从专利申请看我国智能头盔发展状况

黄建松

随着科学技术的发展，单一功能的头盔已不能满足需要。智能头盔是头盔领域出现的一种新名词，它是技术人员结合高新科技产品把一个普通的头盔升级达到所需要功能的多功能集成头盔。目前，所谓的多功能包括语音采集功能、视频图像采集功能、数据传输功能、定位和导航功能、热成像功能、视频传输功能、人体生理参数检测功能等等。这些功能通常是依靠附加在盔体上相应的功能单元组件来实现的。智能头盔广泛应用于军事、安保、消防、电力、矿山、海关、交通等领域。

专利申请数量和质量是最能反应一个领域最新技术的发展状况和发展趋势的重要指标。因此，笔者基于近3年来我国智能头盔的专利(包括发明专利和实用新型专利，不包括外观设计专利)申请情况来分析我国智能头盔的发展状况。

1 多功能的智能头盔

由于每年专利申请量非常庞大，而且专利技术更新特别快，专利技术专业性较强，基于篇幅限制，不可能将所有技术领域的头盔专利申请分别详细描述。本文仅仅基于最近三年有关智能头盔领域申请的专利，选择当前比较有代表性的应用领域(如矿山、公安、消防、应急救援、娱乐、军事等)及典型的技术功能(包括生理参数检测、视频通信、虚拟现实、防弹抗冲、定位报警等)进行简要描述与归纳。

1.1 生理参数检测功能 人体脑电波、脉搏、血氧含量、心率等生物信息是判断人体身体状况的重要参数。保护脑组织的血液与氧气的供给，实时监测脑部的血氧含量是预防脑缺氧、缺血的重要手段。应用智能穿戴技术开展人体头脑部生理参数的装置应运而生。专利[1]公开了一种将弹性传感器贴合用户的皮肤以感测用户生理参数(如心率、血氧、体温等)的智能头盔及其生理检测方法，并在传感器测量值超过预设的生理阈值时发出报警；专利[2]公开一种利用近红外扩散自相关谱技术对组织深层微血管红细胞流动进行测量人体脑部血流量的装置、系统和头盔。专利[3]公开一种实现头盔感知和调节人体生理特征的方法，通过传感器感知人体脑电波、酒精含量、心率、血氧、血压等生理信息。专利[4]公开一种在盔体内侧表面安装多条弹性织物带并以横纵交织成网格状，在织物带上安装多个头皮电极实现全自动脑电信号读取的智能头盔。专利[5]公开一种可穿戴式脑血氧监测头盔，该头盔利用发光二级管发射735 nm、805 nm和850 nm的近红外光达到精确、实时监测脑血氧的变化情况。

1.2 视频通信功能 具有视频通讯功能的设备(如头盔)则能有效解决公安、消防、应急抢修等需要远程指挥现场视频传送的问题。专利[6]公开一种语音视频通讯警用头盔，将现场收集的视频信息运用无线高速网络传输至云服务系统，佩戴者通过增强现实显示器认知周围的环境状况并作出有效应对措施，指挥人员可利用该系统实现多人语音视频会话。专利[7]公开一种无线头盔通信装置，盔体上设置的摄像头和语音装置等将视频和音频信号通过无线传输模块输出，实现定位基站覆盖范围内的视频信息和位置信息的采集与传输，为远距离作业区提供安全保障，为远程指挥决策提供重要支持。专利[8]公开一种智能化军用防护通信头盔，可自动调节缩放夜视仪和智能信号接受仪，可全天对周围信息进行收集和传输，达到智能化军用防护通信的效果。专利[9]公开一种新型头盔夜视仪，它利用红外照明模块进行照明，通过红外成像组件进行成像，通过目镜进行视频图像的实时观测，隐蔽性较强。专利[10]公开一种无线头盔通信装置，采用无线通讯终端、摄像装置、语音装置、探照灯等将视频通话和高精度定位融合一体，为远程作业提供安全保证。随着网络通讯技术的发展，专利[11]公开一种基于4G通信的智能消防头盔装置，通过头盔上的图像采集模块采集两路可见光图像数据，图像通过4G通信模块、定位导航模块等输出至后台服务器，从而提高消防处理的效率。

1.3 虚拟现实功能 虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真并使用户沉浸到该环境中的一种技术。虚拟现实技术广泛应用于虚拟现实(简称VR)头盔中。专利[12]发明一种三维全景高清头盔式显示器，解决离轴光学系统透镜和像源固定安装，精确定位和高度的头盔式显示器，其像源和反射镜可旋转调节，实现实时3D成像效果，佩戴舒适。专利[13]公开一种虚拟现实头盔，实现扩大视野，增加虚拟现实的临场感，提升体验者的沉浸感。专利[14]公开一种通过控制透镜间焦距等方法的虚拟显示头盔，实现减弱因屏幕分辨率引起的“纱窗效应”，提升虚拟现实观看体验。专利[15]公开一种虚拟现实头盔及虚拟现实系统，解决了虚拟现实头盔适配手机时的重量、匹配及视频显示效果等问题，减轻长时间佩戴颈部疲劳，提高视频播放效果。专利[16]公开能解决光学镜头易附着灰尘的虚拟现实头盔，避免外界灰尘进入空腔并粘附在显示屏或光学镜头上。专利[17]公开一种无线虚拟现实头盔，减少眩晕感，提升虚拟现实体验感，解决了用户由于心理暗示导致虚拟沉浸感降低的问题。专利[18]公开一种基于可见光通信的虚拟现实头盔与系统。专利[19]公开一种依靠安装在头盔上的触摸面板实现用户与头盔之间交互式触摸式体验的虚拟现实头盔。专利[20]公开一种可以根据使用场景在不同运算平台之间切换的虚拟现实头盔，能满足不同场景的应用要求，降低用户使用成本。专利[21]公开一种采用多个气囊调节两个透镜间的距离，实现对瞳距的调节的虚拟现实头盔。

1.4 防弹抗冲功能 统计数据显示，子弹破片是直接造成作战人员头部伤害的主要原因，防弹头盔是保障作战人员最基本也是最重要防护装备。专利[22]公开一种高效防弹头盔，该头盔采用圆弧型的薄板设计结合可压缩的柔性部件，内壳采用高强度轻质复合材料制成。柔性部件受子弹挤压后发生压缩变形，薄板产生运动吸收子弹动能，并使得子弹由正侵彻变成斜侵彻，从而削弱子弹的侵彻能力，大幅提高头盔的抗弹效能。专利[23]公开一种能够增强面部防护的防弹头盔，盔体采用超高分子聚乙烯纤维制成，各部件之间可快速拆卸与安装，提高头盔的实用性。专利[24]公开一种防弹头盔，该头盔防弹壳体采用芳纶纤维层和超高分子聚乙烯纤维层复合而成，即提高防弹效果又达到透气目的。专利[25]公开一种轻便型防弹头盔，在头盔的最外层采用高锰钢层，其次是碳纤维层和高密度聚乙烯泡沫层，最里面为由18层芳纶布组成的芳纶板，提高盔体的强度、韧性和弹性、舒适性。专利[26]分别公开一种复合防弹头盔及其制造方法，该专利采用硬质的金属材料制作盔体表面层，采用软质的聚乙烯纤维制作盔体中间层，中间层内有缓冲系统。专利[27]公开一种组合式防弹头盔，该专利采用外、中、内三层头盔拓朴组合式结构，三层结构可根据场合不同可独立或任意组合使用，提高防护效果，扩展防护功能。专利[28]公开一种依靠在头盔盔体上设置导轨、魔术贴、底座、滑块等装置，并在盔体上安装照明、通讯、缓冲块、夜视仪等设备，尤其适合特战队员佩戴的多功能防弹头盔。在采矿业也广泛使用智能头盔。专利[29]公开一种安装在头盔壳体内腔的减震弹簧、减震板和海绵等组成的防砸伤的矿山使用保护头盔；专利[30]公开一种可实现快速换气、过滤粉尘的矿山使用的防护头盔。

1.5 报警定位功能 在森林消防、公安维稳、应急救援等突发事件中，配戴一种能实时定位监控、危险报警等功能全面的智能头盔具有重要的应用价值。专利[31]公开一种智能风险警告提示头盔，一旦身处环境电场感应超过安全阈值，将会引起语音模块报警，提示附近有强电，避免触电事故。专利[32]公开一种智能头盔的警报装置，通过三色灯、导光柱和灯板控制板等显示当前环境的安全状态。专利[33]公开一种用于变电站的智能巡检安全头盔，根据采集的数据判断电站运行和检修人员周围环境是否安全，为作业人员安全提供实时监测与保障。专利[34]分别公开一种利用北斗卫星定位模块将定位信息及视频信息等回传到指挥中心的头盔，为指挥决策和救援提供帮助。

2 智能头盔发展状况分析

目前我国智能头盔专利申请主要集中在消防、矿山、军用、警用、娱乐、医疗、体育等领域。智能头盔的多功能包括音频、视频采集与传输，防风、防雾、照明、定位、通讯、降温、报警等功能模块。这些功能模块或单元可以独立或组合方式工作。智能头盔与可视指挥系统是应用在消防、军事、公安、电力、交通等领域的通信系统，在传统的指挥系统中，指挥者只靠前方反馈的语音信息进行判断分析后再进行决策。然而，语音信息终究不如视频信息更加直观、具体。随着通信技术和多媒体技术的高度发展，双向视频监控和双向交互功能的可视化指挥系统是今后智能头盔发展的趋势之一。

随着军队信息化建设的不断深入，如何依靠各种先进的技术手段，尤其是运用信息技术的最新成果，进一步提高单兵防护装备的性能并与指挥中心的完美配合是当务之急。当前的美国战斗机飞行员头盔包括显示器和智能跟踪系统，该头盔显示系统支持通信联络、态势感知、武器瞄准等多种作战需求。虚拟现实头盔是一种利用头盔显示器将人对外界的视觉、听觉封闭，引导用户产生一种身临其境的感觉的新型头盔。自从20世纪末虚拟现实技术理论的完善与初步应用，虚拟现实头盔已经实现了低成本、轻量化和实用化。近年来虚拟现实头盔的发展迅猛，专利申请量呈几何级数上升。智能头盔的专利申请正向佩戴舒适性、不眩晕、轻便、清洁、健康、可调节性好、适应性强等方面发展。

总之，无论智能头盔的功能多么强大，都必须考虑使用者的可操作性(人机交互性)、长时间佩戴的舒适性和作业的安全性、实用性等。例如，可从结构上、材料上、工艺上提高智能的整体性能。同时，随着数字化和信息化的快速发展，对智能头盔也提出了更高的要求，智能头盔正向集成化、模块化、多功能、智能化、轻量化、数字化方向发展。