一种飞行员负荷承载颈腰保护系统及保护方法

技术领域

本发明涉及飞行座椅设备技术领域，具体涉及一种飞行员负荷承载颈腰保护系统及保护方法。

背景技术

高性能战斗机飞行员的颈腰椎病的发病率高，是目前我国战斗机飞行员停飞的首要原因。飞行中(含起飞、降落、空中机动及弹射)高G负荷和飞行员姿势的前倾(以舰载机阻拦索降落时为著)是导致颈腰椎病发病的主要原因。目前国内外主要采取减轻飞行员头盔重量、增加飞行员座椅的角度、飞行员颈腰部肌肉及高G负荷训练等方式，以期减少飞行员颈腰病的发生率，但效果并不明显。飞行员座椅对于减少颈腰椎高G负荷和维持飞行员坐姿作用不大。因此，迫切需要设计一种飞行员负荷承载颈腰保护系统及保护方法，以解决现有飞行员颈腰病的发病率高、且无法消除飞行员颈腰椎高G负荷的压力问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种飞行员负荷承载颈腰保护系统及保护方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种飞行员负荷承载颈腰保护系统，包括飞行员座椅、头盔、颏枕额部承载装置、头盔支撑装置、头盔运动轨道、肩胸部移动装置、腰腹骶部支撑装置、胸腹部限位装置，所述头盔下周及内部安装有颏枕额部承载装置，颏枕额部承载装置安装在头盔内部，用于头盔内的额部、颞部、枕部和颏部支撑头部，头盔下部且在颈部位置连接有头盔支撑装置，用于辅助支撑头部且消除颈部压力，头盔后方且在飞行员座椅上设有头盔运动轨道，头盔滑动连接在头盔运动轨道内，用于限位头盔的运动；

头盔运动轨道下部硬性连接胸腹部限位装置后部，用于调整整体坐姿，胸腹部限位装置上安装有固定腰骶的腰骶部束带，腰骶部束带安装在腰腹骶部支撑装置上，用于辅助腰部侧弯，腰腹骶部支撑装置安装在飞行员座椅上；

飞行员座椅上且在腰腹骶部支撑装置上部安装有肩胸部移动装置，用于肩部的上下移动，肩胸部移动装置上安装有束缚在肩胸部的肩胸部束带。

具体的是，所述飞行员座椅臀部位置安装有压力传感器，用于识别飞行员的重量。

具体的是，所述飞行员通过CT机获取身体各部位CT数据资料，身体各部位CT数据资料通过Mimics软件处理并通过ANSYS Workbenc软件建立人体各部位三维有限元模型，压力传感器获取的飞行员重量信息和飞行员的身体飞行姿态信息适配头盔并在飞行员座椅上安装颏枕额部承载装置、头盔支撑装置、头盔运动轨道、肩胸部移动装置、腰腹骶部支撑装置和胸腹部限位装置。

具体的是，所述头盔支撑装置设有配重块一和液压支撑杆，液压支撑杆底部安装在颈部保护圈上、液压杆顶端安装在头盔下部，用于支撑头盔，颈部保护圈上安装有重力加速度传感器，重力加速度传感器电性连接微电脑控制系统，用于识别飞行员飞行加速度并控制液压支撑杆升降。

具体的是，所述肩胸部移动装置设有配重块二和无极变径齿轮箱，无极变径齿轮箱连接微电脑控制系统，用于压力传感器采集的飞行员体重信息并通过微电脑控制系统控制无极变径齿轮箱上下移动肩胸部。

具体的是，所述颏枕额部承载装置在头盔内部下侧设有5-7mm的移动空间，用于下颌骨上下移动呼吸和说话。

一种飞行员负荷承载颈腰保护系统的保护方法，包括以下步骤：

1)建立人三维有限元模型：

首先在CT机内，分别获取人直立状态、坐姿、颈部旋转、腰部旋转、颈部侧弯、腰部侧弯、头部上抬及下方运动、以及头颈腰部复合运动时的CT数据资料，然后采用Mimics软件对人CT数据进行处理，生成三维图像，最后采用ANSYS ICEM CFD软件生成网格，并通过ANSYS Workbench软件进行有限元建模；

2)三维有限元模型模拟飞行员躯干旋转、颈部旋转、颈部侧弯、头部上抬的动作，模拟飞行员腰椎和颈椎的复合动作，并根据人体不同姿势CT数据，对有三维限元模型进行修正，并记录人体在各个姿势下头部、肩胸部的运动轨迹；

3)根据三维有限元模型形成的人体在各个姿势下头部、肩胸部的运动轨迹，在飞行员座椅上制定并安装颏枕额部承载装置、头盔支撑装置、头盔运动轨道、肩胸部移动装置、腰腹骶部支撑装置和胸腹部限位装置；

4)飞行员坐在飞行员座椅上保持放松坐姿，做如下动作：做颈部旋转、侧弯及仰头动作；做颈部复合动作；做颈部+腰部复合动作，并记录头盔的运动轨迹，制定头盔运动轨道，通过臀部的压力传感器发信号至微电脑控制系统，根据飞行员体重，调整液压支撑杆力量，在配重块一的作用下，使头盔对飞行员头部产生支撑作用，在飞行过程中，重力加速度传感器，通过微电脑控制系统调控液压支撑杆，在配重块作用下，通过支撑头部，消除颈部压力；

5)飞行员坐在飞行员座椅上臀部下方的压力传感器发信号至微电脑控制系统，根据飞行员体重，调整无极变径齿轮箱，在配重块二的作用下，使肩胸部收紧，在飞行过程中，臀部下方压力传感器感受压力，通过微电脑控制系统调控无极变径齿轮箱，在配重块二作用下，通过上提肩胸部，使臀部压力维持在静息状态；

6)飞行员在飞行过程的前倾姿势可使颈腰椎受力激增，通过头盔支撑装置和腰骶部束带，使头部及腰骶部维持直立坐姿，辅以胸腹部前倾限位装置，可进一步有效控制飞行员整体坐姿；通过腰部关节及液压支撑，在有效卸载负荷的前提下，不影响飞行员腰部侧弯。

本发明具有以下有益效果：

本发明设计的飞行员负荷承载颈腰保护系统及保护方法通过在现有弹射座椅及现有飞行员头盔的基础上，设置的颏枕额部承载装置、头盔支撑装置、头盔运动轨道、肩胸部移动装置、腰腹骶部支撑装置、胸腹部限位装置，实现对飞行员身体姿态的模拟记录、消除高G负荷下对飞行员颈腰造成的压力，可维持飞行员坐姿并可有效消除飞行员颈腰椎高G负荷，以减少飞行人员颈椎病的发生率。

附图说明

图1是飞行员负荷承载颈腰保护系统的结构示意图。

图2是飞行员负荷承载颈腰保护方法的流程图。

图3是三维有限元模型中采用的材料属性图表。

图中：1-颏枕额部承载装置；2-头盔支撑装置；3-肩胸部束带；4-肩胸部移动装置；5-腰腹骶部支撑装置；6-腰骶部束带；7-胸腹部限位装置；8-头盔运动轨道；9-飞行员座椅；10-头盔。

具体实施方式

以下将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地进一步详细的说明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，一种飞行员负荷承载颈腰保护系统，包括飞行员座椅9、头盔10、颏枕额部承载装置1、头盔支撑装置2、头盔运动轨道8、肩胸部束带3、肩胸部移动装置4、腰腹骶部支撑装置5、胸腹部限位装置7，飞行员座椅9臀部位置安装有压力传感器，用于识别飞行员的重量。

头盔10下周及内部安装有颏枕额部承载装置1，颏枕额部承载装置1安装在头盔10内部，用于头盔10内的额部、颞部、枕部和颏部支撑头部，颏枕额部承载装置1在头盔内部下侧设有5-7mm的移动空间，用于下颌骨上下移动呼吸和说话。

头盔10下部且在颈部位置连接有头盔支撑装置2，用于辅助支撑头部且消除颈部压力，头盔支撑装置2设有配重块一和液压支撑杆，液压支撑杆底部安装在颈部保护圈上、液压杆顶端安装在头盔10下部，用于支撑头盔10，颈部保护圈上安装有重力加速度传感器，重力加速度传感器电性连接微电脑控制系统，用于识别飞行员飞行加速度并控制液压支撑杆升降，头盔10后方且在飞行员座椅9上设有头盔运动轨道8，头盔10滑动连接在头盔运动轨道8内，用于限位头盔10的运动。

头盔运动轨道8下部硬性连接胸腹部限位装置7后部，用于调整整体坐姿，胸腹部限位装置7上安装有固定腰骶的腰骶部束带6，腰骶部束带6安装在腰腹骶部支撑装置5上，用于辅助腰部侧弯，腰腹骶部支撑装置5安装在飞行员座椅9上。

飞行员座椅9上且在腰腹骶部支撑装置5上部安装有肩胸部移动装置4，用于肩部的上下移动，肩胸部移动装置4上安装有束缚在肩胸部的肩胸部束带3。肩胸部移动装置4设有配重块二和无极变径齿轮箱，无极变径齿轮箱连接微电脑控制系统，用于压力传感器采集的飞行员体重信息并通过微电脑控制系统控制无极变径齿轮箱上下移动肩胸部。

飞行员通过CT机获取身体各部位CT数据资料，身体各部位CT数据资料通过Mimics软件处理并通过ANSYS Workbenc软件建立人体各部位三维有限元模型，压力传感器获取的飞行员重量信息和飞行员的身体飞行姿态信息适配头盔并在飞行员座椅上安装颏枕额部承载装置1、头盔支撑装置2、头盔运动轨道8、肩胸部移动装置4、腰腹骶部支撑装置5和胸腹部限位装置7。

本发明的实施例：一种飞行员负荷承载颈腰保护系统的保护方法，包括以下步骤：

1.人三维有限元模型建立

1.1人体CT数据获取

在超大型CT机内，分别获取人直立状态、坐姿、颈部旋转、腰部旋转、颈部侧弯、腰部侧弯、头部上抬及下方运动、以及头颈腰部复合运动时的CT数据资料。

1.2人体各部位三维有限元模型建立

采用Mimics 19.0软件对人CT数据进行处理，分别对皮肤、皮下组织、肌肉(目标肌肉)、骨(包括头颅、上颌骨、下颌骨、脊椎、肩胛骨、肱骨、骶髂骨、股骨等)、椎间盘等生成三维图像，然后采用ANSYS ICEM CFD生成网格，最后通过ANSYS Workbench 18.0软件进行有限元建模。

椎骨分为松质骨、皮质骨和附件结构。松质骨和附件结构根据研究骨CT图像的Hounsfield值与其弹性模量E的关系求其弹性模量。根据CT的灰度值确定松质骨的弹性模型，公式如下：ρapp＝(0.56CT+72)/1000with R2＝0.80(1)，E＝1890ρapp1.92 with R2＝0.702(2)；椎体附件结构的皮质骨更薄，材料属性也很复杂，根据经验公式：ρapp＝(0.85CT+64)/1000with R2＝0.80(3)，E＝4730ρapp 1.56with R2＝0.73(4)；其中ρapp、E分别为CT图像中人体骨骼组织某一点处的表观密度和弹性模量，单位分别为g/cm

根据公式(1-2)和(3-4)，以L4为例，测定其椎体松质骨和附件结构自上而下5个断层CT图像的Hounsfield值，取每一个截面内CT数的平均值，再以5个截面E值的平均值作为有限元计算时松质骨和附件结构的材料参数。椎体松质骨的E值为106MPa；附件结构的弹性模量是3132MPa，这一结果略低于目前文献中椎体附件结构采用的3500MPa的值。其余的材料为采用的材料属性图表，如表3所示。

建立头面部、颈部、肩部、胸部、腰部、骶部、髋关节、大腿的三维有限元模型。头面部包含皮肤、颅骨、上颌骨、下颌骨、牙齿、颞颌关节(包括关节盘)。颈部包括颈椎+椎间盘+颈椎韧带。肩部和胸部包括胸椎、椎间盘、胸椎韧带、肋骨、肩胛骨、肱骨、上肢带肌、胸大肌、背阔肌、斜方肌等。腰部包括腰椎、椎间盘、腰椎韧带。骶部、髋关节、大腿包括骶椎、髂骨、髋关节、股骨、腰大肌臀大肌、臀小肌、臀中肌、股二头肌、半膜肌半腱肌、内收肌群、股直肌等。

1.3运动模拟及验证

三维有限元模拟飞行员躯干旋转(腰椎)、颈部旋转(颈椎)、颈部侧弯、头部上抬的动作；模拟飞行员腰椎和颈椎的复合动作。并根据人体不同姿势CT数据，对有限元模型进行修正。记录人体在各个姿势下头部、肩胸部的运动轨迹。

2.颏枕额部承载装置1

目前飞行员头盔10颏部无支撑，根据头部三维有限元模型，分析不同设计对牙齿受力及牙槽突受力的影响，设定要求为：1)头盔10的额部、颞部、枕部和颏部对头部有支撑作用；2)下颌骨向下移动5-7mm，不影响呼吸和说话；3)颏部支撑部分与现有头盔10整体拆装方便。

3.头盔运动轨道8及头盔支撑装置2

3.1头盔运动轨道8

为保证飞行员头部运动不受限制，同时又能有效消除高G负荷和姿势对颈椎的压力，头盔运动轨道8非常重要。飞行员体保持放松坐姿，做如下动作：1)做颈部旋转、侧弯及仰头动作；2)做颈部复合动作；3)做颈部+腰部复合动作。并记录头盔的运动轨迹。

在三维有限元模型上模拟上述动作，根据人体动作进行修正。设计出头盔运动轨道8，并安装在飞行员座椅9上。模拟高G状态，三维有限元分析轨道设计是否合理。

3.2头盔支撑装置2

头盔支撑装置2包括配重块一、液压支撑杆、重力加速度传感器、微电脑控制系统。飞行员进入座舱后，臀部下方的压力传感器发信号至微电脑控制系统，根据飞行员体重，调整液压支撑杆力量，在配重块一的作用下，使头盔10对飞行员头部产生支撑作用，在飞行过程中，重力加速度传感器，通过微电脑调控液压支撑杆，在配重块一作用下，通过支撑头部，消除颈部压力。

4.肩胸部束带3及肩胸部移动装置4

4.1肩胸部束带3

在三维有限元模型上，分析不同负荷情况下各部位受力情况(先假设肩胸部束带3为紧贴皮肤的均匀材质)，并指导肩胸部束带3设计，分析不同束带设计肩胸部受力情况。

4.2肩胸部移动装置4制备

肩胸部束带3固定于肩胸部移动装置4上。肩部是可以上下移动的，为有效消除高G状态下，头颈胸部对腰椎的压力，肩部必须有移动的装置，以在肩部运动的情况下(高G状态时，尽管飞行员可以通过肌肉收缩对抗肩部运动，但当高G状态大于飞行员肌肉收缩力时，肩部可发生移动)。

肩胸部移动装置4包括配重块二、无极变径(力矩)齿轮箱、压力传感器、微电脑控制系统。飞行员进入座舱后，臀部下方的压力传感器发信号至微电脑控制系统，根据飞行员体重，调整无极变径齿轮箱，在配重块二的作用下，使肩胸部收紧，在飞行过程中，臀部下方传感器感受压力，通过微电脑调控无极变径齿轮箱，在配重块二作用下，通过上提肩胸部，使臀部压力维持在静息状态。

5.腰腹骶部支撑装置5(腰部液压支撑)

飞行员在飞行过程的前倾姿势可使颈腰椎受力激增。通过头盔支撑装置2和腰骶部束带6，使头部及腰骶部维持直立坐姿。辅以胸腹部前倾限位装置，可进一步有效控制飞行员整体坐姿；通过腰部关节及液压支撑，在有效卸载负荷的前提下，不影响飞行员腰部侧弯。

通过三维有限元模型，分析不同负荷情况下胸腹部各部分受力情况(先假设腰骶部束带6为紧贴皮肤的均匀材质)，并指导安装胸腹部限位装置7。

胸腹部限位装置7与头盔运动轨道8硬性连接；与飞行员座椅9下方连接后，通过腰部关节实现腰部侧弯，并通过液压装置实现负荷承载。

6.飞行员座椅功能验证

在模拟高G状态或者教练机上，通过假人对飞行员座椅9功能进行验证。飞行员装备这种装备，在飞行中对该装置进行验证。实现对飞行员身体姿态的模拟记录、消除高G负荷下对飞行员颈腰造成的压力，可维持飞行员坐姿并可有效消除飞行员颈腰椎高G负荷，以减少飞行人员颈椎病的发生率。

本发明不局限于上述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。