CN106968904A - 一种应用于背包的馈能式机械护具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于背包的馈能式机械护具，该机械护具是由一条与人体紧密贴合的护腰带和布置在腰带中间的机械馈能减振装置组成。馈能减振装置能够将人体在负重行进过程中与背包的相对振动机械能转化为电能并储存起来。同时，能够将背包施加给人体肩部的压力的一部分分解到腰部，以改善背包与人体之间的力学关系。馈能减振装置由弹簧、机械传动机构和发电机构等组成。系统所需要的阻尼力主要由发电机工作时产生的反电动势提供，通过调节发电机的工作状态可以实现人体与背包之间动力学关系的主动控制。系统收集的电能可用于照明、无线通信等负载所需的关键能量。该机械护具具有体积小、重量轻、穿戴方便等特点，适用于各种类型的背包。

Description

一种应用于背包的馈能式机械护具

技术领域

本发明涉及一种行走能量采集发电装置，特别是涉及一种在人体负重运动过程中收集人体与背包相对振动的机械能并将所收集的机械能转化为可用电能的机械护具。

背景技术

背包作为一种普遍式负载运输方式，常发生在学生上学、野外求生、军事行军及登山训练等过程。但携带过多的行李会增加人体的负重，人体负重过大或负重时间过长都会导致肩部损伤。根据相关研究结果表示，人体肩部的疲劳感是一个不断累积增加的过程，即人体在处于负重状态下时肩部的压力累积随着时间的推移而不断增加。此外，肩部的压力累积还与负重大小成正比。人体在背负25kg负重的情况下，51分钟后人体肩部的累积压力便达到155N。据报道，青少年低背痛、脊柱侧弯、过度驼背和前凸等肌骨系统疾病与背包负重密切相关。同时，儿童、青少年时期由于背包负重量过大而导致的背痛还会对其成年后的肌骨系统健康造成影响。

相关研究表明，人体每天消耗的能量可达1.07e⁷J。这些能量有相当大的一部分是由于在行走或奔跑过程中人体重心不断地波动，使得人体需要克服地球的引力做功而消耗的，这一部分能量消耗是无法避免的。当人体处于负重状态下时，由于人体的重心波动，会使得背包也难以静止，而背包并不是与人体重心的运动保持同步的，背包的运动相对于人体重心的波动有滞后的特性，这使得背包与人体间产生相对运动。背包运动的机械能来自于人体，最终都是人体克服万有引力做功消耗能量，这不仅增加了人体肩部的压力，也使得人体由于背负背包需要消耗更多的能量。

据检索，目前已有将行走能量采集发电的背包装置，如公开号为CN201173169Y 的中国专利申请公开了一种背包式发电装置，包括一发电模块、一发电机及一背包，发电模块由二组加速齿轮与一齿条所组成，发电模块与发电机的整体结构组合于背包背带上，背负背包行走时产生的自然上下律动，令发电机发电。

又如公开号CN102562498A 的中国专利申请公开了一种悬挂运动式发电装置和包含该装置的背包，其包括悬挂于运动体上的悬挂单元、获取运动体活动或运动过程中产生的运动动能的缓冲单元、用于传递所述运动动能的传动单元，以及发电单元，传动单元将缓冲单元获取的运动动能传递至发电单元，发电单元将传动单元传递的运动动能转化为电能。

上述两种对行走能量采集发电背包的技术方案均存在不足之处，第一种技术方案的装置其发电量只能在一个非常微小的量级，且该装置对于装配精度的要求高，导致制造成本高，且润滑不方便，并易出现齿轮错位等故障；另外该装置没有能量存储模块和电压稳定模块，发出来的电能既不能储存也不能直接利用。第二种技术方案的装置利用悬挂体运动直接发电，会增加行走过程中的颠簸，影响背包的舒适性，而悬挂体本身具有不小的重量，增加人体行动负担，造成得不偿失的困扰。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种应用于背包的馈能式机械护具，该机械护具可改善负重运动过程中人体与背包之间的动力学关系，减轻人体肩部的压力，同时收集背包与人体相对振动的能量。该机械护具可应用于各种不同类型的背包，且能向多种电子设备提供电力。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案是：

一种应用于背包的馈能式机械护具，其特征在于包括：将人体腰部横向锁扣并与人体紧密贴合的柔性护腰带，以及连接在柔性护腰带中间并位于人体背部位置的机械馈能减振装置，机械馈能减振装置的壳体至少与人体接触的部位为柔性体；所述机械馈能减振装置的壳体中设置有弹簧、导向机构、机械传动装置、机械整流机构、激励传递机构、发电机和电源管理模块；弹簧竖向设置且上端固定于壳体上而下端固定于导向机构上，背包沿竖向施加载荷于激励传递机构而通过导向机构竖向拉伸弹簧，与此同时导向机构带动机械传动装置将背包的竖向运动转化为机械传动装置的旋转运动，所述机械传动装置通过机械整流机构与发电机连接，并将设定方向的旋转运动通过发电机转化为电能，发电机与电源管理模块连接并通过电源管理模块接收并储存电能。

上述技术方案中，激励传递机构包括竖向形成套接管的至少两个管体，套接管顶端与导向机构固定连接，套接管底端连接背包托架；导向机构上设置所述机械传动装置，所述机械传动装置包括滚珠丝杆机构和机械整流机构，滚珠丝杆机构至少包括滚珠螺母、丝杆轴，滚珠螺母固定在导向机构上，丝杆轴底端穿过滚珠螺母中心后连接整机械整流机构。

上述技术方案中，所述背包托架可翻转的连接在套接管底端，机械馈能减振装置的壳体外表面上设有托架收纳空间，背包托架在闲置状态时能够旋转收回所述托架收纳空间;套接管底端设置限位挡板，所述限位挡板用于限制背包托架的翻转角度大小。

上述技术方案中，机械整流机构包括一个整流齿轮箱和整流齿轮箱中的三个齿轮，其中，丝杆轴齿轮通过中间轴齿轮与发电机轴齿轮啮合将转动传递给发电机轴齿轮；与丝杆轴输出端相配合的丝杆轴齿轮内装有单向离合器，所述单向离合器使电机能够在同一方向上连续转动。

上述技术方案中，套接管中心设置弹性绳，弹性绳的上端定位于套接管顶端并能够通过长度改变调节导向机构与背包托架的竖向距离。

上述技术方案中，套接管的两个管体通过锁紧机构锁紧固定。

上述技术方案中，套接管的两个管体直径不同。

上述技术方案中，所述机械馈能减振装置的壳体外型呈与人体背部相适应的曲面状，壳体至少与人体接触的部位为泡沫塑料组成。

上述技术方案中，电能管理模块包括整流调压电路和锂电池以及输出端口；整流调压电路包括输入端与输出端，输入端与发电机连接，将整流调压电路的输入电压调节至锂电池的充电电压范围内；输出端与锂电池连接，将整流调压电路的输出电压调节至用电设备的额定电压范围内。

上述技术方案中，电源管理模块设置不同的输出端口以匹配不同的随身用电设备。

机械传动装置采用滚珠丝杆机构与一组整流齿轮箱，整流齿轮箱内含单向离合器。由激励传递机构输入的背包振动激励直接传递给导向连接板，通过滚珠丝杆机构的逆向驱动作用，由滚珠螺母的上下运动带动丝杆轴的转动。

机械护具放置不用时，在弹簧合页的作用下支撑板收起，机械护具处于合紧状态；使用时，将支撑板翻转至水平位置，在背包负重的作用下支撑板将保持水平位置不动。

进一步地，通过整流齿轮箱中的单向离合器与齿轮（优选直齿圆柱齿轮）将动力传给电机输入轴，从而实现了从机械能到电能的转化。

机械馈能减振装置内置减压弹簧，上端通过导向连接板限制其纵向伸缩，在滚珠螺母随背包上下运动时弹簧能够随之伸缩；背包相对于人体向下运动时，弹簧存储弹性势能，减轻背包在运动过程中对人体的冲击，从而减轻人体肩部的压力；在背包相对于人体向上运动时，人体肩部的压力较小，通过机械护具内部发电机工作时产生的电磁阻尼减缓肩部压力，弹簧由支承座定位，避免其产生横向位移。

综上所述，相对于现有技术，本发明的应用于背包的馈能式机械护具能够将背包施加给人体肩部的压力的一部分分解到腰部，以改善背包与人体之间的受力关系，同时通过机械护具能够将人体在负重行进过程中与背包的相对振动机械能转化为电能，该机械护具可被用于向多种电子设备提供电能。

附图说明

图1是本发明应用于背包的馈能式机械护具的立体结构示意图；

图2是本发明应用于背包的馈能式机械护具中激励传递机构、导向机构、机械传动装置、发电机、电能管理模块装配机构示意图；

图3是本发明应用于背包的馈能式机械护具的整流齿轮箱内部结构放大俯视图；

图4是本发明应用于背包的馈能式机械护具的整流齿轮箱内部结构放大仰视图；

图5是本发明应用于背包的馈能式机械护具的激励传递机构结构示意图；

图6是本发明应用于背包的馈能式机械护具的激励传递机构内部结构剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。请参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6，本发明实施例包括：

一种应用于背包的馈能式机械护具，该机械护具是由一条与人体紧密贴合的柔性护腰带和布置在柔性护腰带中间的机械馈能减振装置组成。该机械护具能够将背包施加给人体肩部的压力的一部分分解到腰部，以改善背包与人体之间的受力关系，同时能够将人体在行进的过程中与背包的相对振动机械能转化为电能并储存起来，系统收集的电能可用于照明、无线通信、生命维持等负载所需的关键能量。

如图1所示，柔性护腰带由腰带2和泡沫塑料1组成，泡沫塑料1中间镂空，机械馈能减振装置置于泡沫塑料1中，泡沫塑料1外型呈曲面状，表面包裹有弹性材料，能够更好地贴合人体背部。

如图2，馈能式减振装置由箱体、弹簧17、导向机构、滚珠丝杆机构、机械整流机构、激励传递机构、发电机6和电源管理模块18组成。馈能式减振装置通过箱体背板固定在泡沫塑料1 上，弹簧17竖直设置在导向连接板13上并通过弹簧竖直两端设置的支承座16定位，避免弹簧产生横向位移。弹簧17顶端的支承座16固定在箱体背板上。

导向机构包括线性导轨15、滑块14和导向连接板13。滑块14与线性导轨15相配合而在线性导轨15上滑动。线性导轨15沿竖直方向固定在箱体的其中一个侧面。导向连接板13呈L型，L型的竖直方向板与滑块14连接，L型的水平方向板上分别固定激励传递机构和滚珠丝杆机构的相应端。

如图2和3，滚珠丝杆机构包括滚珠螺母5、丝杆轴4、固定侧轴承座3和支撑端轴承19。固定侧轴承座3固定在箱体背板上。滚珠螺母5固定在导向连接板13的水平方向板上。丝杆轴4底端穿过滚珠螺母5中心后通过支撑端轴承19旋转支承。支撑端轴承19固定在箱体的一个悬置横梁上。悬置横梁与导向连接板13的水平方向板平行设置。丝杆轴4穿过悬置横梁后连接整流齿轮箱7。

如图2-4，机械整流机构由设置在整流齿轮箱7中的三个相同的齿轮（丝杆轴齿轮21、中间轴齿轮23、发电机轴齿轮25）构成，与丝杆轴4输出端相配合的丝杆轴齿轮21内装有单向离合器22，从而使电机能够在同一方向上连续转动。丝杆轴齿轮21通过中间轴齿轮23将转动传递给发电机轴齿轮25。

整流齿轮箱7与馈能式减振装置的箱体壁接触部分之间涂抹有密封胶保证密封性。

如图3和4，中间轴齿轮23与发电机轴齿轮25下端采用卡簧24定位，上端布置有密封垫片26，中间轴由悬置横梁上的一对轴承20定位，图3中标示其中一个轴承20。

如图2、5和6，激励传递机构包括两直径不同并可伸缩调整长度的套接铝管（上端铝管12和下端铝管27）、弹性皮筋29、锁紧机构11、翻转式支撑板10、弹簧合页9和插销28与30，翻转式支撑板10的两侧臂与翻转页板之间通过弹簧合页9可旋转的连接；翻转式支撑板10的翻转页板设有限位挡板8。

激励传递机构翻转式支撑板10的两侧臂布置有滚花31（参见图1和6），限制背包在除了上端铝管12和下端铝管27所在方向以外的其他方向运动，如图1中在工作时支撑板10的两侧臂相对于泡沫塑料1向外伸出以承载背包，在闲置时支撑板10的两侧臂可旋转回收到泡沫塑料1外侧面的两收纳槽中。

上端铝管12的顶端外部布置有外螺纹，与导向连接板13的内螺纹相配合而与导向连接板13固定连接；下端铝管27与翻转式支撑板10的翻转页板焊接。

两直径不同的铝管（上端铝管12和下端铝管27）相互嵌套（图6的上端铝管12未示出，本实施例中选择上端铝管12较粗，下端铝管27较细，也可以下端较粗上端较细），锁紧机构11包覆在上端铝管12下端头并能够沿下端铝管27滑动而将上端铝管12锁定在下端铝管27上。上端铝管12和下端铝管27的中空管体内部设有至少一根弹性绳29，弹性绳29两端均分别系在第一插销28和第二插销30上，上端铝管12与导向连接板13配合处铣有定位槽，第一插销28置于上端铝管12的所述定位槽中。下端铝管27与支撑板10焊接处开一小孔并铣有定位槽，第二插销30同样置于下端铝管27的定位槽中。

工作时，支撑板10的两侧臂展开与竖直方向成大约90度，将背包放置于支撑板10的两侧臂上，背包将相对于人体而上下振动，在机构内部弹簧17和背包的作用下，支撑板10的两侧臂将随之上下运动，由于支撑板10的翻转页板与导向连接板13的刚性连接关系，导向连接板13将在同一方向上下运动，弹簧17由支承座16定位，避免其产生横向位移。

通过导向连接板13将上下方向运动传递给与导向连接板13固定连接的滚珠螺母5，逆向驱动丝杆4旋转，从而将上下方向直线运动转化为旋转运动。

背包与人体的相对振动过程分作向上与向下两个阶段，通过单向离合器22收集单一方向的振动能量，使电机能在同一方向连续转动而不变向。经过机械整流之后的电能在充电模块中进行进一步的滤波调压，使输出电压稳定在锂电池的充电电压范围内。

机械馈能减振装置所需要的阻尼力主要由发电机工作时产生的反电动势提供，通过调节发电机的工作状态可以实现人体与背包之间动力学关系的主动控制。

电源管理模块18包括整流调压电路与锂电池，整流调压电路含可变负载，对于不同重量的背包可以调节负载大小，进而改变机械的发电效率，使得该机械护具的发电效率始终维持在一较高范围。

由于背包竖直方向尺寸不同或重量变化需要更换背包时，先卸下背包，然后锁紧机构11松开，使支撑板10在弹性绳29和弹簧17的作用下沿竖直方向回复至初始位置；再将锁紧机构11锁紧，更换其他背包，将背包放置于支撑板10的两侧臂上，使支撑板10在背包和内部弹簧17的作用下到达新的平衡位置；进一步地，可松开锁紧机构11，使支撑板10在背包、弹性绳28和弹簧17的共同作用下对支撑板10的位置做进一步微调；最后将锁紧机构11锁紧。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种应用于背包的馈能式机械护具，其特征在于包括：将人体腰部横向锁扣并与人体紧密贴合的柔性护腰带，以及连接在柔性护腰带中间并位于人体背部位置的机械馈能减振装置，机械馈能减振装置的壳体至少与人体接触的部位为柔性体；所述机械馈能减振装置的壳体中设置有弹簧、导向机构、机械传动装置、机械整流机构、激励传递机构、发电机和电源管理模块；弹簧竖向设置且上端固定于壳体上而下端固定于导向机构上，背包沿竖向施加载荷于激励传递机构而通过导向机构竖向拉伸弹簧，与此同时导向机构带动机械传动装置将背包的竖向运动转化为机械传动装置的旋转运动，所述机械传动装置通过机械整流机构与发电机连接，并将设定方向的旋转运动通过发电机转化为电能，发电机与电源管理模块连接并通过电源管理模块接收并储存电能。

2.根据权利要求1所述的应用于背包的馈能式机械护具，其特征在于激励传递机构包括竖向形成套接管的至少两个管体，套接管顶端与导向机构固定连接，套接管底端连接背包托架；导向机构上设置所述机械传动装置，所述机械传动装置包括滚珠丝杆机构和机械整流机构，滚珠丝杆机构至少包括滚珠螺母、丝杆轴，滚珠螺母固定在导向机构上，丝杆轴底端穿过滚珠螺母中心后连接整机械整流机构。

3.根据权利要求1所述的应用于背包的馈能式机械护具，其特征在于所述背包托架可翻转的连接在套接管底端，机械馈能减振装置的壳体外表面上设有托架收纳空间，背包托架在闲置状态时能够旋转收回所述托架收纳空间；套接管底端设置限位挡板，所述限位挡板用于限制背包托架的翻转角度大小。

4.根据权利要求1所述的应用于背包的馈能式机械护具，其特征在于机械整流机构包括一个整流齿轮箱和整流齿轮箱中的三个齿轮，其中，丝杆轴齿轮通过中间轴齿轮与发电机轴齿轮啮合将转动传递给发电机轴齿轮；与丝杆轴输出端相配合的丝杆轴齿轮内装有单向离合器，所述单向离合器使电机能够在同一方向上连续转动。

5.根据权利要求2所述的应用于背包的馈能式机械护具，其特征在于套接管中心设置弹性绳，弹性绳的上端定位于套接管顶端并能够通过长度改变调节导向机构与背包托架的竖向距离。

6.根据权利要求2所述的应用于背包的馈能式机械护具，其特征在于套接管的两个管体通过锁紧机构锁紧固定。

7.根据权利要求2或5或6所述的应用于背包的馈能式机械护具，其特征在于套接管的两个管体直径不同。

8.根据权利要求1-7之一所述的应用于背包的馈能式机械护具，其特征在于所述机械馈能减振装置的壳体外型呈与人体背部相适应的曲面状，壳体至少与人体接触的部位为泡沫塑料组成。

9.根据权利要求1-7之一所述的应用于背包的馈能式机械护具，其特征在于电能管理模块包括整流调压电路和锂电池以及输出端口；整流调压电路包括输入端与输出端，输入端与发电机连接，将整流调压电路的输入电压调节至锂电池的充电电压范围内；输出端与锂电池连接，将整流调压电路的输出电压调节至用电设备的额定电压范围内。

10.根据权利要求9所述的应用于背包的馈能式机械护具，其特征在于电源管理模块设置不同的输出端口以匹配不同的随身用电设备。