從專利申請看我國智能頭盔發展狀況

黃建松

隨著科學技術的發展，單一功能的頭盔已不能滿足需要。智能頭盔是頭盔領域出現的一種新名詞，它是技術人員結合高新科技產品把一個普通的頭盔升級達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、數據傳輸功能、定位和導航功能、熱成像功能、視頻傳輸功能、人體生理參數檢測功能等等。這些功能通常是依靠附加在盔體上相應的功能單元組件來實現的。智能頭盔廣泛應用于軍事、安保、消防、電力、礦山、海關、交通等領域。

專利申請數量和質量是最能反應一個領域最新技術的發展狀況和發展趨勢的重要指標。因此，筆者基于近3年來我國智能頭盔的專利(包括發明專利和實用新型專利，不包括外觀設計專利)申請情況來分析我國智能頭盔的發展狀況。

1 多功能的智能頭盔

由于每年專利申請量非常龐大，而且專利技術更新特別快，專利技術專業性較強，基于篇幅限制，不可能將所有技術領域的頭盔專利申請分別詳細描述。本文僅僅基于最近三年有關智能頭盔領域申請的專利，選擇當前比較有代表性的應用領域(如礦山、公安、消防、應急救援、娛樂、軍事等)及典型的技術功能(包括生理參數檢測、視頻通信、虛擬現實、防彈抗沖、定位報警等)進行簡要描述與歸納。

1.1 生理參數檢測功能 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。保護腦組織的血液與氧氣的供給，實時監測腦部的血氧含量是預防腦缺氧、缺血的重要手段。應用智能穿戴技術開展人體頭腦部生理參數的裝置應運而生。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(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設的生理閾值時發出報警；專利[2]公開一種利用近紅外擴散自相關譜技術對組織深層微血管紅細胞流動進行測量人體腦部血流量的裝置、系統和頭盔。專利[3]公開一種實現頭盔感知和調節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]公開一種在盔體內側表面安裝多條彈性織物帶并以橫縱交織成網格狀，在織物帶上安裝多個頭皮電極實現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測頭盔，該頭盔利用發光二級管發射735 nm、805 nm和850 nm的近紅外光達到精確、實時監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備(如頭盔)則能有效解決公安、消防、應急搶修等需要遠程指揮現場視頻傳送的問題。專利[6]公開一種語音視頻通訊警用頭盔，將現場收集的視頻信息運用無線高速網絡傳輸至云服務系統，佩戴者通過增強現實顯示器認知周圍的環境狀況并作出有效應對措施，指揮人員可利用該系統實現多人語音視頻會話。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，實現定位基站覆蓋范圍內的視頻信息和位置信息的采集與傳輸，為遠距離作業區提供安全保障，為遠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通信頭盔，可自動調節縮放夜視儀和智能信號接受儀，可全天對周圍信息進行收集和傳輸，達到智能化軍用防護通信的效果。專利[9]公開一種新型頭盔夜視儀，它利用紅外照明模塊進行照明，通過紅外成像組件進行成像，通過目鏡進行視頻圖像的實時觀測，隱蔽性較強。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，為遠程作業提供安全保證。隨著網絡通訊技術的發展，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據，圖像通過4G通信模塊、定位導航模塊等輸出至后臺服務器，從而提高消防處理的效率。

1.3 虛擬現實功能 虛擬現實技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真并使用戶沉浸到該環境中的一種技術。虛擬現實技術廣泛應用于虛擬現實(簡稱VR)頭盔中。專利[12]發明一種三維全景高清頭盔式顯示器，解決離軸光學系統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調節，實現實時3D成像效果，佩戴舒適。專利[13]公開一種虛擬現實頭盔，實現擴大視野，增加虛擬現實的臨場感，提升體驗者的沉浸感。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，實現減弱因屏幕分辨率引起的“紗窗效應”，提升虛擬現實觀看體驗。專利[15]公開一種虛擬現實頭盔及虛擬現實系統，解決了虛擬現實頭盔適配手機時的重量、匹配及視頻顯示效果等問題，減輕長時間佩戴頸部疲勞，提高視頻播放效果。專利[16]公開能解決光學鏡頭易附著灰塵的虛擬現實頭盔，避免外界灰塵進入空腔并粘附在顯示屏或光學鏡頭上。專利[17]公開一種無線虛擬現實頭盔，減少眩暈感，提升虛擬現實體驗感，解決了用戶由于心理暗示導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實頭盔與系統。專利[19]公開一種依靠安裝在頭盔上的觸摸面板實現用戶與頭盔之間交互式觸摸式體驗的虛擬現實頭盔。專利[20]公開一種可以根據使用場景在不同運算平臺之間切換的虛擬現實頭盔，能滿足不同場景的應用要求，降低用戶使用成本。專利[21]公開一種采用多個氣囊調節兩個透鏡間的距離，實現對瞳距的調節的虛擬現實頭盔。

1.4 防彈抗沖功能 統計數據顯示，子彈破片是直接造成作戰人員頭部傷害的主要原因，防彈頭盔是保障作戰人員最基本也是最重要防護裝備。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計結合可壓縮的柔性部件，內殼采用高強度輕質復合材料制成。柔性部件受子彈擠壓后發生壓縮變形，薄板產生運動吸收子彈動能，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]公開一種能夠增強面部防護的防彈頭盔，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合而成，即提高防彈效果又達到透氣目的。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，提高盔體的強度、韌性和彈性、舒適性。專利[26]分別公開一種復合防彈頭盔及其制造方法，該專利采用硬質的金屬材料制作盔體表面層，采用軟質的聚乙烯纖維制作盔體中間層，中間層內有緩沖系統。專利[27]公開一種組合式防彈頭盔，該專利采用外、中、內三層頭盔拓樸組合式結構，三層結構可根據場合不同可獨立或任意組合使用，提高防護效果，擴展防護功能。專利[28]公開一種依靠在頭盔盔體上設置導軌、魔術貼、底座、滑塊等裝置，并在盔體上安裝照明、通訊、緩沖塊、夜視儀等設備，尤其適合特戰隊員佩戴的多功能防彈頭盔。在采礦業也廣泛使用智能頭盔。專利[29]公開一種安裝在頭盔殼體內腔的減震彈簧、減震板和海綿等組成的防砸傷的礦山使用保護頭盔；專利[30]公開一種可實現快速換氣、過濾粉塵的礦山使用的防護頭盔。

1.5 報警定位功能 在森林消防、公安維穩、應急救援等突發事件中，配戴一種能實時定位監控、危險報警等功能全面的智能頭盔具有重要的應用價值。專利[31]公開一種智能風險警告提示頭盔，一旦身處環境電場感應超過安全閾值，將會引起語音模塊報警，提示附近有強電，避免觸電事故。專利[32]公開一種智能頭盔的警報裝置，通過三色燈、導光柱和燈板控制板等顯示當前環境的安全狀態。專利[33]公開一種用于變電站的智能巡檢安全頭盔，根據采集的數據判斷電站運行和檢修人員周圍環境是否安全，為作業人員安全提供實時監測與保障。專利[34]分別公開一種利用北斗衛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 智能頭盔發展狀況分析

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、醫療、體育等領域。智能頭盔的多功能包括音頻、視頻采集與傳輸，防風、防霧、照明、定位、通訊、降溫、報警等功能模塊。這些功能模塊或單元可以獨立或組合方式工作。智能頭盔與可視指揮系統是應用在消防、軍事、公安、電力、交通等領域的通信系統，在傳統的指揮系統中，指揮者只靠前方反饋的語音信息進行判斷分析后再進行決策。然而，語音信息終究不如視頻信息更加直觀、具體。隨著通信技術和多媒體技術的高度發展，雙向視頻監控和雙向交互功能的可視化指揮系統是今后智能頭盔發展的趨勢之一。

隨著軍隊信息化建設的不斷深入，如何依靠各種先進的技術手段，尤其是運用信息技術的最新成果，進一步提高單兵防護裝備的性能并與指揮中心的完美配合是當務之急。當前的美國戰斗機飛行員頭盔包括顯示器和智能跟蹤系統，該頭盔顯示系統支持通信聯絡、態勢感知、武器瞄準等多種作戰需求。虛擬現實頭盔是一種利用頭盔顯示器將人對外界的視覺、聽覺封閉，引導用戶產生一種身臨其境的感覺的新型頭盔。自從20世紀末虛擬現實技術理論的完善與初步應用，虛擬現實頭盔已經實現了低成本、輕量化和實用化。近年來虛擬現實頭盔的發展迅猛，專利申請量呈幾何級數上升。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、可調節性好、適應性強等方面發展。

總之，無論智能頭盔的功能多么強大，都必須考慮使用者的可操作性(人機交互性)、長時間佩戴的舒適性和作業的安全性、實用性等。例如，可從結構上、材料上、工藝上提高智能的整體性能。同時，隨著數字化和信息化的快速發展，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、數字化方向發展。