基于3D打印的全景可視頭盔設(shè)計(jì)

摘要：探索提高減少自行車交通事故的方法路徑，提出設(shè)計(jì)一款全景可視頭盔。分析自行車交通事故中頭盔暴露出的相關(guān)問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)頭盔的功能、結(jié)構(gòu)、材料等方面進(jìn)行優(yōu)化，添加圖像可視、光線跟蹤等。從3D打印技術(shù)出發(fā)，快速對(duì)可視頭盔進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，縮短開發(fā)周期，提高效率，在打印出實(shí)物模型的基礎(chǔ)上對(duì)產(chǎn)品加以改進(jìn)，為自行車可視頭盔的研發(fā)提供一定的可行性和參考性。

關(guān)鍵詞：全景可視；頭盔設(shè)計(jì)；3D打印

0引言

3D打印技術(shù)又被稱為增材制造，是一種基于材料堆積法的高新制造技術(shù)。利用三維CAD數(shù)據(jù)，通過(guò)3D打印設(shè)備，將一層層的材料堆積成實(shí)體模型[1]。3D打印能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出的物體直接打印出實(shí)物，大大降低了設(shè)計(jì)與制造的復(fù)雜度，減少成本，提高效率。本文采用3D打印技術(shù)快速將頭盔進(jìn)行實(shí)體轉(zhuǎn)換，用于產(chǎn)品檢驗(yàn)與論證[2]。

騎行過(guò)程中的摔倒會(huì)對(duì)頭部造成很大的損害，即使騎行者是以較低的車速沿著坡度平穩(wěn)的自行車道騎行，也同樣不可忽視安全問(wèn)題。佩戴騎行頭盔的原因很簡(jiǎn)單也很重要——保護(hù)頭部，減少傷害。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，在每年超過(guò)500例的騎車死亡事故中，有75%的死亡原因是頭部受到致命傷害造成的，多數(shù)情況是由于后方突發(fā)的意外事故[3]。

1、頭盔研究現(xiàn)狀

自行車被發(fā)明以來(lái)，就逐漸成為人們較好的代步、休閑工具，特別是自行車運(yùn)動(dòng)成為一項(xiàng)競(jìng)技體育項(xiàng)目之后，人們對(duì)它更是喜愛有加。但是作為一項(xiàng)以速度決勝的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，安全便成了一個(gè)重要的問(wèn)題。自行車頭盔的出現(xiàn)不僅保障了騎車人的安全，而且也提高了賽車運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)。

自行車頭盔的抗撞擊標(biāo)準(zhǔn)和扣帶的牢固力都是上世紀(jì)70年代中期由美國(guó)消費(fèi)用品安全委員會(huì)（CPSC）提出的。這樣或那樣的項(xiàng)目參數(shù)是根據(jù)不同的機(jī)構(gòu)而提出的，如SNELL基金會(huì)，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局和美國(guó)檢測(cè)材料學(xué)會(huì)。那時(shí)，僅有一種輕型摩托車頭盔符合這一標(biāo)準(zhǔn)。但是，自行車運(yùn)動(dòng)員卻拒絕戴這種頭盔，因?yàn)檫@種頭盔又重且不透氣。

BeLL Biker公司首先研制出了符合CPSC標(biāo)準(zhǔn)的自行車頭盔，它是用ABS塑料做外殼，內(nèi)裹聚苯乙烯泡沫制成的。后來(lái)更新的外殼材料PVC及價(jià)位較高的材料聚碳酸酯大大減少了頭盔的重量。

SPORTSCOPE頭盔推出了用6塊強(qiáng)度大、有柔韌性的尼龍網(wǎng)眼材料拼湊而成，各成一體的材料塊可依使用者的要求而變化。這種頭盔排除了對(duì)墊襯的需求，并可減少頭盔與頭顱之間的距離。

據(jù)美國(guó)公路安全保險(xiǎn)研究的報(bào)告表明：美國(guó)1999年騎自行車死亡的人數(shù)有98%未戴頭盔，而在撞擊事故中戴頭盔的人使他們頭部受重傷的危險(xiǎn)系數(shù)減少了85%。可見，設(shè)計(jì)一款減少安全事故的頭盔刻不容緩。

2、全景可視頭盔設(shè)計(jì)

2.1照明設(shè)計(jì)

照明采用充電式，內(nèi)嵌在頭盔的兩側(cè)不會(huì)隨意掉落，燈光采用柔和式LED燈光更加亮更加節(jié)能環(huán)保。

2.2全景頭盔可視設(shè)計(jì)

鏡頭設(shè)計(jì)：欲采用汽車倒車攝像頭，具有廣角度的效果可以更加廣闊的看清后方的情況，車后的狀況更加直觀可視，對(duì)安全來(lái)說(shuō)是非常實(shí)用的配置之一。采用紅外線廣角攝像裝置，可防水等優(yōu)勢(shì)[4]。

曲片設(shè)計(jì)：曲面設(shè)計(jì)更貼近身體面部結(jié)構(gòu)特征，擴(kuò)大了余光的帶給前方視角的廣闊感，而且更加符合空氣動(dòng)力學(xué)，減少因?yàn)樗俣忍於鴮?duì)實(shí)力上的障礙。

線路設(shè)計(jì)：線路自后方的攝像頭連接到前面的顯示屏上，采用內(nèi)走線的方式，從模型內(nèi)部穿過(guò)，不會(huì)因?yàn)轭^部而造成的線路損壞等問(wèn)題。更加安全結(jié)實(shí)可用。

2.3抵抗設(shè)計(jì)

采用全頭式覆蓋的方法，讓使用者的頭部不像原來(lái)的頭盔2/3的頭部暴露在外面，會(huì)有極大的危險(xiǎn)，從而大大減少了外界對(duì)于頭部所構(gòu)成的危險(xiǎn)，更加能夠抵抗住外界對(duì)頭部的沖擊力度[5]。

2.4頭盔打印

將設(shè)計(jì)好的頭盔模型通過(guò)3D打印設(shè)備進(jìn)行打印，完成從計(jì)算機(jī)CAD模型到實(shí)物的轉(zhuǎn)變，用來(lái)對(duì)頭盔開發(fā)的價(jià)值進(jìn)行調(diào)查研究。本次打印采用桌面級(jí)3D打印機(jī)，導(dǎo)入STL數(shù)字模型文件，調(diào)整模型在打印框里的位置，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品打印。如圖1所示。

圖1 頭盔打印模型

3、結(jié)論

該頭盔設(shè)計(jì)主要針對(duì)自行車而進(jìn)行的，將照明功能與后景前顯功能融于一體，更加增強(qiáng)了產(chǎn)品的安全性和創(chuàng)新性。燈光增加，燈光是一般頭盔所不具有的，大多數(shù)人會(huì)選擇佩戴頭燈，但有了帶有燈光的頭盔可以減少多余的佩戴，而且還提高了安全性。視角廣闊，騎行期間最重要的就是視角問(wèn)題，在視角障礙的情況下不利于長(zhǎng)距離的騎行，但視角一旦開廣，便無(wú)須擔(dān)憂。

參考文獻(xiàn)：

[1]張學(xué)軍，唐思熠，肇恒躍，郭紹慶，李能，孫兵兵，陳冰清. 3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)[J]. 材料工程，2016，44（02）：122-128.

[2]柳建，雷爭(zhēng)軍，顧海清，李林岐. 3D打印行業(yè)國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2015（03）：17-21+25.

[3]高源，劉越，程德文，王涌天. 頭盔顯示器發(fā)展綜述[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2016，28（06）：896-904.

[4]李華，張新，王超，史廣維，付強(qiáng). 自由曲面機(jī)載頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34（03）：222-227.

[5]唐良富，唐卡毅，張旻旻，王郡，唐榆凱. 摩托車防護(hù)頭盔發(fā)展現(xiàn)狀和展望分析[J]. 中國(guó)個(gè)體防護(hù)裝備，2011（01）：21-27.

作者簡(jiǎn)介：

王鵬文，男，山西省晉中市，西京學(xué)院，助教，碩士，研究方向：產(chǎn)品設(shè)計(jì)、快速成型。