CN112043067B - 一种基于气动人工肌肉智能减负柔性悬浮背包 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于气动人工肌肉智能减负柔性悬浮背包，包括承载重物的背包本体、与身体连接的身体背带装置以及用来连接两者的PAM智能柔性连接系统，背包本体通过PAM智能柔性连接系统能够实现相对于身体背带装置的旋转和上下滑动，在有限空间内，在可变换的负载增量下，当背包本体相对身体背带装置滑动和旋转时，PAM智能柔性连接系统能够自行检测负载和人行动的加速度，分析后自动调整气动人工肌肉伸缩量，使PAM元件伸缩反方向运动达到背包本体和身体背带装置相位频率差，达到智能减负效果。本发明可以在人体行走、跑步和转弯等不同时段通过智能调节PAM元件伸缩达到智能减负效果。

Description

一种基于气动人工肌肉智能减负柔性悬浮背包

技术领域

本发明涉及一种智能减负背包，更具体地说，涉及一种基于气动人工肌肉智能减负柔性悬浮背包。

背景技术

随着科学技术的不断发展，人们对可穿戴设备的舒适性和安全性有了更多的要求。背包作为一种普遍的穿戴设备服务于人类各个方面，有民用的家庭背包，有军用的特种背包。无论是哪种背包在装载较重负载的时候由于人体在行走或奔跑时重心上下移动导致背包无法与人体十分地贴合而产生相对运动。这种相对运动产生的惯性冲击对人体本身造成了额外的耗能。

当背着普通背包行走或跑步或转弯时，背包作用在身体上的力除了背包的重力外，还会有背包的加速度力以及质心不在同一点。加速度力最大可以比重力大2-3倍。因此行走或跑步时关节会比静止时承受更大的力，肌肉和关节更容易受到损伤，人们在长时间背包行走时会非常乏力。

如何有效减轻背包对人体的各个关节损伤，已成为各国研究的重点课题。

目前不管是国内还是国外研究的悬浮减负背包采用的原理基本一致，利用弹力绳和滑轮或类似的结构作为柔性连接系统，存在结构复杂、占用空间大、减负效果有限的缺陷。

气动人工肌肉是种功率重量比大，柔性好，制造使用都很简便的新型执行器，在国外的许多机器人研究中得到成功应用。气动人工肌肉结构其内部是弹性很好的橡胶管，外部为层高强度的纤维编制网。当充气体时，气动人工肌肉径向膨胀，同时引起轴向收缩。如果气动人工肌肉使其一端连接负载，就可以靠收缩产生的力驱动负载。

针对上述现有技术中拉伸连接系统结构复杂、占用空间大、减负效果有限的缺点结合气动人工肌肉，本发明设计了一种基于气动人工肌肉智能减负柔性悬浮背包，能根据人体行走或者跑步或者转弯时背包负载引起相位频率来智能调整背包的相位频率达到最佳的减负效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于气动人工肌肉智能减负柔性悬浮背包，以解决现有技术的不足。

本发明采用以下技术方案：

一种基于气动人工肌肉智能减负柔性悬浮背包，包括承载重物的背包本体、与身体连接的身体背带装置以及用来连接两者的PAM智能柔性连接系统，背包本体通过PAM智能柔性连接系统能够实现相对于身体背带装置的旋转和上下滑动；

所述背包本体包括包体、软衬条和连接板，软衬条设于包体内侧和连接板之间，包体内侧、软衬条、连接板三者固定连接；连接板与PAM智能柔性连接系统的平面旋转轴承的前端固定连接；

所述身体背带装置包括背带、衬垫和交叉支撑杆，衬垫包括上衬垫和下衬垫，分别设于交叉支撑杆的上端和下端，背带设置在衬垫上或者设置在交叉支撑杆上；

所述PAM智能柔性连接系统包括PAM组件、支撑杆、导轨组件、轴承组件、智能控制盒、电池块，PAM组件包括多个PAM元件，PAM元件是气动人工肌肉，PAM元件数量为偶数个，左右对称分布，PAM元件一端固定在PAM智能柔性连接系统的固定结构上，另一端固定在背包本体的连接板上；导轨组件包括两个导轨和四个滑块，两个导轨分别位于支撑杆靠中间的左、右两侧，每个导轨内均设置有两个滑块；所述轴承组件包括轴承连接件和平面旋转轴承，轴承连接件后端连接四个滑块，轴承连接件前端连接平面旋转轴承后端；智能控制盒包括第一MPU、第二MPU、主控制板、多个电磁阀、微型压缩气泵、储气盒和智能控制盒盒体及盖子，第一MPU安装在背包本体的包体中间开设的方口内，第二MPU安装在身体背带装置的下衬垫中间开设的方口内，第一MPU、第二MPU分别和主控制板通信连接，电磁阀数量和PAM元件数量匹配，电磁阀为一进两出的电磁阀，进气口和储气盒连接，两出气口分别通过气管连接两左右对称设置的PAM元件，电磁阀和主控制板通信连接，储气盒和微型压缩气泵连接，主控制板、电磁阀、储气盒和微型压缩气泵设置于智能控制盒盒体内，智能控制盒盖子盖设于智能控制盒盒体上；两个导轨的上端分别固定连接在支撑杆靠中间左、右两侧，两个导轨的下端插入智能控制盒上面靠中间的两方口，并和智能控制盒固定连接，电池块电源接口在下方，电池块下端插入智能控制盒上面中间的方口，并与两导轨固定连接；支撑杆和智能控制盒分别与身体背带装置的交叉支撑杆的上端、下端固定连接；

PAM元件初始状态为充气状态，具有预紧力；安装在包体上的第一MPU收集包体及重物的加速度值，安装在下衬垫上的第二MPU收集人行动时即身体背带装置的加速度值，主控制板接收两块MPU的波段，分析出相位频率差，控制电磁阀的开闭，使PAM元件伸缩反方向运动达到背包本体和身体背带装置相位频率差，达到智能减负效果。

进一步地，PAM组件包括4或6个PAM元件。

进一步地，PAM组件包括4个PAM元件，4个PAM元件分布为上面两个下面两个，上面两个PAM元件上端分别和支撑杆左端、右端固定连接，下端分别和连接板中间靠上左侧、右侧固定连接，下面两个PAM元件下端分别和智能控制盒左端、右端固定连接，上端分别和连接板中间靠下左侧、右侧固定连接，上面两个PAM元件规格为10mm粗，下面两个PAM元件规格为5mm粗。

进一步地，PAM元件在充气后可进一步压缩长度至少为5cm。

进一步地，PAM元件由编制网和软气管制成。

进一步地，软衬条为左右两侧各一条。

进一步地，衬垫为高密度编织布衬垫。

进一步地，身体背带装置还包括腰带。

进一步地，导轨上下两端均设有橡胶垫，滑块上下两端均设有减速阻尼装置。

进一步地，连接板、交叉支撑杆、支撑杆、导轨、滑块、轴承连接件、平面旋转轴承、智能控制盒盒体及盖子为铝合金材质；软衬条为橡胶材质。

本发明的有益效果：

1、本发明智能减负柔性悬浮背包包括承载重物的背包本体、与身体连接的身体背带装置以及用来连接两者的PAM智能柔性连接系统，背包本体通过PAM智能柔性连接系统能够实现相对于身体背带装置的旋转和上下滑动，PAM智能柔性连接系统为具有智能调节PAM元件伸缩长度系统，在有限空间内，在可变换的负载增量下，当背包本体相对身体背带装置滑动和旋转时，PAM智能柔性连接系统能够自行检测负载和人行动的加速度，分析后自动调整气动人工肌肉伸缩量，使PAM元件伸缩反方向运动达到背包本体和身体背带装置相位频率差，达到智能减负效果。本发明可以在人体行走、跑步和转弯等不同时段通过智能调节PAM元件伸缩达到智能减负效果。

2、本发明PAM智能柔性连接系统所需的PAM元件位移量小，采用编制网和气管制成，穿戴舒适，且占用空间非常小，更为简洁舒适和美观。

附图说明

图1是本发明智能减负柔性悬浮背包的结构示意图，a和b是不同方位的结构示意图。

图2是本发明智能减负柔性悬浮背包的爆炸示意图。

图3是背包本体的爆炸示意图。

图4是身体背带装置的结构示意图(设有腰带，腰带和下衬垫设置在一起)。

图5是PAM智能柔性连接系统的结构示意图，a和b是不同方位的结构示意图。

图6是PAM智能柔性连接系统的爆炸示意图。

图7是PAM元件即气动人工肌肉的结构示意图，a和b是不同伸缩状态的结构示意图。

图8是智能控制盒的结构示意图。

图9是智能控制盒的爆炸示意图。

背包本体101、PAM智能柔性连接系统102、身体背带装置103、包体1、软衬条2、连接板3、导轨4、滑块5、轴承连接件6、平面旋转轴承7、电池块8、智能控制盒9、支撑杆10、背带11、衬垫12、交叉支撑杆13、PAM元件14、橡胶垫15、第一MPU111-1、第二MPU111-2、主控制板112、电磁阀113、微型压缩气泵114、储气盒115、智能控制盒盖子116。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

一种基于气动人工肌肉智能减负柔性悬浮背包，包括承载重物的背包本体101、与身体连接的身体背带装置103以及用来连接两者的PAM智能柔性连接系统102。背包本体101通过PAM智能柔性连接系统102能够实现相对于身体背带装置103的旋转和上下滑动。

所述背包本体101包括包体1、软衬条2和连接板3。软衬条2设于包体1内侧和连接板3之间，软衬条2材质可选为橡胶材质，软衬条2可设置为左右两侧各一条。包体1内侧、软衬条2、连接板3三者固定连接。连接板3与PAM智能柔性连接系统102的平面旋转轴承7的前端固定连接。连接板3优选为拓扑优化后的板，根据身体工程学效仿人体肌肉分布设计，或者为了便于拆卸，也可以是和两导轨4分布后尺寸差不多的一块板。连接板3材质可选为铝合金材质。

所述身体背带装置103包括背带11、衬垫12和交叉支撑杆13。衬垫12可为高密度编织布衬垫，满足支撑作用。衬垫12包括上衬垫和下衬垫，分别设于交叉支撑杆13的上端和下端。上衬垫和下衬垫优选符合人体工程学。背带11设置在衬垫12上或者设置在交叉支撑杆13上。优选利用拓扑优化技术优化交叉支撑杆13的结构并减轻交叉支撑杆13重量。交叉支撑杆13材质可选为铝合金材质。可选地，身体背带装置103还可包括腰带，腰带可和下衬垫设置一起，也可分开。

所述PAM智能柔性连接系统102包括PAM组件、支撑杆10、导轨组件、轴承组件、智能控制盒9、电池块。PAM组件包括多个PAM元件14。PAM元件14是气动人工肌肉，为进一步保证所述气动人工肌肉伸缩性及在工作范围内始终保持柔性连接，优选地，气动人工肌肉由编制网和软气管制成。PAM元件14数量为偶数个，优选地，为4个或6个，左右对称分布，以降低单个气动人工肌肉承受的负荷和调整气动人工肌肉的压缩系数，PAM元件14一端固定在PAM智能柔性连接系统102的固定结构上，另一端固定在背包本体101的连接板3上。优选地，左右对称的PAM元件14规格相同，从上至下，PAM元件14规格由粗至细。在一些实施例中，PAM组件为4个PAM元件14，4个PAM元件14分布为上面两个下面两个；上面两个PAM元件14上端分别和支撑杆10左端、右端固定连接，下端分别和连接板3中间靠上左侧、右侧固定连接；下面两个PAM元件14下端分别和智能控制盒9左端、右端固定连接，上端分别和连接板3中间靠下左侧、右侧固定连接；上面两个PAM元件14规格为10mm粗(如费斯托Festo，气动肌腱DMSP-10-80N-RM-CM)，下面两个PAM元件14规格为5mm粗(如费斯托Festo，气动肌腱DMSP-5-50N-RM-CM)；PAM元件14初始状态为充气状态，具有预紧力，优选地在充气后可进一步压缩长度至少为5cm。支撑杆10材质可选为铝合金材质。导轨组件包括两个导轨4和四个滑块5。导轨4和滑块5材质可选为铝合金材质。两个导轨4分别位于支撑杆10靠中间的左、右两侧，每个导轨4内均设置有两个滑块5。优选地，导轨4上下两端均设有橡胶垫15，滑块5上下两端均设有减速阻尼装置。本发明不需要在导轨4上设有锁止开关，可以直接通过锁死人工气动肌肉达到锁死效果。所述轴承组件包括轴承连接件6和平面旋转轴承7。轴承连接件6和平面旋转轴承7材质可选为铝合金材质。轴承连接件6后端连接四个滑块5，轴承连接件6前端连接平面旋转轴承7后端。智能控制盒9包括第一MPU111-1、第二MPU111-2、主控制板112、多个电磁阀113、微型压缩气泵114、储气盒115和智能控制盒9盒体及盖子116。第一MPU111-1、第二MPU111-2型号可为MPU6050，第一MPU111-1安装在背包本体101的包体1中间开设的方口内，第二MPU111-2安装在身体背带装置103的下衬垫中间开设的方口内。第一MPU111-1、第二MPU111-2分别和主控制板112通信连接。主控制板112型号可为ARM32。电磁阀113数量和PAM元件14数量匹配。电磁阀113为一进两出的电磁阀，进气口和储气盒115连接，两出气口分别通过气管连接两左右对称设置的PAM元件14。电磁阀113和主控制板112通信连接。储气盒115和微型压缩气泵114连接。储气盒115可以为气罐等有效储气装置，可根据实际情况选择或者定制，具体地，储气盒115可为铝合金定制材质，储气量0.5L。微型压缩气泵114可选为12v，能达到0.2Mpa，在需要给储气盒115供气时和外界供气装置连接。主控制板112、电磁阀113、储气盒115和微型压缩气泵114设置于智能控制盒9盒体内。智能控制盒盖子116盖设于智能控制盒9盒体上。智能控制盒9盒体及盖子116材质可选为铝合金材质。电池块8可选为5s锂电池块，电压为12v。两个导轨4的上端分别固定连接在支撑杆10靠中间左、右两侧，两个导轨4的下端插入智能控制盒9上面靠中间的两方口，并和智能控制盒9固定连接。电池块8电源接口在下方，电池块8下端插入智能控制盒9上面中间的方口，并与两导轨4固定连接，电池块8不高于导轨4的滑面，从而不影响滑块5在导轨4上滑动。支撑杆10和智能控制盒9分别与身体背带装置103的交叉支撑杆13的上端、下端固定连接，上衬垫和下衬垫分别覆盖于支撑杆10、智能控制盒9，以穿戴舒适。

PAM元件14初始状态为充气状态，具有预紧力；安装在包体1上的第一MPU111-1收集包体1及重物的加速度值，安装在下衬垫上的第二MPU111-2收集人行动时即身体背带装置103的加速度值，主控制板112接收两块MPU111-1、111-2的波段，分析出相位频率差，控制电磁阀113的开闭，使PAM元件14伸缩反方向运动达到背包本体101和身体背带装置103相位频率差，达到智能减负效果。具体控制算法可根据本领域的常规手段实现或者采取其它手段，因其不是本发明要求保护的内容，本发明在此不具体阐述。

本发明涉及的固定连接可采用本领域的常规手段实现，比如螺纹连接或其它方式实现。本发明PAM元件14和电磁阀113的连接气管分布，MPU111-1、111-2及主控制板112导线分布，电磁阀113及主控制板112导线分布未表示出可根据背包实际再选择走线。

Claims (7)

1.一种基于气动人工肌肉智能减负柔性悬浮背包，其特征在于，包括承载重物的背包本体、与身体连接的身体背带装置以及用来连接两者的PAM智能柔性连接系统，背包本体通过PAM智能柔性连接系统能够实现相对于身体背带装置的旋转和上下滑动；

所述背包本体包括包体、软衬条和连接板，软衬条设于包体内侧和连接板之间，包体内侧、软衬条、连接板三者固定连接；连接板与PAM智能柔性连接系统的平面旋转轴承的前端固定连接；

所述身体背带装置包括背带、衬垫和交叉支撑杆，衬垫包括上衬垫和下衬垫，分别设于交叉支撑杆的上端和下端，背带设置在衬垫上或者设置在交叉支撑杆上；

所述PAM智能柔性连接系统包括PAM组件、支撑杆、导轨组件、轴承组件、智能控制盒、电池块，PAM组件包括4个PAM元件，PAM元件是气动人工肌肉，PAM元件由编制网和软气管制成，4个PAM元件分布为上面两个下面两个，左右对称分布，左右对称的PAM元件规格相同，从上至下，PAM元件规格由粗至细，上面两个PAM元件上端分别和支撑杆左端、右端固定连接，下端分别和连接板中间靠上左侧、右侧固定连接，下面两个PAM元件下端分别和智能控制盒左端、右端固定连接，上端分别和连接板中间靠下左侧、右侧固定连接；导轨组件包括两个导轨和四个滑块，两个导轨分别位于支撑杆靠中间的左、右两侧，每个导轨内均设置有两个滑块，导轨上下两端均设有橡胶垫，滑块上下两端均设有减速阻尼装置；所述轴承组件包括轴承连接件和平面旋转轴承，轴承连接件后端连接四个滑块，轴承连接件前端连接平面旋转轴承后端；智能控制盒包括第一MPU、第二MPU、主控制板、多个电磁阀、微型压缩气泵、储气盒和智能控制盒盒体及盖子，第一MPU安装在背包本体的包体中间开设的方口内，第二MPU安装在身体背带装置的下衬垫中间开设的方口内，第一MPU、第二MPU分别和主控制板通信连接，电磁阀数量和PAM元件数量匹配，电磁阀为一进两出的电磁阀，进气口和储气盒连接，两出气口分别通过气管连接两左右对称设置的PAM元件，电磁阀和主控制板通信连接，储气盒和微型压缩气泵连接，主控制板、电磁阀、储气盒和微型压缩气泵设置于智能控制盒盒体内，智能控制盒盖子盖设于智能控制盒盒体上；两个导轨的上端分别固定连接在支撑杆靠中间左、右两侧，两个导轨的下端插入智能控制盒上面靠中间的两方口，并和智能控制盒固定连接，电池块电源接口在下方，电池块下端插入智能控制盒上面中间的方口，并与两导轨固定连接；支撑杆和智能控制盒分别与身体背带装置的交叉支撑杆的上端、下端固定连接；

PAM元件初始状态为充气状态，具有预紧力；安装在包体上的第一MPU收集包体及重物的加速度值，安装在下衬垫上的第二MPU收集人行动时即身体背带装置的加速度值，主控制板接收两块MPU的波段，分析出相位频率差，控制电磁阀的开闭，使PAM元件伸缩反方向运动达到背包本体和身体背带装置相位频率差，达到智能减负效果。

2.根据权利要求1所述的一种基于气动人工肌肉智能减负柔性悬浮背包，其特征在于，上面两个PAM元件规格为10mm粗，下面两个PAM元件规格为5mm粗。

3.根据权利要求2所述的一种基于气动人工肌肉智能减负柔性悬浮背包，其特征在于，PAM元件在充气后可进一步压缩长度至少为5cm。

4.根据权利要求1所述的一种基于气动人工肌肉智能减负柔性悬浮背包，其特征在于，软衬条为左右两侧各一条。

5.根据权利要求1所述的一种基于气动人工肌肉智能减负柔性悬浮背包，其特征在于，衬垫为高密度编织布衬垫。

6.根据权利要求1所述的一种基于气动人工肌肉智能减负柔性悬浮背包，其特征在于，身体背带装置还包括腰带。

7.根据权利要求1所述的一种基于气动人工肌肉智能减负柔性悬浮背包，其特征在于，连接板、交叉支撑杆、支撑杆、导轨、滑块、轴承连接件、平面旋转轴承、智能控制盒盒体及盖子为铝合金材质；软衬条为橡胶材质。

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