化时，该保护装置连通3522脚后跟气垫的气孔3521处的电磁阀门、连通3523蜂窝状气垫气孔3525处的电磁阀门和连通3524脚前足气垫的气孔3526处的电磁阀门一起打开，气垫内的可压缩回弹材料接触空气自动膨胀充气。在足底接触地面的瞬间，由鞋底最下层的鞋底第一橡胶层351首先与地面接触，实现减震缓冲作用，进而由鞋底气垫层352、最上层的鞋底第二橡胶层353依次进行足底所受冲击力的逐级缓冲；在着陆时，由于着陆地形、天气变化等因素造成的运动失稳，导致脚部的内翻、外翻，踝关节保护装置31由碳纤维板制成，可限制足踝处的运动角度范围，避免内翻、外翻，实现对踝关节的保护。

如图10所示的惯性传感器分布图，所分布的惯性传感器通过旋转角的识别算法，对腰部，大腿处，足踝处的角度姿态变化进行识别。

本发明使用的惯性传感器还连接有处理器，或者内部集成处理器用于接收惯性传感器的检测到的姿态变化，并进行处理判断是否达到设定范围，并给电动阀门发送开启信号，控制电动阀门开启；需注意，处理器可以采用PLC，也可以采用其他处理器，只要能实现上述功能即可。

利用惯性传感器测量人体姿态变化属于现有技术，具体可参考文献：王一杰.基于惯性传感器的人体姿态分析与识别关键技术的研究[D].电子科技大学,2018。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。