從專利申請看我國智能頭盔發(fā)展?fàn)顩r

黃建松

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，單一功能的頭盔已不能滿足需要。智能頭盔是頭盔領(lǐng)域出現(xiàn)的一種新名詞，它是技術(shù)人員結(jié)合高新科技產(chǎn)品把一個(gè)普通的頭盔升級達(dá)到所需要功能的多功能集成頭盔。目前，所謂的多功能包括語音采集功能、視頻圖像采集功能、數(shù)據(jù)傳輸功能、定位和導(dǎo)航功能、熱成像功能、視頻傳輸功能、人體生理參數(shù)檢測功能等等。這些功能通常是依靠附加在盔體上相應(yīng)的功能單元組件來實(shí)現(xiàn)的。智能頭盔廣泛應(yīng)用于軍事、安保、消防、電力、礦山、海關(guān)、交通等領(lǐng)域。

專利申請數(shù)量和質(zhì)量是最能反應(yīng)一個(gè)領(lǐng)域最新技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展趨勢的重要指標(biāo)。因此，筆者基于近3年來我國智能頭盔的專利(包括發(fā)明專利和實(shí)用新型專利，不包括外觀設(shè)計(jì)專利)申請情況來分析我國智能頭盔的發(fā)展?fàn)顩r。

1 多功能的智能頭盔

由于每年專利申請量非常龐大，而且專利技術(shù)更新特別快，專利技術(shù)專業(yè)性較強(qiáng)，基于篇幅限制，不可能將所有技術(shù)領(lǐng)域的頭盔專利申請分別詳細(xì)描述。本文僅僅基于最近三年有關(guān)智能頭盔領(lǐng)域申請的專利，選擇當(dāng)前比較有代表性的應(yīng)用領(lǐng)域(如礦山、公安、消防、應(yīng)急救援、娛樂、軍事等)及典型的技術(shù)功能(包括生理參數(shù)檢測、視頻通信、虛擬現(xiàn)實(shí)、防彈抗沖、定位報(bào)警等)進(jìn)行簡要描述與歸納。

1.1 生理參數(shù)檢測功能 人體腦電波、脈搏、血氧含量、心率等生物信息是判斷人體身體狀況的重要參數(shù)。保護(hù)腦組織的血液與氧氣的供給，實(shí)時(shí)監(jiān)測腦部的血氧含量是預(yù)防腦缺氧、缺血的重要手段。應(yīng)用智能穿戴技術(shù)開展人體頭腦部生理參數(shù)的裝置應(yīng)運(yùn)而生。專利[1]公開了一種將彈性傳感器貼合用戶的皮膚以感測用戶生理參數(shù)(如心率、血氧、體溫等)的智能頭盔及其生理檢測方法，并在傳感器測量值超過預(yù)設(shè)的生理閾值時(shí)發(fā)出報(bào)警；專利[2]公開一種利用近紅外擴(kuò)散自相關(guān)譜技術(shù)對組織深層微血管紅細(xì)胞流動進(jìn)行測量人體腦部血流量的裝置、系統(tǒng)和頭盔。專利[3]公開一種實(shí)現(xiàn)頭盔感知和調(diào)節(jié)人體生理特征的方法，通過傳感器感知人體腦電波、酒精含量、心率、血氧、血壓等生理信息。專利[4]公開一種在盔體內(nèi)側(cè)表面安裝多條彈性織物帶并以橫縱交織成網(wǎng)格狀，在織物帶上安裝多個(gè)頭皮電極實(shí)現(xiàn)全自動腦電信號讀取的智能頭盔。專利[5]公開一種可穿戴式腦血氧監(jiān)測頭盔，該頭盔利用發(fā)光二級管發(fā)射735 nm、805 nm和850 nm的近紅外光達(dá)到精確、實(shí)時(shí)監(jiān)測腦血氧的變化情況。

1.2 視頻通信功能 具有視頻通訊功能的設(shè)備(如頭盔)則能有效解決公安、消防、應(yīng)急搶修等需要遠(yuǎn)程指揮現(xiàn)場視頻傳送的問題。專利[6]公開一種語音視頻通訊警用頭盔，將現(xiàn)場收集的視頻信息運(yùn)用無線高速網(wǎng)絡(luò)傳輸至云服務(wù)系統(tǒng)，佩戴者通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器認(rèn)知周圍的環(huán)境狀況并作出有效應(yīng)對措施，指揮人員可利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多人語音視頻會話。專利[7]公開一種無線頭盔通信裝置，盔體上設(shè)置的攝像頭和語音裝置等將視頻和音頻信號通過無線傳輸模塊輸出，實(shí)現(xiàn)定位基站覆蓋范圍內(nèi)的視頻信息和位置信息的采集與傳輸，為遠(yuǎn)距離作業(yè)區(qū)提供安全保障，為遠(yuǎn)程指揮決策提供重要支持。專利[8]公開一種智能化軍用防護(hù)通信頭盔，可自動調(diào)節(jié)縮放夜視儀和智能信號接受儀，可全天對周圍信息進(jìn)行收集和傳輸，達(dá)到智能化軍用防護(hù)通信的效果。專利[9]公開一種新型頭盔夜視儀，它利用紅外照明模塊進(jìn)行照明，通過紅外成像組件進(jìn)行成像，通過目鏡進(jìn)行視頻圖像的實(shí)時(shí)觀測，隱蔽性較強(qiáng)。專利[10]公開一種無線頭盔通信裝置，采用無線通訊終端、攝像裝置、語音裝置、探照燈等將視頻通話和高精度定位融合一體，為遠(yuǎn)程作業(yè)提供安全保證。隨著網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展，專利[11]公開一種基于4G通信的智能消防頭盔裝置，通過頭盔上的圖像采集模塊采集兩路可見光圖像數(shù)據(jù)，圖像通過4G通信模塊、定位導(dǎo)航模塊等輸出至后臺服務(wù)器，從而提高消防處理的效率。

1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)功能 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真并使用戶沉浸到該環(huán)境中的一種技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)(簡稱VR)頭盔中。專利[12]發(fā)明一種三維全景高清頭盔式顯示器，解決離軸光學(xué)系統(tǒng)透鏡和像源固定安裝，精確定位和高度的頭盔式顯示器，其像源和反射鏡可旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)3D成像效果，佩戴舒適。專利[13]公開一種虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大視野，增加虛擬現(xiàn)實(shí)的臨場感，提升體驗(yàn)者的沉浸感。專利[14]公開一種通過控制透鏡間焦距等方法的虛擬顯示頭盔，實(shí)現(xiàn)減弱因屏幕分辨率引起的“紗窗效應(yīng)”，提升虛擬現(xiàn)實(shí)觀看體驗(yàn)。專利[15]公開一種虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔及虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，解決了虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔適配手機(jī)時(shí)的重量、匹配及視頻顯示效果等問題，減輕長時(shí)間佩戴頸部疲勞，提高視頻播放效果。專利[16]公開能解決光學(xué)鏡頭易附著灰塵的虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，避免外界灰塵進(jìn)入空腔并粘附在顯示屏或光學(xué)鏡頭上。專利[17]公開一種無線虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，減少眩暈感，提升虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)感，解決了用戶由于心理暗示導(dǎo)致虛擬沉浸感降低的問題。專利[18]公開一種基于可見光通信的虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔與系統(tǒng)。專利[19]公開一種依靠安裝在頭盔上的觸摸面板實(shí)現(xiàn)用戶與頭盔之間交互式觸摸式體驗(yàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔。專利[20]公開一種可以根據(jù)使用場景在不同運(yùn)算平臺之間切換的虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，能滿足不同場景的應(yīng)用要求，降低用戶使用成本。專利[21]公開一種采用多個(gè)氣囊調(diào)節(jié)兩個(gè)透鏡間的距離，實(shí)現(xiàn)對瞳距的調(diào)節(jié)的虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔。

1.4 防彈抗沖功能 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，子彈破片是直接造成作戰(zhàn)人員頭部傷害的主要原因，防彈頭盔是保障作戰(zhàn)人員最基本也是最重要防護(hù)裝備。專利[22]公開一種高效防彈頭盔，該頭盔采用圓弧型的薄板設(shè)計(jì)結(jié)合可壓縮的柔性部件，內(nèi)殼采用高強(qiáng)度輕質(zhì)復(fù)合材料制成。柔性部件受子彈擠壓后發(fā)生壓縮變形，薄板產(chǎn)生運(yùn)動吸收子彈動能，并使得子彈由正侵徹變成斜侵徹，從而削弱子彈的侵徹能力，大幅提高頭盔的抗彈效能。專利[23]公開一種能夠增強(qiáng)面部防護(hù)的防彈頭盔，盔體采用超高分子聚乙烯纖維制成，各部件之間可快速拆卸與安裝，提高頭盔的實(shí)用性。專利[24]公開一種防彈頭盔，該頭盔防彈殼體采用芳綸纖維層和超高分子聚乙烯纖維層復(fù)合而成，即提高防彈效果又達(dá)到透氣目的。專利[25]公開一種輕便型防彈頭盔，在頭盔的最外層采用高錳鋼層，其次是碳纖維層和高密度聚乙烯泡沫層，最里面為由18層芳綸布組成的芳綸板，提高盔體的強(qiáng)度、韌性和彈性、舒適性。專利[26]分別公開一種復(fù)合防彈頭盔及其制造方法，該專利采用硬質(zhì)的金屬材料制作盔體表面層，采用軟質(zhì)的聚乙烯纖維制作盔體中間層，中間層內(nèi)有緩沖系統(tǒng)。專利[27]公開一種組合式防彈頭盔，該專利采用外、中、內(nèi)三層頭盔拓樸組合式結(jié)構(gòu)，三層結(jié)構(gòu)可根據(jù)場合不同可獨(dú)立或任意組合使用，提高防護(hù)效果，擴(kuò)展防護(hù)功能。專利[28]公開一種依靠在頭盔盔體上設(shè)置導(dǎo)軌、魔術(shù)貼、底座、滑塊等裝置，并在盔體上安裝照明、通訊、緩沖塊、夜視儀等設(shè)備，尤其適合特戰(zhàn)隊(duì)員佩戴的多功能防彈頭盔。在采礦業(yè)也廣泛使用智能頭盔。專利[29]公開一種安裝在頭盔殼體內(nèi)腔的減震彈簧、減震板和海綿等組成的防砸傷的礦山使用保護(hù)頭盔；專利[30]公開一種可實(shí)現(xiàn)快速換氣、過濾粉塵的礦山使用的防護(hù)頭盔。

1.5 報(bào)警定位功能 在森林消防、公安維穩(wěn)、應(yīng)急救援等突發(fā)事件中，配戴一種能實(shí)時(shí)定位監(jiān)控、危險(xiǎn)報(bào)警等功能全面的智能頭盔具有重要的應(yīng)用價(jià)值。專利[31]公開一種智能風(fēng)險(xiǎn)警告提示頭盔，一旦身處環(huán)境電場感應(yīng)超過安全閾值，將會引起語音模塊報(bào)警，提示附近有強(qiáng)電，避免觸電事故。專利[32]公開一種智能頭盔的警報(bào)裝置，通過三色燈、導(dǎo)光柱和燈板控制板等顯示當(dāng)前環(huán)境的安全狀態(tài)。專利[33]公開一種用于變電站的智能巡檢安全頭盔，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)判斷電站運(yùn)行和檢修人員周圍環(huán)境是否安全，為作業(yè)人員安全提供實(shí)時(shí)監(jiān)測與保障。專利[34]分別公開一種利用北斗衛(wèi)星定位模塊將定位信息及視頻信息等回傳到指揮中心的頭盔，為指揮決策和救援提供幫助。

2 智能頭盔發(fā)展?fàn)顩r分析

目前我國智能頭盔專利申請主要集中在消防、礦山、軍用、警用、娛樂、醫(yī)療、體育等領(lǐng)域。智能頭盔的多功能包括音頻、視頻采集與傳輸，防風(fēng)、防霧、照明、定位、通訊、降溫、報(bào)警等功能模塊。這些功能模塊或單元可以獨(dú)立或組合方式工作。智能頭盔與可視指揮系統(tǒng)是應(yīng)用在消防、軍事、公安、電力、交通等領(lǐng)域的通信系統(tǒng)，在傳統(tǒng)的指揮系統(tǒng)中，指揮者只靠前方反饋的語音信息進(jìn)行判斷分析后再進(jìn)行決策。然而，語音信息終究不如視頻信息更加直觀、具體。隨著通信技術(shù)和多媒體技術(shù)的高度發(fā)展，雙向視頻監(jiān)控和雙向交互功能的可視化指揮系統(tǒng)是今后智能頭盔發(fā)展的趨勢之一。

隨著軍隊(duì)信息化建設(shè)的不斷深入，如何依靠各種先進(jìn)的技術(shù)手段，尤其是運(yùn)用信息技術(shù)的最新成果，進(jìn)一步提高單兵防護(hù)裝備的性能并與指揮中心的完美配合是當(dāng)務(wù)之急。當(dāng)前的美國戰(zhàn)斗機(jī)飛行員頭盔包括顯示器和智能跟蹤系統(tǒng)，該頭盔顯示系統(tǒng)支持通信聯(lián)絡(luò)、態(tài)勢感知、武器瞄準(zhǔn)等多種作戰(zhàn)需求。虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔是一種利用頭盔顯示器將人對外界的視覺、聽覺封閉，引導(dǎo)用戶產(chǎn)生一種身臨其境的感覺的新型頭盔。自從20世紀(jì)末虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)理論的完善與初步應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了低成本、輕量化和實(shí)用化。近年來虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔的發(fā)展迅猛，專利申請量呈幾何級數(shù)上升。智能頭盔的專利申請正向佩戴舒適性、不眩暈、輕便、清潔、健康、可調(diào)節(jié)性好、適應(yīng)性強(qiáng)等方面發(fā)展。

總之，無論智能頭盔的功能多么強(qiáng)大，都必須考慮使用者的可操作性(人機(jī)交互性)、長時(shí)間佩戴的舒適性和作業(yè)的安全性、實(shí)用性等。例如，可從結(jié)構(gòu)上、材料上、工藝上提高智能的整體性能。同時(shí)，隨著數(shù)字化和信息化的快速發(fā)展，對智能頭盔也提出了更高的要求，智能頭盔正向集成化、模塊化、多功能、智能化、輕量化、數(shù)字化方向發(fā)展。