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Dokumentenidentifikation DE69707507T2 23.05.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0957697
Titel VERFAHREN ZUM HERSTELLEN VON INDIVIDUELL ANGEPASSTEN HELMEN
Anmelder Thales Avionics S.A., Velizy-Villacoublay, FR
Erfinder BEAUDOIN, Pascal, F-94117 Arcueil Cedex, FR;
BAUDOU, Joel, F-94117 Arcueil Cedex, FR;
BATAILLE, Alexandre, F-94117 Arcueil Cedex, FR
Vertreter Prinz und Partner GbR, 81241 München
DE-Aktenzeichen 69707507
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 18.04.1997
EP-Aktenzeichen 979207883
WO-Anmeldetag 18.04.1997
PCT-Aktenzeichen PCT/FR97/00706
WO-Veröffentlichungsnummer 0009740716
WO-Veröffentlichungsdatum 06.11.1997
EP-Offenlegungsdatum 24.11.1999
EP date of grant 17.10.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.05.2002
IPC-Hauptklasse A42C 2/00

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung läßt sich auf die Herstellung eines jeden Helmes anwenden, der auf dem Kopf des Trägers genau zu positionieren ist.

Helme mit Visier werden hauptsächlich von Militärkräften für Infanteristen oder für Flugzeug- und Hubschrauberpiloten verwendet. Diese Helme weisen einerseits den eigentlichen Helm auf, der dem passiven Schutz des Trägers des Helms dient, und andererseits ein Sehfeld, das in diesem Helm integriert ist und zur Präsentation von Informationen vor die Augen des Trägers dient.

Im folgenden wird mit Träger die Person bezeichnet, für die der Helm hergestellt wird, selbst wenn diese Person in bestimmten Phasen der beschriebenen Herstellung nichts auf dem Kopf hat.

Der Helm ist aus einer starren Schutzhaube gebildet, die schußfest ist, und einer dicken, elastischeren Innenschale für den Tragekomfort und zum Schutz vor Stößen. Er weist meistens ein akustisches Kommunikationssystem auf, eventuell ein Atemsystem, und trägt ferner das Sehfeld, sofern es sich um einen Helm mit integriertem Sehfeld handelt.

Das Sehfeld ist eine optische Anzeigevorrichtung, die ein Videobild der Außenwelt oder ein künstliches Bild auf einem "Kombinationssehfeld", das heißt einem halbreflektierenden Schirm, darstellt, das es gestattet, gleichzeitig die wirkliche Umgebung und das dargestellte Bild zu sehen. Das Bild wird von einem Bildgenerator, zum Beispiel einer Kathodenstrahlröhre, einem Flüssigkristall- Bildschirm oder einer Matrix aus Elektrolumineszenz-Dioden, erzeugt. Ein zwischen den Bildgenerator und das Kombinationssehfeld plaziertes optisches Relais gewährleistet die Kollimation des Bildes, um es in ein virtuelles Bild umzuwandeln. Bei bestimmten Ausführungsformen ist das "Kombinationssehfeld" durch das Visier des Helmes selbst realisiert.

Fig. 1 stellt einen solchen Helm mit seiner starren Haube 10 und seiner stoßfesten Innenschale 12 dar. Das Sehfeld 14 umfaßt einen Bilderzeuger (hier eine Projektions-Kathodenstrahlröhre) 16, ein Projektionsschirm 18, der das erwähnte "Kombinationssehfeld" bildet, und zwischen dem Bilderzeuger und dem Schirm das optische Relais 20.

Ein korrektes Betrachten des Bildes durch den Träger des Helms ist nur dann gewährleistet, wenn das Auge räumlich sehr genau bezüglich der Lichtwege plaziert ist, die durch das Sehfeld definiert sind, d. h. sehr genau an einer Stelle bezüglich der Gesamtheit der Elemente, die das Sehfeld bilden, wobei die Elemente selbst sehr genau zueinander positioniert werden müssen.

Die Schwierigkeit liegt in dieser äußerst exakten Positionierung des Sehfelds in Bezug auf das Auge des Trägers des Helms.

Die Toleranz der relativen Positionierung beträgt zum Beispiel 1 mm und 1 Grad zwischen dem optischen System, den Lichtwegen, die es definiert, und dem Auge des Trägers.

Eine einfache Lösung besteht darin, einen Helm mit einem Sehfeld herzustellen, das in Bezug auf die Haube mechanisch derart einstellbar ist, daß die Position des Sehfelds an die des Auges des Trägers angepaßt ist. Fig. 2 stellt einen solchen Helm mit Einstellmitteln 22 mit vier Freiheitsgraden dar, entsprechend drei Freiheitsgraden der Translation und einem Freiheitsgrad der Rotation um die Nickachse.

Eine derartige Einstellvorrichtung ist jedoch kompliziert, sie erhöht das Gewicht und den Platzbedarf der Ausrüstung für den Kopf, sie führt zu einer Brüchigkeit beim Gebrauch und im Laufe der Zeit zu einem Verlust der Eigenschaften und der Zuverlässigkeit. Darüber hinaus kann der Träger des Helms, wenn er die Einstellungen selbst vornimmt, dies fehlerhaft tun.

Eine weitere Lösung besteht darin, die Justierung des Helmes an der Innenschale vorzunehmen.

Das Sehfeld ist in diesem Fall starr an der Haube befestigt, und eine personalisierte Innenschale sorgt gleichzeitig für die Anpassung des Helmes an die Morphologie des Trägers und die korrekte Positionierung des Sehfelds in Bezug auf das Auge des Trägers.

Der Helm ist somit vollständig an die Morphologie des Trägers angepaßt, und der Sehfeld ist einzig für diesen Träger korrekt positioniert. Die Schwierigkeit besteht in der Herstellung dieser personalisierten Innenschale, da diese Herstellung dazu führen muß, daß das Sehfeld immer richtig plaziert ist, ohne ein zusätzliches mechanisches Einstellsystem.

Diese Personalisierung läßt sich in der Praxis erreichen, indem eine personalisierte Einlage hergestellt wird, die der Träger innen in einen Standardhelm einsetzt. Die Einlage kann durch direktes Abformen am Kopf des Trägers hergestellt werden, indem ein Polyurethanschaum zwischen den Kopf des Trägers und eine Form eingespritzt wird, die die innere Form der stoßfesten Schale des Helmes aufweist, und dabei der Kopf und die Form in einer solchen exakten Position zueinander gehalten werden, daß das Sehfeld in Bezug auf die Augen des Trägers korrekt plaziert ist. Nach der Polymerisation des Schaums und dem Abnehmen der Form erhält man eine personalisierte Einlage, die innen in dem Helm angeordnet werden kann.

Aufgrund des Drucks, der insbesondere durch die Ausdehnung des Schaums auf den Kopf des Trägers wirkt, ist dieser Vorgang jedoch schwierig durchzuführen. Dieser Druck hat zu große Verschiebungen (in der Größenordnung von 5 Millimetern, wohingegen die Toleranz bei +/- 1 Millimeter festgelegt ist) zwischen den Augen und dem Sehfeld zur Folge. Dieser Fehler kann schlecht durch eine vorherige Verlagerung ausgeglichen werden, da nämlich die Verlagerung von der Form und der Muskulatur abhängt, die für den Träger typisch ist.

Zudem hängen der Druck und die exotherme chemische Reaktion des eingespritzten Schaums von dessen Dichte ab, das heißt von dem Verhältnis zwischen der Menge des eingespritzten Materials und dem zwischen dem Kopf und der Innenform der stoßfesten Schale tatsächlich vorhandenen Volumen, wobei dieses Volumen in der Praxis sehr schwierig zu messen ist. Dies bringt auch eine Unsicherheit hinsichtlich der erreichten endgültigen Positioniergenauigkeit mit sich.

Es existieren noch weitere Nachteile dieses Verfahrens:

- Schmerzen während des Vorgangs aufgrund der verwendeten Immobilisierungssysteme (der Anwender muß auf eine Positionierplatte beißen, um seinen Kopf in Position zu halten), eventuelle Kopfschmerzen durch das verwendete Material und die exotherme Reaktion,

- die Unmöglichkeit der Umsetzung, wenn die Morphologie des Anwenders außerhalb eines vorgegebenen Bereichs von Morphologien liegt, oder aber die Notwendigkeit, die Menge des einzuspritzenden Schaums und das Gesamtvolumen des Helms systematisch zu vergrößern, um stärker abweichenden Morphologien Rechnung zu tragen,

- ein großer Platzbedarf der Vorrichtung, die Notwendigkeit von zwei oder drei erfahrenen Bedienungspersonen sowie die beträchtliche Dauer (mehrere Stunden) des Vorgangs.

Die Erfindung zielt darauf ab, auf einfachere Weise und unter weitestgehender Vermeidung der Verfahrensnachteile des Standes der Technik einen personalisierten Helm bereitzustellen.

Die Erfindung schlägt dazu ein Verfahren zur Herstellung eines Helms mit einer personalisierten Innenschale vor, die das Positionieren des Helms auf dem Kopf des Trägers sichert, gekennzeichnet durch eine vorhergehende Vermessung der Kopfform des Trägers durch eine kontaktlose Meßvorrichtung, wobei die vorhergehende Vermessung von der Herstellung der Schale ausgehend von dieser Vermessung gefolgt wird.

Die Anwesenheit des Trägers ist somit nur für die vorhergehende Vermessung erforderlich, sie ist nicht erforderlich für die Herstellung der Innenschale. Die Belastungen für den Träger sind weit weniger hoch, und die Probleme, die durch die direkte Einspritzung des Schaums auf den Kopf des Trägers auftreten, sind nicht mehr vorhanden.

Die vorhergehende Vermessung erfolgt vorzugsweise mit einem optischen Meßverfahren, insbesondere mit einem Laserscanner, der sich um den Kopf des Anwenders dreht und dabei die Entfernungen zwischen diesem Scanner und Punkten des Kopfes aufnimmt, um in Form von numerischen Daten die Form des Kopfes zu erhalten.

Da die Position der Augen des Anwenders sehr wichtig ist, wird eine solche Aufnahme vorzugsweise durch eine genaue Vermessung der Position der Augen des Trägers ergänzt, um die Vermessung in digitaler Form darzustellen. Diese Vermessung der Position der Augen erfolgt vorzugsweise mit Hilfe optischer Mittel.

Ausgehend von der Vermessung der Form läßt sich die innere Oberfläche der Innenschale des Helms bearbeiten oder mit Hilfe einer Form bilden, um die Personalisierung zu schaffen, das heißt, daß man entweder die Innenschale selbst oder eine personalisierte Einlage bearbeitet oder formt, welche sich in eine Standard-Innenschale einfügt, um sie zu ergänzen.

Die Erfindung wird leichter verständlich durch das Lesen der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1, wie schon beschrieben, eine allgemeine Skizze eines Pilotenhelms mit Visier;

Fig. 2, wie ebenfalls schon beschrieben, eine Ausführungsform eines Helms nach dem Stand der Technik;

Fig. 3, wie ebenfalls schon beschrieben, einen Helm mit einer personalisierten Einlage beim Gebrauch;

Fig. 4 eine Vorrichtung zur Vermessung der Form des Kopfes, die eine digitale Vermessung liefert, indem ein Meßapparat um den Kopf gedreht wird; und

Fig. 5 eine Gußform für eine personalisierte Einlage, mit ihren Standardteilen und ihrer personalisierten Innenform.

Der bevorzugte Umsetzung der Erfindung wird im folgenden beschrieben. Bei dieser Umsetzung wird eine personalisierte Einlage zum Einsetzen zwischen den Kopf und die stoßfeste Standardschale (nicht personalisiert) des Helms hergestellt. Es ist jedoch klar, daß man auch direkt eine stoßfeste, personalisierte Schale herstellen könnte.

Fig. 3 stellt einen Helm auf dem Kopf seines Trägers 36 dar, mit seiner Haube 30 und seiner Standard-Innenschale 31, in der mit Hilfe von Positionierstiften 32 und 33 eine Einlage angeordnet ist, die aus einem Schaumstoff 34 mit einer Beflockung 35 auf der Seite des Kopfes des Trägers gebildet ist. Mit einem solchen Helm ist die Personalisierung auf die der Einlage beschränkt.

Fig. 4 stellt die bevorzugte Umsetzung der Erfindung dar. Bei dieser Umsetzung ist die Vermessung der Form des Kopfes des Trägers eine kontaktlose digitale Vermessung, wie zum Beispiel eine zweidimensionale digitale Vermessung, die man mit einem 3D-Scanner erhält, der die von einem ebenen Laserbündel gebildeten Profile digitalisiert.

Eine solche Vermessung der Form eines Kopfes kann aus einer Digitalisierung der Meridiane bestehen, die durch den Laser beleuchtet und mit einer Kamera in einem drehbaren Digitalisierungskopf 52 aufgenommen werden, der sich um eine vertikale Achse 53 einer festen Plattform 55 dreht.

Um die Digitalisierung der Form des Kopfes durch einen solchen Scanner zu erleichtern, trägt der Träger zum Beispiel eine dünne, elastische Haube, die dazu dient, die Haare so an den Schädel anzulegen, wie es der Helm machen würde, und die eine Farbe und eine Oberflächenbeschaffenheit aufweist, die an den Scanner angepaßt sind.

Der Träger wird dann in einen Sessel gesetzt, dessen Rückenlehne so geneigt ist, wie es dem Sitz des Flugzeugs entspricht. Der Träger nimmt eine natürliche Kopfhaltung an, indem er durch Betrachten seines Bildes in dem halbreflektierenden Spiegel 54, der sich vor ihm befindet, seinen Blick horizontal hält. Der Kopf wird durch eine Beißplatte, eine Kinnstütze oder eine ergonomische Nackenstütze, die entlang von sechs Freiheitsgraden einstellbar und mit dem Sessel verbunden ist, in einer unbeweglichen Position gehalten.

Der Sessel ist relativ zu der festen Plattform 55 beweglich, er wird in der horizontalen Ebene so verschoben, daß der Scheitel des Schädels der Person auf der mechanischen Drehachse 53 des Scanners liegt, dann in der Höhe eingestellt, um die Vermessung der Form zu optimieren und die Schattenbereiche zu reduzieren.

Die vollständige Digitalisierung des Kopfes kann mit einer Drehung des Scanners innerhalb von 15 Sekunden durchgeführt werden.

Die mittlere Auflösung dieser Digitalisierung liegt bei etwa 0,5 mm, und die Genauigkeit in der Größenordnung von 0,1 mm.

Die Sitzung wird abgeschlossen mit Messungen der räumlichen Koordinaten der Augen und möglicher anatomischer Punkte durch die Ausrichtung verschiedener Fernrohre.

Um eine genaue Positionierung des Sehfelds des Helms in Bezug auf das Auge des Trägers zu gestatten, mißt die Vorrichtung der Fig. 4 die Lage von jedem Augenmittelpunkt des Trägers in Bezug auf die feste Plattform 55.

Jedes der drei Ausrichtungsfernrohre 56, 57 und 58 ist auf einer linearen Schiene 59, 60 bzw. 61 mit digitaler Kodierung angeordnet, wobei diese Schienen die Messung zweier Koordinaten eines zu digitalisierenden Punktes des Trägers ermöglichen. Das System aus digitalen Schienen und Fernrohren ist zuvor mit Hilfe einer Eichprobe räumlich mit der Digitalisierungsmarkierung des Scanners in Übereinstimmung gebracht worden.

Der Träger hält mit Hilfe des halbreflektierenden Spiegels 54, der sich vor ihm befindet, seinen Blick fixiert.

Ein Fernrohr 56 ist vor dem Gesicht des Trägers angeordnet und gestattet es einer Bedieungsperson, die Koordinaten der Augen des Trägers in der Höhe und in der Breite aufzunehmen, indem er die Position dieses Fernrohrs eingestellt.

Die beiden weiteren Fernrohre 57 und 58, die senkrecht zu dem Fernrohr 56 sind, sind beiderseits des Trägers angeordnet, damit die Bedienungsperson einerseits durch Einstellung der Position des Ausrichtungsfernrohrs 57 das Tiefenmaß des linken Auges und andererseits durch Einstellung des Fernrohrs 58 das des rechten Auges mißt.

Die Digitalisierung des Kopfes des Trägers wird dann dazu verwendet, um die oben definierte personalisierte Einlage sowie innere Elemente des Helms wie zum Beispiel die Position der Kopfhörer herzustellen.

Diese Digitalisierung kann von einer NC-Bearbeitungsmaschine verwendet werden, um eine Innenform der Einlage herzustellen.

Eine Ausführung einer Form für die Einlage ist in Fig. 5 dargestellt und umfaßt einerseits einen Standardsockel 63, in den sich eine personalisierte Innenform 64 einfügt, und andererseits eine äußere Standardform 65, die der Innenform der stoßfesten Standardschale des Helms entspricht.

Die Innenform weist eine Standardinnenseite 67 auf, die es gestattet, sie präzise in Bezug auf den Sockel 63 zu positionieren, und eine personalisierte Außenseite 66, die die Form des Kopfes des Trägers aufweist. Die Außenform 65 paßt sich ari den Sockel an, derart, daß man einen Raum erhält, der der Einlage zwischen der Außenform 65 und der Innenform 64 entspricht. Die Einlage wird dann durch Einspritzen durch die Öffnung 68 hergestellt, wenn die beiden Formen 65 und 64 auf dem Sockel 63 arretiert sind. Zentrierstifte sind während dieses Formvorgangs durch Füllen der Hohlräume 69 und 70 auf der Einlage ausgebildet.

Die Einlage kann auch aus einem Schaumstoffblock hergestellt werden, durch Bearbeitung mit Hilfe einer NC-Maschine, die die obige Digitalisierung ausnutzt, gefolgt von einer Verkleidung mit einer abschließenden bequemen Auskleidung.

Nach der Herstellung wird die personalisierte Einlage in einen Standardhelm eingesetzt.

Ein solches Herstellungsverfahren für einen Helm gestattet die Herstellung eines Helmes mit integriertem Sehfeld, das an den Träger angepaßt ist, ohne eine mechanische Einstellvorrichtung für das Sehfeld hinzuzufügen.

Es ermöglicht die räumliche und zeitliche Trennung der beiden wesentlichen Fertigungsschritte, die zum einen aus der Vermessung der Form des Kopfes und zum anderen aus der Herstellung der personalisierten Einlage bestehen.

Die in der bevorzugten Umsetzung der Erfindung beschriebene Vermessung der Form ist für den Träger geeignet und wenig belastend, da kein Druck auf den Kopf ausgeübt wird wie es bei der Herstellung der Einlage durch direktes Abformen an dem Kopf des Trägers selbst der Fall ist, wobei die Immobilisierung ohne Schmerzen durch eine einfache Beißplatte gesichert ist, ohne Abnahme eines Gebißabdrucks.

Die notwendige Vermessung der Form des Kopfes beschränkt sich insbesondere auf die Vermessung des Kopfbereiches, der zur Bildung der personalisierten Einlage herangezogen wird.

Der erste Schritt erfordert eine auf einige zehn Minuten begrenzte Anwesenheit des Trägers, und für eine größere Bequemlichkeit kann eine Vorrichtung zur Vermessung der Form des Kopfes zum Beispiel in einem Lastwagen angebracht werden, um eine Durchführung der Vermessungen am Arbeitsplatz der Träger der Helme zu ermöglichen.

Der zweite Schritt wird ohne den Träger durchgeführt, zum Beispiel im Fertigungsbetrieb, da die Einstellung des Helmes auf den Kopf des Trägers in dem ersten Schritt festgelegt ist.

Wechseleinlagen können auf Nachfrage geliefert werden, ohne daß es der Anwesenheit des Trägers bedarf.

Ebenso ist es möglich, bei der Herstellung der Einlage Wahlmöglichkeiten aufzunehmen, ohne die Abnahme der Form zu wiederholen, wie zum Beispiel die Wahl des Materials der Einlage, die Wahl des Abdeckungsgewebes, die Wahl des Helmtyps oder sogar die Wahl der Position des Sehfelds in der Nickachse.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Tatsache, daß die vorherige Vermessung der Form eine Vorausbestimmung der Materialmenge ermöglicht, die zur Herstellung der personalisierten Schale einzuspritzen ist.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Herstellung eines Helmes mit einer personalisierten Innenschale, die das Positionieren des Helms auf dem Kopf des Trägers sichert, gekennzeichnet durch eine vorhergehende Vermessung des Kopfes des Trägers durch eine kontaktlose Meßvorrichtung, wobei die vorhergehende Vermessung von der Herstellung der personalisierten Schale ausgehend von dieser Vermessung gefolgt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorhergehende Vermessung der Form des Kopfes des Trägers mit Hilfe eines optischen 3D-Scanners erfolgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die personalisierte Schale mit Hilfe einer NC-Maschine aufgrund der vorhergehenden Vermessung der Form bearbeitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die personalisierte Schale eine Standardschale aufweist, in welche eine personalisierte Einlage eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die personalisierte Schale eine Form nach der vorhergehenden Vermessung hergestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die personalisierte Einlage eine Form nach der vorhergehenden Vermessung hergestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß während der vorhergehenden Vermessung die Stellung der Augen des Benutzers in den drei Dimensionen vermessen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung der Augen durch eine Vorrichtung gemessen wird, die mindestens die Koordinaten der Augen bezüglich der Höhe und der Breite sowie die Tiefe jedes einzelnen Auges aufnimmt.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung der Augen durch eine optische Vorrichtung vermessen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf während der Vermessung der Form und der Augenstellung festgehalten wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Helm eine integrierte Anzeigevorrichtung aufweist, die ein sehr genaues Positionieren bezüglich der Augen des Trägers erfordert.







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