基于气动肌肉的气动模块、主动式头枕和被动安全装置的制作方法

1.本发明涉及柔性执行设备，具体地，涉及一种基于气动肌肉的气动模块。此外，本发明还涉及一种主动式头枕和被动安全装置。


背景技术：

2.研究显示，因追尾碰撞引发的交通事故的比例居高不下，且被追尾车辆内乘员所受的损伤90％以上是颈部挥鞭损伤。发生追尾碰撞时，高速前进的机动车急剧刹车，或在停车后突然受到后方高速行驶的车辆撞击，乘车人由于身体猛然向前运动，头颈部后仰继而前倾，发生过伸展及过屈曲性运动，发生脊椎脱位，造成挫伤、出血，产生颈部挥鞭损伤。
3.针对上述问题，本领域技术人员采用了多种技术方案以免追尾时乘员发生颈部挥鞭损伤，主要通过座椅的靠背和头枕的结构设计来限制追尾碰撞时头部相对上躯干向后的运动，进而保护颈部。根据对追尾碰撞的进一步研究，乘员头部接触头枕的时间从55ms到90ms不等，因此主动式头枕的设计通常要保证从碰撞后开始的60ms内，主动头枕能够完全展开，而电机无法满足60ms内的解锁并展开，传统的液压驱动和气动驱动因系统要求复杂也很难应用与头枕中。因此，现有技术的主动式头枕的触发方式大致包括如下类型：(1)纯机械触发；(2)气体发生器触发；(3)电磁铁触发。
4.但是，上述现有技术的主动式头枕，在实际应用中无一例外地无法起到较好地防护效果，有些甚至会由于误触等原因影响乘员正常驾驶。
5.例如，对于纯机械触发的主动式头枕，其主要依靠碰撞后乘员躯干惯性力挤压靠背，将尾碰时人体躯干压迫座椅的能量转换为靠背或头枕的保护运动。但是，此种结构的占用空间较大、重量较重，而且，机械触发是依靠碰撞后乘员躯干惯性力挤压靠背，导致机械触发天然存在触发延迟，以及惯性力差别导致的不触发和误触发等诸多风险，此外，机械触发保护效果受乘员体征(身高/体重)、坐姿、尾碰撞严重程度等诸多因素的影响，不同条件下保护效果差别较大，可靠性不高。
6.对于气体发生器触发的主动式头枕，其主要通过点电子控制单元(ecu)，激发微型气体发生器(mgg)燃烧产生压缩气体，压缩气体使得解锁机构解锁，解锁后预紧弹簧推动头枕向前运动。但是，此种结构一方面占用空间较大、重量较重，另一方面，由于预紧弹簧的预紧力较大，长期处于在预紧弹簧施压下的解锁塑料件，其可能因内应力过大而失效，导致头枕无法触发或误触发，不但无法保障乘员的人身安全，甚至可能由于误触发引发意外。
7.对于电磁铁触发的主动式头枕，电磁铁触发利用线圈电磁感应产生的电磁力来触发解锁机构，解锁后，预紧弹簧驱动头枕运动部向头部运动。此种结构与气体发生器触发的主动式头枕具有相同的问题，即预紧弹簧的预紧力较大，使得长期处于在预紧弹簧施压下的解锁塑料件因内应力过大而失效。
8.综合上述对现有技术中各类主动式头枕的分析可以看出，尽管本领域技术人员设计了多种主动式头枕，但是基本所有的主动式头枕，都存在结构复杂、重量大、成本高的问题，而且防护效果均不理想，有些甚至影响正常驾驶或者造成更为严重的驾驶意外，不能及
时为乘员提供有效保护。
9.有鉴于此，需要设计一种新型的主动式头枕。


技术实现要素：

10.本发明第一方面所要解决的技术问题是提供一种基于气动肌肉的气动模块，该气动模块将气体发生器集成于气动肌肉中，使得该气动模块更加小型化、集成化、响应快速化。
11.本发明第二方面所要解决的技术问题是提供一种主动式头枕，该主动式头枕结构简单，响应速度快，成本低。
12.本发明第三方面所要解决的技术问题是提供一种被动安全装置，该被动安全装置结构简单，响应速度快，成本较低，能够较好地保障乘员的人身安全。
13.为了解决上述技术问题，本发明第一方面提供一种基于气动肌肉的气动模块，包括气动肌肉和气体发生器，所述气体发生器的主体部分内置于所述气动肌肉的开口端以封闭所述气动肌肉的内腔，从而形成集成气动模块，所述气体发生器能够产生高压气体，以使得所述气动肌肉的内部气压增大而产生轴向收缩，并且该气体发生器密封且保持增大的气压。
14.优选地，所述气动肌肉包括弹性膜片，所述弹性膜片的两端分别连接输出端头和进气端头，所述气体发生器容置于所述进气端头内部。
15.具体地，所述气体发生器与所述进气端头卡接连接、螺纹连接或通过紧固件连接。
16.作为一种具体地结构形式，所述气体发生器内部设有气体发生剂，所述气体发生器与点火器连接以通过所述点火器引燃所述气体发生剂。
17.本发明第二方面提供一种主动式头枕，包括头枕、控制系统、传动结构和第一方面任一项技术方案所述的基于气动肌肉的气动模块，所述控制系统能够触发所述气体发生器，以使得所述气动肌肉的内部气压增大，从而驱动所述气动肌肉轴向收缩，所述气动肌肉与所述传动结构连接，所述传动结构能够将所述气动肌肉轴向收缩产生的拉力转化为驱动所述头枕移动至设定位置的驱动力。
18.优选地，所述控制系统包括传感器和控制器，所述传感器能够将发生追尾碰撞的信号反馈至所述控制器，所述控制器能够进一步触发所述气体发生器以使得所述头枕移动至所述设定位置。
19.作为一种具体地结构形式，所述传动结构包括固定支架和剪叉式伸缩机构，所述剪叉式伸缩机构包括剪叉架，所述剪叉架包括至少一个剪叉单元，每个所述剪叉单元包括两根交叉设置且中部相互铰接的连杆，所述剪叉架靠近所述头枕的一侧形成第一铰接端和第二铰接端，所述第一铰接端和第二铰接端分别铰接一根连杆并组成平行四边形结构，所述平行四边形结构靠近所述头枕的一端与所述头枕铰接，所述剪叉架靠近所述固定支架的一侧形成滑动端和第三铰接端，所述第三铰接端与所述固定支架铰接，所述气动肌肉的一端与所述固定支架连接，另一端与所述第三铰接端连接。
20.优选地，所述固定支架上设有导向机构以引导所述气动肌肉的收缩。
21.进一步优选地，所述导向机构包括横杆和设置于所述固定支架的两侧的滑轨，所述横杆穿过所述气动肌肉和滑轨并且与所述剪叉式伸缩机构的滑动端连接。
22.本发明第三方面提供一种被动安全装置，包括运动部、传动结构和第一方面技术方案中任一项所述的基于气动肌肉的气动模块，所述传动结构能够将所述气动肌肉轴向收缩产生的拉力转化为驱动所述运动部移动的驱动力。
23.具体地，所述运动部为发动机盖板、安全带或座椅的坐垫。
24.在本发明的基础技术方案中，气体发生器的主体部分内置于所述气动肌肉的开口端以封闭所述气动肌肉的内腔，从而形成集成气动模块，气体发生器能够产生高压气体，以使得所述气动肌肉的内部气压增大而产生轴向收缩，并且通过气体发生器密封气动肌肉的开口端，保持气动肌肉内部的气压。本发明的气动模块，其直接将气体发生器集成在气动肌肉一端，触发气体发生器而产生高温高压气体直接驱动气动肌肉，使得该气动模块结构简单，更加小型化、集成化、响应快速化、触发稳定。
25.有关本发明的其他优点以及优选实施方式的技术效果，将在下文的具体实施方式中进一步说明。
附图说明
26.图1是本发明的基于气动肌肉的气动模块的一种实施例的结构示意图；
27.图2是本发明的气动肌肉一种实施例的结构示意图；
28.图3是本发明的主动式头枕的一种实施例的结构示意图之一；
29.图4是本发明的主动式头枕的一种实施例的结构示意图之二；
30.图5是本发明的主动式头枕的一种实施例的结构示意图之三；
31.图6是本发明的主动式头枕的一种实施例的原理图，其中，头枕处于收起状态；
32.图7是本发明的主动式头枕的一种实施例的原理图，其中，头枕处于展开状态。
33.附图标记
34.1气动肌肉
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11输出端头
35.12进气端头
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13弹性膜片
36.131橡胶筒
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132纤维层
37.2气体发生器
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21气体发生剂
38.22点火器
39.3头枕
40.41剪叉式伸缩机构
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42固定支架
41.43横杆
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44滑轨
具体实施方式
42.下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
43.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者是一体连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介，间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
44.参考图1，本发明的基础技术方案的基于气动肌肉的气动模块，包括气动肌肉1和气体发生器2，气体发生器2的主体部分内置于气动肌肉1的开口端以封闭气动肌肉1的内腔，从而形成集成的气动模块。气体发生器2能够产生高压气体，以使得气动肌肉1的内部气压增大而产生轴向收缩，并且该气体发生器2将所述气动肌肉1的开口端密封并且保持气动肌肉1内腔的气压。
45.本发明的气动模块直接将气体发生器2集成在气动肌肉1的一端，使得该气动模块结构简单，更加小型化、集成化，而气体发生器2产生高温高压气体能够直接驱动气动肌肉1，使得该气动模块响应更快。由于气动肌肉1具有结构简单、成本低、重量轻、输出力自重比大、响应快、充气量小、动作平滑噪音小等固有特性，使得该气动模块特别适合用于初始输出力大、需要快速触发的汽车被动安全领域，而且本发明的气动模块直接将气体发生器2集成于气动肌肉1的一端，无需其它气源提供高压气体，符合汽车小型化、轻量化的发展趋势。
46.具体地，参考图2，该气动肌肉1包括弹性膜片13，弹性膜片13的两端分别连接输出端头11和进气端头12，气体发生器2容置于进气端头12内部，当然，该气体发生器2也可以集成于气动肌肉1的其他位置，只要气体发生器2的气体能够直接充满气动肌肉1的内腔即可。其中，弹性膜片13主要由内部的橡胶筒131及外部交叉编织的纤维层132构成，使得气动肌肉1充气后可以实现径向膨胀和轴向收缩。
47.具体地，气体发生器2与气动肌肉1的进气端头12卡接连接、螺纹连接或通过紧固件连接，只要在气动肌肉1的内腔处于高压状态下时，气体发生器2不会脱离进气端头12并且能够保持气动肌肉1内腔的气压即可。
48.具体地，气体发生器2内部设有气体发生剂21，该气体发生剂21可以为火药或其它固态燃料，气体发生器2与点火器22连接以通过点火器22引燃气体发生剂21，更加具体的，点火器22的引脚伸入气体发生剂21中，并且通过增大电流升高引脚温度，从而触燃气体发生剂21，气体发生剂21燃烧产生的高压气体驱动气动肌肉1径向膨胀且轴向收缩。
49.在本发明的气动模块的基础上，本发明进一步提供一种主动式头枕，包括头枕3、控制系统、传动结构和第一方面技术方案中任一项的气动模块，控制系统能够触发气体发生器2，以使得气动肌肉1的内部气压增大，从而驱动气动肌肉1轴向收缩，气动肌肉1与传动结构连接，传动结构能够将气动肌肉1轴向收缩产生的拉力转化为驱动头枕3移动至设定位置的驱动力，头枕3移动至“设定位置”时，能够为乘员的头部提供支撑，避免或减少头部与躯干间的相对运动，达到减少挥鞭损伤的效果。常见的，设定位置设置为头枕3向前移动50mm且向上移动10mm后所处的位置。
50.现有技术的气体发生器触发式的主动式头枕，气体发生器产生高压气体使得解锁机构解锁，解锁后预紧弹簧推动头枕向前运动，此种结构一方面占用空间较大、重量较重，另一方面，由于预紧弹簧的预紧力较大，长期处于在预紧弹簧施压下的解锁塑料件，其可能因内应力过大而失效，导致头枕无法触发或误触发，不但无法保障乘员的人身安全，甚至可能由于误触发引发意外。
51.而本发明的主动式头枕也采用气体发生器2触发，其巧妙地将气动肌肉1应用于主动式头枕中并且将气体发生器2集成于气动肌肉1中作为气源，这样，一方面该主动式头枕无需气缸等外设的气源，也无需预紧弹簧，基本无内应力失效风险，大幅简化主动头枕的结构，降低了主动头枕的重量；另一方面气体发生器2触发迅速、稳定，并且触发后便立即使得
气动肌肉1执行轴向收缩动作，从而使得头枕3迅速展开至设定位置；此外，气动肌肉1充气后的柔性特点，使得头枕3对头部冲击小，更适合减少头部和颈部的相对运动；而且，无需对座椅靠背的结构进行特殊设计，适用于多种结构的座椅靠背，可移植性强。
52.优选地，控制系统包括传感器和控制器，传感器能够将发生追尾碰撞的信号反馈至控制器，控制器能够进一步触发气体发生器1以使得头枕3移动至设定位置。其中，传感器可以为碰撞传感器，将发生追尾碰撞的信号传递至控制器，或者，传感器可以为尾部长距探测雷达，汽车中设计相应的控制策略，在事故发生前预测到将要发生的追尾碰撞，使主动头枕不再局限于碰撞后的触发，而是在碰撞前主动调节。
53.作为一种具体地结构形式，参考图3和图5，传动结构包括固定支架42和剪叉式伸缩机构41，剪叉式伸缩机构41包括剪叉架，剪叉架包括至少一个剪叉单元，每个剪叉单元包括两根交叉设置且中部相互铰接的连杆，剪叉架靠近头枕3的一侧形成第一铰接端和第二铰接端，第一铰接端和第二铰接端分别铰接一根连杆并组成平行四边形结构，平行四边形结构靠近头枕3的一端与头枕3铰接，剪叉架靠近固定支架42的一侧形成滑动端和第三铰接端，第三铰接端与固定支架42铰接，气动肌肉1的一端与固定支架42连接，另一端与第三铰接端连接。参考图6和图7，在追尾碰撞发生时，传感器将碰撞信号反馈至控制器，控制器通过点火器引燃气体发生剂21，高压气体充入气动肌肉1，气动肌肉1轴向收缩从而拉动第三铰接端，剪叉架变形从而推动头枕3向前运动，该剪叉式伸缩机构41的行程放大效应可以将较短的气动肌肉1的收缩运动放大成行程较长的头枕的水平运动。可以理解的是，若将剪叉式伸缩机构41布置成与水平方向有较小的夹角，则其可以推动头枕3向前上方运动。需要说明的是，当该主动式头枕正常安装于汽车中时，“前”指向车头所在一侧，“上”指向车顶所在一侧。需要理解的是，图3中仅示出了具有单个剪叉单元的剪叉式伸缩机构41，该剪叉式伸缩机构41还可以包括多个依次连接的剪叉单元。当然，传动结构不限于上述结构和附图示出的结构，也可以采用其它机械传动结构，只要能够将气动肌肉1收缩产生的拉力转化为驱动头枕3移动至设定位置的驱动力即可。
54.优选地，固定支架42上设有导向机构以引导气动肌肉1的收缩，使得气动肌肉1按照设定方向进行收缩。
55.作为一种具体地结构形式，导向机构包括横杆43和设置于固定支架42的两侧的滑轨44，横杆43穿过气动肌肉1和滑轨44并且与剪叉式伸缩机构41的滑动端连接，横杆43沿着滑轨44运动以导正气动肌肉1的收缩方向。
56.本发明还提供一种被动安全装置，包括运动部、传动结构和第一方面技术方案中任一项的基于气动肌肉的气动模块，传动结构能够将气动肌肉1轴向收缩产生的拉力转化为驱动运动部移动的驱动力。
57.具体地，上述运动部可以为发动机盖板，气动模块通过传动结构驱动发动机盖板弹出，实现发动机盖弹出行人保护功能；或者运动部可以为安全带，气动模块通过传动结构卷曲安全带，消除安全带与人体之间的间隙，实现预紧式安全带保护功能；或者运动部可以为座椅的坐垫，气动模块通过传动结构驱动座椅的前部弹起，防止乘员前倾时从座椅上滑落，实现座椅反潜(anti-submarine)功能。可以理解的是，被动安全装置的运动部不仅限于上述部件，本发明的气动模块可以应用于多种具有高速响应要求的被动安全装置中。
58.以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本
发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。