許星鑫 甘俊杰

（航宇救生裝備有限公司，襄陽(yáng) 441000）

伴隨著科技的進(jìn)步以及航空飛行的需求發(fā)展，飛行員個(gè)體防護(hù)裝備功能日趨增多，以飛行頭盔為例。

在實(shí)踐應(yīng)用中，由于頭盔和面罩形狀不規(guī)則、材質(zhì)不均勻以及工藝復(fù)雜，在研究和制作過(guò)程中充滿了不確定性，例如，電纜和氧氣管的走向和材質(zhì)、粗細(xì)等，依賴?yán)碚撚?jì)算是不夠的，而要準(zhǔn)確獲得其質(zhì)量特性，就必須精確測(cè)量頭盔及其附加裝置的質(zhì)量特性，因此，能夠測(cè)量飛行員頭盔質(zhì)量特性的設(shè)備和方法，就具有重要理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

1 當(dāng)前飛行員頭盔測(cè)量存在的問題

在早期研究中，為測(cè)量頭盔重心，研究員采用轉(zhuǎn)動(dòng)的方法，具體操作是在左右對(duì)心的兩個(gè)水平轉(zhuǎn)軸上擠壓頭盔，實(shí)際上，這種測(cè)量方法只是無(wú)限接近重心，在操作中定位困難，在測(cè)量數(shù)據(jù)上精度不夠，無(wú)法滿足當(dāng)前飛行員頭盔多種功能集合的需要，因此，早早被淘汰。

此外，測(cè)量設(shè)備也存在問題，具體包括四個(gè)方面：

第一，操作不夠方便。在傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備中，頭模是被固定于一個(gè)六面箱中，一旦調(diào)整頭盔，就需要開箱，浪費(fèi)時(shí)間，消耗精力。第二，由于傳統(tǒng)設(shè)備中箱體較小，使得測(cè)量時(shí)不能安裝夜視鏡。顯示器等裝置在頭盔上，偏離了測(cè)量的意義。第三，由于采用六面箱體，螺絲固定，使得使用過(guò)程中箱體沉、噪音大。第四，最重要的問題誤差較大。因此，測(cè)量結(jié)果缺乏對(duì)頭盔附加裝置的針對(duì)性。

2 對(duì)測(cè)量設(shè)備和方法的改進(jìn)

為解決傳統(tǒng)測(cè)量方法和設(shè)備造成的問題，本次研究重新設(shè)計(jì)了針對(duì)頭盔質(zhì)量和重心的測(cè)量平臺(tái)以及測(cè)量方法。

2.1 確定頭盔質(zhì)量特性測(cè)量的坐標(biāo)系

為對(duì)飛行員頭盔進(jìn)行完整描述。其重心以人頭重心為參考。因此，在頭盔重心測(cè)量中，可以應(yīng)用法蘭克福平面，以兩耳連線的中點(diǎn)，在人頭頭部解刨學(xué)的基礎(chǔ)上，建立坐標(biāo)系。同時(shí)，由于頭模是被固定于框架上，因此，未來(lái)便于測(cè)量，在建立坐標(biāo)系時(shí)，以框架支點(diǎn)確定頭模的人頭頭部解刨學(xué)坐標(biāo)，從而建立頭盔質(zhì)量特性測(cè)量的坐標(biāo)系，如圖1所示。

2.2 頭盔質(zhì)量特性測(cè)量設(shè)備

頭模、框架、承重傳感器平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)處理軟件共同構(gòu)成了本次頭盔質(zhì)量特性測(cè)量設(shè)備，具體構(gòu)造如圖2所示。

在上述設(shè)備中，頭模的作用是為了固定頭盔及面罩。該頭模采用3D打印技術(shù)，以樹脂為原材料，針對(duì)我國(guó)飛行員（男性）的實(shí)際頭圍測(cè)定數(shù)據(jù)，按照從小到大，選取數(shù)據(jù)中第五百分位、第五十百分位以及第九十五百分位的數(shù)據(jù)，制作出小、中、大三種型號(hào)。

圖1 用于頭盔質(zhì)量特性測(cè)量的坐標(biāo)系

圖2 頭盔質(zhì)量、重心測(cè)量設(shè)備

該設(shè)備中，用于測(cè)量的承重傳感器，起到了支持框架的作用，其測(cè)量范圍包括頭模、面罩、頭盔以及框架的重量（重力），在該部分，為使框架穩(wěn)固，應(yīng)用三個(gè)支持點(diǎn)，建立靜力平衡力系。

在測(cè)量過(guò)程中，傳感器測(cè)得重力會(huì)被數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)采集，為之后的重量及重心計(jì)算提供數(shù)據(jù)支持。該軟件應(yīng)用計(jì)算機(jī)設(shè)備，計(jì)算出頭盔的重量等，依據(jù)頭盔在人體頭部解剖學(xué)中的坐標(biāo)系，計(jì)算重心位置。其搜集的具體數(shù)據(jù)包含頭模的質(zhì)量、框架的質(zhì)量以及頭模和框架的總質(zhì)量，等。為方便后續(xù)工作，以上數(shù)據(jù)皆存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)里。

2.3 頭盔質(zhì)量特性測(cè)量方法

對(duì)頭模規(guī)格的選取要依據(jù)被測(cè)量頭盔的規(guī)格。先在框架上固定頭模，之后在頭模上正確佩戴被測(cè)頭盔。轉(zhuǎn)移框架至稱重傳感器上，保證三個(gè)稱重傳感器對(duì)應(yīng)框架的三個(gè)支點(diǎn)。操作計(jì)算機(jī)，應(yīng)用數(shù)據(jù)收集軟件，計(jì)算框架靜止后三個(gè)稱重傳感器上傳的數(shù)據(jù)。

其中，被測(cè)量的頭盔質(zhì)量設(shè)為m1，統(tǒng)一框架水平放置的3個(gè)稱重傳感器讀書分別為N1，N2，N3框架和頭模的質(zhì)量為m，重力加速為g，質(zhì)量m1等于三個(gè)讀數(shù)之和，其公式如下：

三個(gè)稱重傳感器的數(shù)據(jù)從計(jì)算機(jī)中讀取，用來(lái)計(jì)算頭盔的重心。在框架水平放置狀態(tài)下，只能測(cè)量和計(jì)算兩個(gè)軸上頭盔的重心。為使重心在第三軸上，我們提高了3#稱重傳感器，使框架傾斜一個(gè)角度。根據(jù)框架放置和傾斜放置兩種狀態(tài)下的靜平衡方程，得到框架坐標(biāo)系下的頭盔重心（x1,y1,z1）。

3 討論與結(jié)論

其一，要以人體解剖學(xué)坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，本次研究中，采用三個(gè)支點(diǎn)和三個(gè)傳感器的重心測(cè)量方法，能夠在提升其中一個(gè)傳感器的基礎(chǔ)上，通過(guò)使框架傾斜的前后，針對(duì)框架的水平放置和傾斜放置的不同，測(cè)量三個(gè)坐標(biāo)軸的重心測(cè)量，從而簡(jiǎn)化測(cè)量過(guò)程。

其二，創(chuàng)新測(cè)量方法，為實(shí)現(xiàn)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可以同時(shí)扭擺三個(gè)坐標(biāo)軸并可90o轉(zhuǎn)動(dòng)頭模。固定頭盔在頭模上，按動(dòng)框架中兩個(gè)相互垂直的圓環(huán)，以及扭擺平臺(tái)上的圓環(huán)，實(shí)現(xiàn)框架的整體剛性復(fù)合體，在測(cè)量過(guò)程中，確保頭盔穩(wěn)固。

本次研究改進(jìn)了飛行員頭盔質(zhì)量特性測(cè)量的設(shè)備和方法，能夠有效滿足當(dāng)下頭盔及其附加裝置的測(cè)量要求，該系統(tǒng)具有自動(dòng)化、量程大、精準(zhǔn)高、方便操作等特點(diǎn)，能夠應(yīng)用于各種頭盔型號(hào)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。