CN112998387B - 一种可控阻尼的完全恒力悬浮背包装置 - Google Patents
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Abstract
一种可控阻尼的完全恒力悬浮背包装置，包含背包连接板和带有背带的背板；还包含镜像设置的两套恒力机构和两个调节机构，每套恒力机构包括升降组件、第一导轮组、弹簧组、第二导轮组、摆杆、第一柔性绳、第二柔性绳和第三导轮组；位于摆杆一端的背板上连接有带有轮槽的固定轮，摆杆另一端设置有滑轮，滑轮和固定轮位于背包连接板与背板之间，第一柔性绳一端通过调节机构连接弹簧组上端，第一柔性绳依次搭设在第二导轮组和第一导轮组的导轮上，并由下至上绕过滑轮后，第一柔性绳另一端定位在固定轮的轮槽内，第二柔性绳另一端通过调节机构连接弹簧组下端。本发明可以适应不同负载的要求，满足人体各种频率下的运动，运行稳定可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种背包，具体涉及一种可控阻尼的完全恒力悬浮背包装置。
背景技术
可穿戴设备随着科技的发展发生日新月异的变化，如何减少人体能量代谢是目前很热门的研究方向。背包作为日常生活中必不可少的穿戴式装备，但是人体与背包一起运动过程中，由于捆绑原因，背包会相对人体产生惯性冲击，这种惯性冲击会消耗人体更多的能量，为此如何在完成背负负载任务的同时减少人体能量代谢并且回收人体消耗的能量，成了急迫需要解决的问题。虽然国外科学家很早便提出了悬浮背包装置，其主要原理是通过柔性绳将背包运动与人体运动进行解耦，但是由于该装置无法适应人体所有运动频率而一直未能量产服务于大众。
发明内容
本发明为克服现有技术，提供一种可控阻尼的完全恒力悬浮背包装置，以克服人体在背负背包行走或奔跑的时候，由于人体运动时重心的上下移动，背包会与人体产生相对位移，进而对人体造成惯性冲击是人体能量代谢消耗增加等问题。
一种可控阻尼的完全恒力悬浮背包装置，包含背包连接板和带有背带的背板，背带设置于背板的一侧面，背包连接板沿竖向可滑动地设置在背板另一侧面；还包含镜像设置的两套恒力机构和两个调节机构，两套恒力机构设置在背板的另一侧面，每套恒力机构包括升降组件、第一导轮组、弹簧组、第二导轮组、摆杆、第一柔性绳、第二柔性绳和第三导轮组；升降组件布置在背板上，第一导轮组由升降组件驱动可上下移动，弹簧组设置在背板另一侧面，第二导轮组安装在背板的上部，摆杆一端可转动地设置在背板上，另一端设在背板上的横架的滑槽内并能横向滑动，横架与背包连接板连接，位于摆杆一端的背板上连接有带有轮槽的固定轮，摆杆另一端设置有滑轮，滑轮和固定轮位于背包连接板与背板之间，第一柔性绳一端通过调节机构连接弹簧组上端，第一柔性绳依次搭设在第二导轮组和第一导轮组的导轮上，并由下至上绕过滑轮后，第一柔性绳另一端定位在固定轮的轮槽内，第三导轮组设置在背板的底部，第二柔性绳的一端与升降组件的活动部固接，第二柔性绳绕过第三导轮组，第二柔性绳另一端通过调节机构连接弹簧组下端。为了保证滑轨可以顺滑运动，摆杆的运动范围为中位上下45°。
本发明相比现有技术的有益效果是：
本发明采用对称式可调完全恒力机构，采用多滑轮补偿误差的第一导轮组、第二导轮组和摆杆两端的滑轮及固定轮的机构补偿了机械误差，可以适应不同负载的要求。满足人体各种频率下的运动，都保证背包相对地面静止，减少惯性力对人体的冲击。使人体在远距离奔跑或行走不会感到十分疲惫。
本发明对称式可调恒力机构，可以适应不同负载的要求，保证背包连接板在上下运动过程中的稳定性，摆动杆里侧装有轴承，并通过卡簧和端盖与设置在背板上的旋转轴连接，摆杆可围绕旋转轴做旋转运动。当摆杆从上端运动到下端的过程中，弹簧拉伸量增加，摆杆末端的滑轮由于受到柔性绳大小相等方向相反的两个力只做平动，不会绕着旋转轴进行旋转运动，缠绕在旋转轴的固定轮上的柔性绳长度增加，保证了摆杆运动的过程中一直满足恒力平衡的原理。即两滑轮轴之间距离为弹簧净拉伸量。通过升降组件调节滑块的位置即可调节装置的平衡效果，结构紧凑，调节稳定可靠。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
图1为从背包主体方向看的本发明的立体结构图；
图2为去掉背包主体后的本发明结构示意图；
图3为去掉背包连接板后的本发明结构示意图；
图4为去掉背包连接板后绕制柔性绳的本发明结构示意图；
图5为带有阻尼装置的本发明结构示意图；
图6为从背带主体方向看的本发明的立体结构图；
图7为本发明的工作原理图；
图8为滑轮初始状态和极限状态下恒力机构分析示意图。
具体实施方式
参见图1-图4所示，本实施方式的一种可控阻尼的完全恒力悬浮背包装置，包含背包连接板2和带有背带1-1的背板1，背带1-1设置于背板1的一侧面，背包连接板2沿竖向可滑动地设置在背板1另一侧面；还包含镜像设置的两套恒力机构和两个调节机构24，两套恒力机构设置在背板1的另一侧面，每套恒力机构包括升降组件3、第一导轮组5、弹簧组6、第二导轮组7、摆杆8、第一柔性绳9、第二柔性绳13和第三导轮组14；升降组件3 布置在背板1上，第一导轮组5由升降组件3驱动可上下移动，弹簧组6设置在背板1另一侧面，第二导轮组7安装在背板1的上部，摆杆8一端可转动地设置在背板1上，另一端设在背板1上的横架的滑槽内并能横向滑动，横架与背包连接板2连接，位于摆杆8一端的背板1上连接有带有轮槽的固定轮8-2，摆杆8另一端设置有滑轮8-1，滑轮8-1和固定轮8-2位于背包连接板2与背板1之间，第一柔性绳9一端通过调节机构24连接弹簧组 6上端，第一柔性绳9依次搭设在第二导轮组7和第一导轮组5的导轮上，并由下至上绕过滑轮8-1后，第一柔性绳9另一端定位在固定轮8-2的轮槽内，第三导轮组14设置在背板 1的底部，第二柔性绳13的一端与升降组件的活动部固接，第二柔性绳13绕过第三导轮组 14，第二柔性绳13另一端通过调节机构24连接弹簧组6下端。摆杆8两端的滑轮8-1和固定轮8-2设计，目的是保证悬浮背包的恒力机构符合原理要求，并且不会由于机械设计零件如滑轮半径等本身原因导致恒力效果的改变。
本发明背包整体为主被动结合方式，在恒力机构的基础上增设可调阻尼装置，背包在运动过程中不仅可以收集人体由于重心上下运动产生的额外能量，还可以在人体各种频率下的运动时，负载都会相对地面静止，减少惯性力对人体的冲击。使人体在远距离奔跑或行走不会消耗额外的能量。可以非常便捷调节平衡的重量，满足不同重量负载的工作要求。
本实施方式在背板1和背包连接板2间隙装有可调平衡力大小的所述恒力机构，弹簧组6通过第一柔性绳9牵引，在第一导轮组5和第二导轮组7的作用下改变第一柔性绳9 的方向。第一柔性绳9主要作用是调节好平衡负载后，人体在运动过程中，背板1与背包连接板2产生相对位移，拉动弹簧组6上下运动的。通过改变第一导轮组5在升降组件的位置进而改变平衡物体的重量。
该背包具有两种状态，在较轻负载的情况下，背包连接板2可以锁定不动，通过销钉固定背包连接板2上下两侧保证不会上下运动，此时与普通背包模式相同；在负载较重的情况下，可以拆除销钉，处于悬浮背包模式，此时背包主体21将在运动，与地面保持相对静止的状态。
通常，由于人体运动过程中常会弯腰，导致恒力机构平衡重量大于负载重量，负载(背包主体)会向上运动，为此设计了一种类似开关控制的可调阻尼装置来动态辅助调节负载的悬浮情况，保证负载相对地面静止状态。具体来说，如图5所示，
所述可调阻尼装置包含继电器25、控制板26和两套阻尼发电装置，每套阻尼发电装置包含电机16-1、编码器16-2、带轮一17-1、带轮二17-2传动带，电机16-1安装在背板1的顶部，电机16-1的输出轴上安装有带轮一17-1，背板1上安装有带轮二17-2，带轮一 17-1和带轮二17-2通过传动带传动，平直的传动带一点固定在背包连接板2上，继电器 25与电机16-1电连接，编码器16-2与控制板26电连接，控制板26与继电器25电连接。可选地，继电器25为电磁继电器。
背板1上端装有电机16-1，通常电机16-1为无刷电机，电机16-1在发电状态下可以产生相应的电磁转矩，通过改变电阻的方式就可以改变电机的转矩大小，通过三个继电器25与电机16-1的三相线连接，通过控制三相线的通断实现电机16-1的阻尼变化，在三相线开路状态下，电磁转矩基本为0，在三相线短接的情况下，电磁转矩将达到最大值，此时，会阻碍背包连接板2的运动，进而更好地控制背包的平衡效果。电机16-1末端装有编码器 16-2，可以读取电机16-1旋转轴的角度和方向，进而可以知道背包连接板2的位置、速度等信息，将这些信息发送给控制板26继而控制继电器25通断，调节背包连接板2的运动速度，例如当背包连接板2有向上运动的加速度和速度时，通过编码器16-2读取背包连接板2的位置和运动方向以及速度，在超过平衡位置后就施加一定的阻尼限制背包连接板2 向上运动，但是当背包连接板2向下运动时，电机阻尼调节为0，不阻碍背包连接板2向下运动，保证了背包连接板2运动过程中不会撞击上下限位导致惯性冲击对人体造成不适的感觉。并且由于电机16-1处于发电模式，可以将人体由于重心上下移动产生消耗的额外能量加以回收，通过整流电路后输入到电池中以作备用电源，非常适合野外行军和科学考察等情况。在不干涉人体运动的情况下，将背包与人体的相对运动带动电机进行发电，并且电机可以作为一种阻尼器，保证背包与人体相对运动过程中不会产生冲击作用。
通常，背包连接板2未处于悬浮状态时，两根摆杆8倾斜布置，两根摆杆8呈辐射状布置，带有滑轮8-1的一端朝外设置，当背包主体21处于悬浮状态工作时，摆杆8一端可绕旋转轴转动，另一端的滑轮可从上端运动到下端，也可从下端运动到上端，随着人体的运动，可保持与地面保持相对静止状态。
进一步地，由于摆杆8是围绕旋转轴做旋转运动，需要将旋转运动分解为横向运动和竖向运动，因此将背包连接板中央设计有水平滑轨11，可以保证旋转轴在横向的自由运动，如图3所示，横架包括两个水平滑轨11；所述摇杆8的另一端安装有带槽的导轮15，导轮15设置于两个间隔布置的水平滑轨11的间隙内，且导轮15的轮槽贴于水平滑轨11上，背包连接板2安装在水平滑轨11上。如此设置，导轮15由螺钉固定在摆杆8的末端，两者均可以绕着轴心做旋转运动。
如图5所示，通常，升降组件3包含丝杠副3-1和滑块3-2；丝杠副3-1丝杠可转动地设置在背板1上，滑块3-2与丝杠副3-1的螺母连接，滑块4的两端分别安装有第一导轮组5。通过改变滑块3-2在丝杠副3-1上的位置进而改变平衡物体的重量，通过调节丝杠副 3-1上的旋转螺母即可改变滑块3-2的位置。通过改变调节滑块在丝杠上的位置即可调节装置的平衡效果，结构紧凑，调节稳定可靠。通常柔性绳采用钢丝绳。
可选地，对于一套恒力机构来说：第一柔性绳9的一端通过调节机构24与弹簧组6(如 2根螺旋弹簧)连接，另一端绕过背板1上的第二导轮组7(如2个导轮)到丝杠副3-1上的第一导轮组5(如1个导轮)，最终连接在摆杆8的另一端处。当人体的重心随着人体走路或奔跑而上下运动时，四根螺旋弹簧产生拉伸形变，使背包主体21可以在人体运动的过程中保持相对地面静止，达到减少惯性力对人体冲击的目的。使人体舒适度和机动性都能够提高，动作过程中也不会被背包所干涉。
进一步地，如图5所示，每个所述调节机构24包含空心螺栓24-1、螺母24-2和连接板24-3；弹簧组6的弹簧钩在连接板24-3上，空心螺栓24-1旋拧在连接板24-3上，空心螺栓24-1的头部，螺母24-2旋拧在空心螺栓24-1上，第一柔性绳9穿设在空心螺栓24-1 内其一端打结固定。过旋转螺柱上的螺母实现微调弹簧拉伸量。第二柔性绳13两端分别与滑块3-2和调节机构24连接，通过调整丝杠副3-1的丝杠改变滑块3-2位置就可以改变恒力平衡的重量，达到可调负载的目的。
可选地，如图3所示，所述背包连接板2通过设置于背板1另一侧面的滑轨组件滑动设置在背板1上，所述滑轨组件包括滑轮座18、竖向滑轨19和三个滑轮20；滑轮座18固定在背板1上，背包连接板2安装在竖向滑轨19上，竖向滑轨19由安装于滑轮座18上的三个滑轮20夹持滑动，其中一个滑轮20的外周侧面与竖向滑轨19的端面接触，另外两个滑轮20的外周侧面与竖向滑轨19的前后侧面接触。竖向滑轨19末端均设计限位挡块，保证背包连接板2不会划出范围。滑轮座18固定在背板1上分别约束3个方向的运动，保证背包连接板2仅在竖直方向滑动，增强运动的稳定性。
进一步地，如图3-图5所示，V形的导轮15在V形的水平滑轨11上滚动，实现摆杆 8的摆动，进而带动背包连接板2上下运动，背包连接板2通过三个滑轮20夹持竖向滑轨 19，实现相对背板1竖向运动，定位准确，降低了摩擦力，大大提高了运动精度，背板1 的另一侧面两边分别装有两组刚度系数较大的弹簧组6(螺旋拉伸弹簧)，弹簧组6外侧装有弹簧保护罩10，保证弹簧组6在拉动过程中始终保持竖直状态。两根摆杆8分别在摆杆轴上通过轴承和卡簧装配一起在背板1上，使其可以自由旋转，第一柔性绳9通过第二导轮组7约束改变方向，弹簧组6与三角连接板22连接一起，左右形成对称的平衡机构。
作为一个示例：丝杠副3通过螺钉螺母固连在背板1上，第二导轮组7和第三导轮组14 通过其自带的螺杆安装在背板1上，第一导轮组5与滑块4通过销轴和卡簧装配，第一导轮组5、第二导轮组7和第三导轮组14上导向轮都可以自由旋转。
进一步地，在上述实施方式的方案中，为了满足了轻型化和较好机动性的要求，所述背板1和背包连接板2的材质均为碳纤维。碳纤维材料轻和韧性好。水平滑轨11和竖向滑轨19的材质均为铝合金，弹簧组6布置在弹簧保护套10内，所述弹簧保护套10为尼龙材料。铝合金强度高，材料轻。上述材料制作的本实施装置整体重量不到4kg，负载能力 5kg-30kg范围均可使用。为了提高背包者的舒适度，所述背板1的一侧面上还平铺有支撑后背的护垫27，如图6所示。
工作原理
为了更清楚阐述运动过程，不考虑滑轨约束，仅考虑当摆杆8自上而下做圆周运动过程中的初始状态和极限状态恒力系统情况，如图7和图8所示。
初始状态缠绕在滑轮8-1上的柔性绳长度为：s1＝αr
缠绕在滑轮8-1上的钢丝绳长度为：
缠绕在固定轮8-2上的钢丝绳长度为：u1＝πr，r表示滑轮8-1的半径；
钢丝绳缠绕长度与净拉伸量之和为：
考虑极端状态下，即摆杆8处于竖直状态时，钢丝绳缠绕长度与净拉伸量之和为：
则两状态下钢丝绳拉伸长度为:ΔC＝C2-C1＝x2-x1
通过上式可知，摆动杆运动过程中钢丝绳的净拉伸量等于滑轮8-1与第一导轮组5的第一导轮5-1的轴线之间的距离，满足恒力平衡原理条件。
此时钢丝绳上的力对旋转轴的力矩为：
T＝F1l1+F2l2
l1和l2分别表示力臂，F1表示第一导轮5-1与滑轮8-1之间的钢丝绳的力，F2表示滑轮 8-1与固定轮8-2之间的力；
由于是定滑轮，钢丝绳上的力大小处处相等，即F1＝F2＝F，且l2＝r，则有:
T＝F(r+l1)
其中l为滑轮8-1与第一导轮5-1中心距离。此时第一导轮组5的导轮5-1在摆杆8运动过程中受到两个大小相等方向相反的力F导致其做平动，图中标记点表示其在运动过程中位置保持不变。
且
对旋转轴进行受力分析，有：
T合＝T+Tm
其中Tm表示负载对旋转轴产生的力矩，由于A点和B点(第一导轮5-1与滑轮8-1之间中心距离)之间为弹簧净拉伸量，则有：
Tm＝mgb sinθ
θ表示摆杆8相对竖直平面摆动的角度，当旋转轴所受力矩为0时则有：T＝Tm。
化简可得：mgb＝kab，b表示摆杆8的长度，a表示第一导轮组的导轮5-1中心与固定轮8-2中心之间的距离，为变化量；m表示背包主体21的质量。
即选定合适的满足最大负载能力的刚度系数k情况下，调节滑轮8-1的挂点上下位置，使b的长度发生变化，即可改变平衡重量的大小。理想情况下可实现调节平衡设计范围内的任意重量的负载。可见，本发明背包无机械结构误差，符合恒力平衡要求。
电机可调阻尼原理：
通过三个电磁继电器控制电机三相线的通断情况进而控制电机阻尼大小，当电机以ω速度运动时，有：
E＝kgω (1)
其中kg为电机反电动势常数，由电机本身属性决定，与线圈匝数、电磁极对数、铁芯大小等因素相关。一般反电动势常数不会直接给出，而是给出电机的速度常数ks，反电动势常数与速度常数有如下关系：
对于反电动势大小还可以由欧拉定律得：
E＝I·(r1+R) (3)
其中I为感应电动势电流，r1为电机内阻，由电机本身属性决定，R为外部电阻。
联立(1)、(2)和(3)式可以得到感应电动势电流为：
感应电动势产生的力矩为：
T＝kg·I
将式(4)带入上式可得：
其中可等效为阻尼系数，角加速度ω可表示为/>可以看出当调节R的大小时， T就会发生变化，由于在实际情况中，背包受到外力运动时需要立刻将其速度减小为0，因此电机外部电阻只需要取最大值和最小值即可。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。
Claims (10)
1.一种可控阻尼的完全恒力悬浮背包装置，包含背包连接板(2)和带有背带(1-1)的背板(1)，背带(1-1)设置于背板(1)的一侧面，背包连接板(2)沿竖向可滑动地设置在背板(1)另一侧面；
其特征在于：还包含可调阻尼装置、镜像设置的两套恒力机构和两个调节机构(24)，两套恒力机构设置在背板(1)的另一侧面，每套恒力机构包括升降组件(3)、第一导轮组(5)、弹簧组(6)、第二导轮组(7)、摆杆(8)、第一柔性绳(9)、第二柔性绳(13)和第三导轮组(14)；升降组件(3)布置在背板(1)上，第一导轮组(5)由升降组件(3)驱动可上下移动，弹簧组(6)设置在背板(1)另一侧面，第二导轮组(7)安装在背板(1)的上部，摆杆(8)一端可转动地设置在背板(1)上，另一端设在背板(1)上的横架的滑槽内并能横向滑动，横架与背包连接板(2)连接，位于摆杆(8)一端的背板(1)上连接有带有轮槽的固定轮(8-2)，摆杆(8)另一端设置有滑轮(8-1)，滑轮(8-1)和固定轮(8-2)位于背包连接板(2)与背板(1)之间，第一柔性绳(9)一端通过调节机构(24)连接弹簧组(6)上端，第一柔性绳(9)依次搭设在第二导轮组(7)和第一导轮组(5)的导轮上，并由下至上绕过滑轮(8-1)后，第一柔性绳(9)另一端定位在固定轮(8-2)的轮槽内，第三导轮组(14)设置在背板(1)的底部，第二柔性绳(13)的一端与升降组件的活动部固接，第二柔性绳(13)绕过第三导轮组(14)，第二柔性绳(13)另一端通过调节机构(24)连接弹簧组(6)下端；所述可调阻尼装置包含继电器(25)、控制板(26)和两套阻尼发电装置，每套阻尼发电装置包含电机(16-1)、编码器(16-2)、带轮一(17-1)、带轮二(17-2)传动带，电机(16-1)安装在背板(1)的顶部，电机(16-1)的输出轴上安装有带轮一(17-1)，背板(1)上安装有带轮二(17-2)，带轮一(17-1)和带轮二(17-2)通过传动带传动，平直的传动带一点固定在背包连接板(2)上，继电器(25)与电机(16-1)电连接，编码器(16-2)与控制板(26)电连接，控制板(26)与继电器(25)电连接。
2.根据权利要求1所述一种可控阻尼的完全恒力悬浮背包装置，其特征在于：所述横架包括两个水平滑轨(11)；所述摆杆(8)的另一端安装有带槽的导轮(15)，导轮(15)设置于两个间隔布置的水平滑轨(11)的间隙内，且导轮(15)的轮槽贴于水平滑轨(11)上，背包连接板(2)安装在水平滑轨(11)上。
3.根据权利要求2所述一种可控阻尼的完全恒力悬浮背包装置，其特征在于：升降组件(3)包含丝杠副(3-1)和滑块(3-2)；丝杠副(3-1)丝杠可转动地设置在背板(1)上，滑块(3-2)与丝杠副(3-1)的螺母连接，滑块(4)的两端分别安装有第一导轮组(5)。
4.根据权利要求1或3所述一种可控阻尼的完全恒力悬浮背包装置，其特征在于：所述背包连接板(2)通过设置于背板(1)另一侧面的滑轨组件滑动设置在背板(1)上，所述滑轨组件包括滑轮座(18)、竖向滑轨(19)和三个滑轮(20)；滑轮座(18)固定在背板(1)上，背包连接板(2)安装在竖向滑轨(19)上，竖向滑轨(19)由安装于滑轮座(18)上的三个滑轮(20)夹持滑动，其中一个滑轮(20)的外周侧面与竖向滑轨(19)的端面接触，另外两个滑轮(20)的外周侧面与竖向滑轨(19)的前后侧面接触。
5.根据权利要求4所述一种可控阻尼的完全恒力悬浮背包装置，其特征在于：每个所述调节机构(24)包含空心螺栓(24-1)、螺母(24-2)和连接板(24-3)；弹簧组(6)的弹簧钩在连接板(24-3)上，空心螺栓24-1旋拧在连接板(24-3)上，空心螺栓(24-1)的头部，螺母(24-2)旋拧在空心螺栓(24-1)上，第一柔性绳(9)穿设在空心螺栓(24-1)内其一端打结固定。
6.根据权利要求1所述一种可控阻尼的完全恒力悬浮背包装置，其特征在于：背包连接板(2)未处于悬浮状态时，两根摆杆(8)倾斜布置。
7.根据权利要求1或5所述一种可控阻尼的完全恒力悬浮背包装置，其特征在于：所述背板(1)和背包连接板(2)的材质均为碳纤维。
8.根据权利要求4所述一种可控阻尼的完全恒力悬浮背包装置，其特征在于：水平滑轨(11)和竖向滑轨(19)的材质均为铝合金。
9.根据权利要求1所述一种可控阻尼的完全恒力悬浮背包装置，其特征在于：弹簧组(6)布置在弹簧保护套(10)内，所述弹簧保护套(10)为尼龙材料。
10.根据权利要求1所述一种可控阻尼的完全恒力悬浮背包装置，其特征在于：所述背板(1)的一侧面上还平铺有支撑后背的护垫(27)。
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