头部与颈部支撑和约束系统的制作方法

相关申请的交叉引证

本申请要求于2015年2月12日提交的美国临时专利申请第62/115281号的权益。

本发明的技术领域和背景

1.技术领域

本发明涉及一种系统和装置，该系统和装置用于在突然加速、减速或冲击期间通过抑制和分散力(使用者的头部和颈部原本将要经受这些力)来支撑和保护使用者的头部(包括但不限于面部、头骨和脑部)和颈部。例如，无论是意外还是故意的情况，这种力可在使用者与有生命的或无生命的物体之间碰撞期间出现。

2.

背景技术：

近年来，对于由于从事活动(诸如但不限于：足球；棒球；英式足球；冰球；曲棍球；拳击；骑牛；滑雪运动；单板滑雪；滑板运动；高空跳伞；固定物跳伞(低空跳伞，basejumping)；自行车；摩托车；四轮越野车；汽车或赛车；驾驶飞机；执行军事、执法或消防行动或军事演习；其它车辆军事演习、消防等)的人员所经受的冲击力而对头部、颈部和脑部造成损伤的原因和影响已经给予了极大的关注。历史上，对进行这种活动时减小风险或减少严重生理伤害的可能性的努力已经集中于提供一种头盔或其它头戴物，其包括与旨在保护使用者的头部免受冲击或损伤的缓冲垫、可折叠层或其它冲击吸收结构或材料结合的一个或多个外部壳或外部覆盖件。

近年来，尽管已经对头戴物进行了改进，但是这样的设备或装置仍然通常以这样的方式进行构造，即，需要颈部来支撑头部和防护性头戴物两者的重量，有时这样的设备或装置通过设置在或佩戴在使用者的头部与肩部之间的颈部衬垫或衣领来补充。因为现有技术的防护性头戴物的重量主要由使用者的颈部支撑，所以设计人员由于需要使头戴物相对较轻或者由于因为头部和头戴物的组合重量而冒着进一步的生理损伤或伤害的风险，而在头戴物的设计方面进一步受限。此外，当遭受到加速、减速或冲击时，传统的防护性头戴物通常不会限制头部或颈部相对于身体的其它部分运动的速度或范围。

需要这样一种系统和装置，其将支撑头部和颈部，并且通过在碰撞或冲击期间抑制和耗散原本施加到头部和颈部的力；通过将耗散的力分散到使用者的肩部、胸部和背部，而不会穿过颈部和颈椎并产生对颈部和颈椎造成损伤的风险；并且通过限制头部和颈部相对于使用者的肩部、胸部和背部所允许的运动的速率和范围，来补充传统头戴物的防护性特征。

技术实现要素：

当使用者从事或执行职业的、副业的或娱乐的活动时(不考虑这种碰撞本质上是有意的还是意外的)，本主题的系统和装置用来避免或限制生理的和神经的损伤或伤害。本主题的系统和装置将支撑使用者的头部和颈部，并且在参与特定活动所需的运动的正常或例行执行期间理想地允许头部和颈部的旋转、倾斜和拉伸运动。然而，当使用者的头部和颈部受到可能对使用者造成生理伤害的显著冲击或者力时，本主题的系统和装置将理想地限制头部和颈部相对于使用者的胸部、背部和肩部的旋转、倾斜和压缩或伸长的速率和范围。

当冲击或其它力强加给使用者时，本发明的系统和装置将理想地实时地响应，从而将头部和颈部的运动阻止在预定的允许极限内，并且还在生理损伤发生之前衰减力以及将衰减的力分散到整个身体。当力分散或消散时，系统和装置返回到原始配置，从而允许执行它们设计活动所需的例行移动。

在本发明的一个实施方式中，公开了头部与颈部支撑和约束系统，其包括由系统的使用者穿戴的防护性头戴物；穿在使用者的肩部、胸部和背部周围的物品(“穿戴的物品”)；以及布置在防护性头戴物与穿戴的物品之间以及附接至防护性头戴物和穿戴的物品的动态连接器，该动态连接器支撑头部和颈部并且抑制和分散使用者的头部和颈部在使用期间经受的力。在使用期间，这种力可以包括在使用者与另一个人或物体之间的碰撞期间由于加速、减速或冲击而经历的力。当使用者的头部或身体受到这种力时，动态连接器还会理想地限制头部和颈部与使用者的肩部、胸部和背部之间所允许的运动的速率和范围。

在一个实施方式中，本主题的装置包括动态连接器，该动态连接器理想地包括：可附接到使用者的防护性头戴物的第一端部；可附接到穿在使用者的肩部、胸部和背部周围的物品的第二端部；以及设置在第一端部和第二端部之间的至少一个旋转缓冲器、至少一个倾斜缓冲器和至少一个伸长-压缩缓冲器。在本发明的一个实施方式中，细长轴还理想地在第一端部和第二端部之间延伸并且穿过至少一个旋转缓冲器、至少一个倾斜缓冲器和至少一个伸长和压缩缓冲器。在本发明的另一个实施方式中，细长轴具有柔性的第一部分和相对非柔性的第二部分。柔性部分理想地穿过至少一个旋转缓冲器和至少一个倾斜缓冲器，并且相对非柔性部分穿过伸长-压缩缓冲器。柔性轴的一个端部理想地耦接到非柔性轴的相邻端部，从而施加到动态连接器的伸长力或压缩力可以穿过柔性轴和非柔性轴传递到动态连接器的伸长-压缩缓冲器。

柔性轴理想地包括横截面，该横截面体现为适于插入到缓冲设备的协作对准的孔中的一个或多个键，该设备的一些部分可以具有协作构造的键槽，以便于至少在柔性轴与旋转缓冲器的那些部分之间的旋转接合，施加至动态连接器的旋转力通过该旋转接合被传送，以便于缓冲并提供关于所允许的运动的速率和范围的约束，如下面更详细地讨论的。柔性轴可以由任何耐用材料通过传统的方法制成，例如，耐用材料可以包括通常适用于这些目的的聚合物材料，其具有与预期用途和使用环境相一致的弹性系数、伸长系数、挠曲模量、玻璃化转变温度、耐冲击性和使用寿命。

如果需要，至少一个可移除的释放机构(例如释放销)可选地设置用于快速地且选择性地将本主题的装置从防护性头戴物和使用者穿戴的物品中的任一个或两者分离。如果需要，可选地设置可移除的锁定键，例如，如果在紧急情况期间，期望相对于穿戴者的身体固定头部，那么该锁定键可与动态连接器接合，用来将装置的所有主要部件选择性地锁定到相对于彼此固定的位置。

在本发明的一个实施方式中，公开了一种在动态连接器中使用的旋转缓冲器，其还包括可变响应流体缓冲阀，在该缓冲阀中，两个相对的内部桨叶移动穿过协作构造的流体腔室，该流体腔室包含粘性流体，从而使流体从一个腔室转移到另一个腔室并穿过设置成与两个腔室流体连通的至少一个流体通道。如关于本发明的这个实施方式所使用的，“可变响应”指的是，由于流体通道受限的横截面积以及流体的粘度和不可压缩性，施加于旋转缓冲器内部的粘性流体的流动的阻力。

在本发明的一个实施方式中，公开了一种可变响应的倾斜缓冲器，其理想地包括设置在两个相对盘状物之间的至少一个，优选地多个周向间隔开的互连的柔性袋状物，每个袋状物包含一定量的粘性流体。当一个盘状物的一部分通过穿过倾斜缓冲器的柔性轴的弯曲而更接近地压靠另一个盘状物时，设置在柔性袋状物中且邻近上述更接近运动发生的区域的粘性流体理想地提供了增加的倾斜阻力，这取决于诸如袋状物材料的弹性以及相对于袋状物内部体积的袋状物内部的流体体积的因素。单个袋状物扩张到相对的盘状物之间的另一个区域的能力理想地由限定边界界限的支撑框架所限制，在该装置的使用期间，每个袋状物被限制在该边界界限内部。如关于本发明的这个实施方式所使用的，“可变响应”指的是，由于粘性流体的限制和不可压缩特性，对一个盘状物相对于另一个盘状物的倾斜的逐渐更大的阻力。

在本发明的一个实施方式中，公开了伸长和压缩缓冲器，其包括可变响应的双动式活塞和气缸，活塞在该气缸中往复运动，以在两个气缸腔室(设置在活塞的相对侧上)之间来回推动粘性流体穿过活塞中的至少一个流体通道，该流体通道与两个相对布置的腔室中的每一个流体相通。动态连接器的最大伸长或压缩限制在活塞的行程长度上。活塞轴理想地是非柔性的并且耦接至穿过动态连接器的旋转缓冲器和倾斜缓冲器中的至少一个的柔性轴部分的端部。如关于本发明的这个实施方式所使用的，“可变响应”指的是，由于通过活塞的至少一个流体通道的受限的横截面以及设置在两个相对设置的气缸腔室内部的粘性流体的粘度和不可压缩性，施加于伸长和压缩缓冲器内部的粘性流体的流动的阻力。

用于本发明的至少一些实施方式的令人满意的粘性流体是中等重量的含油流体，其不会退化或对制造本发明的装置的旋转缓冲器、倾斜缓冲器和伸长-压缩缓冲器的内部部件的材料具有任何显著的有害反应。

在本发明的一个实施方式中，设置在防护性头戴物和所穿戴的物品之间并附接到防护性头戴物和所穿戴的物品之间的动态连接器将最初从防护性头戴物接收的衰减的力通过附接点传递到所穿戴的物品，然后将那些力以与其物理结构和材料一致的方式分布在整个所穿戴的物品中，并且通过使用者的骨骼和肌肉组织传递到使用者站立或休息的腿、脚和下面的支撑表面，该所穿戴的物品被构建到使用者的肩部、胸部和背部(当与头部和颈部进行区分时，统称为“躯干”或“身体”)。根据使用者所参与的活动，所穿戴的物品可以具有各种物理构造，诸如肩垫、背心、背包、背包框架、加强护套等。设置在腰部周围的带的添加物也可以将一些力直接分散到使用者的骨盆和臀部，从而进一步减轻在使用期间由脊柱吸收的力。在本发明的一个实施方式中，力指示器还包括在本主题的头部和颈部约束系统中，以便在使用者所受的冲击力超过系统的设计极限的情况下，警示使用者或医务人员。

用于将动态连接器附接到防护性头戴物或所穿戴的物品的令人满意的设备可以包括能够承受在本发明使用期间将遇到的预期力的任何已知的设备和组件。类似地，虽然本发明的系统和装置的令人满意的实施方式在此公开，但是对于根据附图，已经阅读本公开的本领域的那些普通技术人员来说，利用其它类似有效手段用于实现本文公开的功能目的的本发明的其它实施方式将变得更加明显，并且应当理解的是，本发明不局限于在一个实施方式的所附详细描述中公开的特定机械设计。

结合附图，从对优选的实施方式和所附权利要求的下面详细的描述的考虑，本发明的这些和其它特征和优点将会更好地理解。

附图说明

参考下面的附图，本发明的系统和装置被进一步地描述和解释，其中：

图1是本发明的系统的一个实施方式的简化的后视图；

图2是图1的实施方式的侧视图；

图3是图1的实施方式的动态连接器的放大的后视图；

图4是图3的动态连接器的放大的平面图，其中顶部覆盖件被移除；

图5是沿着图4的线5-5截取的部分剖开的横截面正视图；

图6是沿着图7的线6-6观察的本发明的多个倾斜缓冲器的平面图；

图7是沿着图6的线7-7观察的安装在柔性轴上的多个倾斜缓冲器的简化的横截面正视图，但未示出倾斜缓冲器46的内部构造；

图8是沿着图3的线8-8观察的图1的实施方式的动态连接器的下部的放大的横截面正视图；

图9是所组装的旋转缓冲器的横截面正视图；

图10是沿着图11的线10-10截取的图9的旋转缓冲器的盖的横截面正视图；

图11是图10的旋转缓冲器的盖部分的底部平面图；

图12是沿着图13的线12-12观察的图9的旋转缓冲器的基座的横截面正视图；

图13是图9的旋转缓冲器的基座的平面图；

图14是沿着图16的线14-14观察的所组装的倾斜缓冲器的横截面正视图；

图15是图14的盖的底部平面图；

图16是沿着图14的线16-16截取的横截面平面图；

图17是沿着图18的线17-17观察的图14的基座的横截面正视图；

图18是图14的基座的平面图；

图19是沿着图20的线19-19截取的图14的倾斜缓冲器的袋状件环的简化的横截面正视图；以及

图20是图14的倾斜缓冲器的袋状件环的平面图。

附图不是按比例的，并且相同编号的元件的相对比例和大小有时在不同的附图中会变化。

具体实施方式

参照图1-2，本发明主题的头部与颈部支撑和约束系统10的代表性符合要求的实施方式包括足球头盔22和肩垫24，该足球头盔和肩垫可以通过动态连接器20可释放地互连。然而，应当理解的是，足球头盔22和肩垫24仅仅是许多其它类型和品种的防护性头戴物和物品(诸如背心、夹克、安全带(统称为“身体包裹物”))的示例，其可以由使用者穿戴并且可以使用动态连接器20来组装，以构成本发明的头部与颈部支撑和约束系统10的符合要求的实施方式。这种防护性头戴物和身体包裹物可以使用本领域的普通技术人员已知的各种聚合物、金属材料和织物材料来构造，以适于在这种应用中使用。

结合图1和图2所示的本发明的实施方式，特别感兴趣的是，动态连接器20的顶端插入模制或以其它方式设置在头盔22的后部中的插座12中(在图2中最好地看到)，以便于两者的可释放的附接。此外，在阅读本公开后将观察到支架26设置用于使动态连接器20可释放地附接到肩垫24。虽然传统的足球肩垫搁置在使用者的肩膀上，但是它们被使用者“穿戴”，这意味着它们常常在使用者的上胸部周围系紧在前面，并由此也构成收缩在使用者身体的背部和躯干部分周围的“身体包裹物”。可获得许多传统的附接系统和设备，其可以容易地使用或修改以用于特定的头戴物和身体包裹物。

理想地，本发明的头部与颈部支撑和约束系统10可以针对特定的活动和使用者人口统计学(demographic)进行设计、制造和定制，使得当使用者参与正常的例行表演活动时，穿着将不会繁重，在这种活动中，存在一些偶尔会受到冲击力的风险，但是在这种活动中，使用者对能够相对自由地移动以及不具有不适当的收缩通常更感兴趣。对于涉及由于冲击力引起生理损伤的较高风险的活动，本发明将可理解地构造成更耐用的，并且可以在穿着该装置时对使用者自然移动的能力提供稍微较大的限制。由于头盔22的重量主要由动态连接器20支撑，所以头部和头盔的组合重量不像传统的防护性头戴物那样由颈部支撑，并且在正常使用期间或当头盔22受到冲击力时，头盔22不促成传递到颈部和通过颈部的动态载荷。

参照图1-3，动态连接器20理想地通过弹簧加载的、快速释放的连接器销14(图2)和连接器支架26(图1)分别附接到头盔22和肩垫24。参照图3，动态连接器20还理想地包括至少一个，并且优选地两个或更多个旋转缓冲器(dampers)40。在所示的实施方式中，旋转缓冲器40在动态连接器20的上端和下端附近间隔开，多个倾斜缓冲器46设置在它们之间。柔性轴42延伸穿过同轴对准的旋转缓冲器40和倾斜缓冲器46，以便于头盔22相对于穿过伸长-压缩缓冲器50的中心的纵向轴线进行倾斜运动。

如在本公开中关于本发明的当前描述的实施方式所使用的，“倾斜”和“倾斜的”应理解为包括使用者的头部和颈部在远离穿过动态连接器20的伸长-压缩缓冲器50的同轴对准元件的中心的纵向轴线的任何方向上的移动。如图2所示，当动态连接器20竖直布置时，“倾斜”或“倾斜的”是指头盔22在向前、向后、向左、向右倾倒(tip)或倾斜的方向上，或者在远离穿过伸长-压缩缓冲器50(图3)的纵向轴线的任何其它中间方向上的移动。当动态连接器20水平布置时，例如当足球运动员的上身平行于地面时可能发生的，“倾斜”或“倾斜的”仍然是头盔20在远离穿过伸长-压缩缓冲器50的纵向轴线的任何方向上的移动。因为“旋转”指的是头盔22围绕纵向轴线的运动，所以“倾斜的”与头盔22相对于肩垫24的“旋转”不同。

当动态连接器20由于施加到头盔22的冲击力而经受伸长或压缩时，动态连接器20的伸长-压缩缓冲器50控制和限制响应的速率和范围。伸长-压缩缓冲器50在抑制冲击力时是有用的，该冲击力从任何方向施加至头盔20并具有沿着穿过设备的纵向轴线的分力向量。本发明的显著优点在于，动态连接器20的旋转缓冲器40、倾斜缓冲器46和伸长-压缩缓冲器50构造成使得当受到高强度的冲击力时，限制头盔22相对于肩垫24行进的速率和范围。旋转缓冲器40、倾斜缓冲器46和伸长-压缩缓冲器50中的每个的一个实施方式的结构和操作结合下面的图6-20进一步描述和解释。

参照图3-5，头盔安装固定件30理想地构造成可滑动地接合并且可释放地附接到头盔22。头盔安装固定件30的基座38位于上部旋转缓冲器40的顶部并且包括纵向孔，柔性轴37可插入通过该纵向孔，从而顺序地向下穿过上部旋转缓冲器40、多个倾斜缓冲器46、下部旋转缓冲器40、和冲击力指示盘45(图3)。虽然冲击力指示盘45在这里描述为设置在最下部的倾斜缓冲器46和两个旋转缓冲器40中的下部旋转缓冲器之间，但是它可以类似地沿着用于本发明的动态连接器20的杆(stem)定位于任何地方。使用适于预期用途的金属或聚合物材料或者其组合，可以令人满意地制成冲击力指示盘45，并且冲击力指示盘理想地包括一个或多个传感器，其无线地感测和传送实时冲击数据到接收器和记录器。

柔性轴37理想地由耐用的可挤压的聚合物材料构成，当经受使用期间可能遇到的扭转、弯曲、拉伸和压缩加载的范围时，该聚合物材料将弯曲但不会断裂。柔性轴37理想地具有非圆形横截面，当柔性轴37插入通过动态连接器20的组成元件的对准的纵向孔时，该横截面可与每个倾斜缓冲器46内部的面向内的轴环接合。柱形填料(packing)42或功能上等同的密封剂层理想地设置在柔性轴37穿过含流体的旋转缓冲器40和倾斜缓冲器46的地方。柔性轴37的上端理想地通过一个或多个销32、34、39与头盔安装固定件30连接，其中一个或两个销32、34还可用于将头盔安装固定件30附接到头盔22。如果需要，还可以设置锁定键以使医务人员能够将头盔22和使用者的头部和颈部稳固并固定在最佳位置，以允许在冲击或其它伤害之后对使用者的运送，而不会使头部和颈部相对于肩部移动。这种锁定键理想地插入通过纵向延伸的键槽，该键槽可以在柔性轴37内部并与柔性轴同轴对准或偏离柔性轴。

参照图3和图8所示的本发明的实施方式，伸长-压缩缓冲器50设置在动力连接器20的基座处。在本发明中符合要求使用的伸长-压缩缓冲器50包括安装盘和在最上端附近的联接器68，该联接器将柔性轴37的下端附接到活塞杆48的上端。活塞杆48进而固定地耦接到活塞56，该活塞还包括至少一个流体通道58。活塞56理想地是设置在气缸60内部的双动式(double-acting)活塞，该气缸还包含预定量的含油流体或油状流体64，该流体不完全填充流体通道(多个流体通道)58和气缸60内部的空隙。流体密封件56理想地设置在气缸62上方，并通过保持环52、54保持。

伸长-压缩缓冲器50构造为抑制施加到动态连接器20的力，该力具有沿纵向方向作用的分力，该分力作用以伸长或压缩连接器。在没有本发明的情况下，接收在防护性头戴物的冠部上的大部分冲击通过颈椎传递到脊柱。动态连接器20，并且更具体地伸长-压缩缓冲器50的一个目的和预期的功能是将该载荷从颈部上移走，并且在通过穿戴的物品(动态连接器20的下端附接到该物品)将力分配到身体之前减小力的幅值。通过使用由活塞杆48施加的大部分能量来驱动气缸60内部的双动式活塞56，同时将流体64(优选地中等粘度的油)穿过活塞56中的一个或多个流体通道58转移至气缸60的另一侧，来使力消散。活塞杆48的行程的最大范围由气缸60的总长度减去活塞56的厚度来确定。

参照图9-13，每个旋转缓冲器40优选地还包括盖70和基座72，盖和基座中的每个都具有圆形形状，盖70的外径略大于基座72的外径，以便于它们之间的流体密封的滑动接合。在所描绘的实施方式中，盖70包括环形凹部78，环形边缘80可以在组装时滑入该环形凹部中以形成接合，如图9所示。盖70和基座72两者还具有居中设置的纵向孔74、76，盖70的孔比穿过基座72的孔小。如图11所示，盖70的孔74在尺寸和形状上构造成接收柔性轴37(图3)，该柔性轴与该孔滑动接合，而当盖70与基座72如图9所示那样组装时，基座72的孔76足够大以允许轴37在其内部旋转。盖70相对于基座72在任一旋转方向上的旋转由图11的箭头90表示。图10和图11还包括径向相对的叶片或桨叶82、84，当盖70和基座72如图9所示组装时，该叶片或桨叶扫过基座72的协作构造的內腔室86、88。当使用时，旋转缓冲器40将理想地包含设置在基座72的腔室86、88中的含油流体或油状流体(未示出)。还将要理解的是，流体密封件(未示出)理想地设置成防止或控制盖70和基座72之间以及围绕孔74、76的流体泄漏。参照图9-13，当随着头盔22相对于肩垫24向左或向右旋转(图3)，旋转缓冲器40通过柔性轴37(图3)与孔74的接合而经受旋转加载时，桨叶84、84推动设置在基座72的腔室86、88中的流体，从而推动流体穿过如图12和图13中可见的流体通道92、94、96、98。

在动态连接器20的动态加载产生导致旋转缓冲器40或伸长-压缩缓冲器50内部的流体被推动穿过流体通道的相对运动的每个情况下，将要理解的是，衰减的幅值将根据各种因素而变化，所述因素例如：相关流体通道的数量、横截面面积和表面构造、所用流体的分子量、粘度和润滑性、以及转移流体的桨叶82、84或活塞56的运动速率。在阅读本公开之后，对于本领域的技术人员还将是显而易见的，这些因素可以根据目标活动、使用环境和使用者人口统计可能遇到的载荷因素因需要而进行调整。

参照图14-20，关于本发明的这个实施方式公开的多个倾斜缓冲器46中的每个还包括盖100、基座102，盖和基座协作构造成彼此组装成滑动接合，互连的冲击吸收袋状件105的环104设置在它们之间。足够的直径间隙理想地设置在每个倾斜缓冲器46的盖100和基座102之间，从而每个盖100可以相对于协作接合的基座102略微倾斜，以允许在周缘的这样的部分中，设置在它们之间的袋状件105的一些压缩，在该部分中，倾斜压力通过柔性轴37(图3)相对于穿过伸长-压缩缓冲器50(图3)的居中布置的纵向轴线的弯曲而施加。参照图15，盖100还包括环形边缘108，该环形边缘与多个均匀间隔的、径向延伸的肋(或辐条)115协作，以限定多个凹部114的上部。横向开口110理想地设置在每个肋115中，以提供用于袋状件环104的相邻袋状件105之间的连接器128的间隙(图14和图19-20)。参照图17-18，基座102还包括协作构造为装配在盖100的边缘108内部的环形边缘(图14)。基座102还包括多个均匀分布的、径向延伸的肋118，其限定了与盖100的凹部114配合的凹部116，以在组装时(如图14所示)接收袋状件环104的袋状件105。穿过盖100的居中布置的轴向孔112、穿过基座102的孔106和穿过袋状件环104的开孔130都理想地协作地对准，并且其尺寸设置成并构造成允许柔性轴37(图3)穿过它们。含油流体或油状流体109理想地限制在袋状件环104内部，以提供对穿过动态连接器20向下施加或通过轴37相对于肩垫24(图3)的弯曲向下施加的力的缓冲和抵抗。

本领域的那些普通技术人员还将在阅读本说明书和本文优选的实施方式的描述后理解，可以在本发明的范围内对装置和方法进行修改和更改，并且旨在本文公开的本发明的范围仅通过发明人在法律上授权的所附权利要求的最广泛的解释来限制。