CN113068918A - 一种具有负载调节装置的悬浮背包 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有负载调节装置的悬浮背包，包括携带负载的背包本体、连接身体的身体侧装置以及连接背包本体和身体侧装置的柔性连接系统，背包本体能够通过柔性连接系统实现相对身体侧装置的滑动。柔性连接系统为预拉伸型系统，其中的弹性组件至少包括预拉伸调节器、弹力绳、大刚度弹簧和定滑轮。预拉伸调节器能够大幅改变弹力绳的预拉伸量以适应不同的负载。本发明使得悬浮背包可以承受更大范围的负载，应用场景更加广泛。

Description

一种具有负载调节装置的悬浮背包

技术领域

本发明涉及一种符合人体工程学的背包，更具体地说，涉及一种悬浮背包。

背景技术

当背着普通背包行走或跑步时，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。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。

加速度力与臀部的起伏运动有关。步行过程中臀部的起伏运动会导致背包的竖直运动。加速度力的峰值与背包竖直运动的幅度有关。因此，可以通过减少背包的竖直运动幅度来减少作用在背负者的加速度力。减少加速度力可以减少关节的受力和避免肌肉的损伤，并且减少行走时背负者的能量消耗，为背负者减负。

国外学者Rome开发了利用弹力绳和滑轮作为柔性连接系统的悬浮背包(Rome,L.C.,Rubber bands reduce the cost of carrying loads.Nature,444(7122),1023-1024,2006)。相关成果已经被LIGHTNING PACKS公司于2007年申请了发明专利(US2008185411A1)。该悬浮背包适用于20kg以上的负载。通过减小弹力绳的初始长度的方式来适应不同的负载，这种方式调节的负载范围较小，因此在小负载下背包会受到弹力绳过大的拉力，在大负载下弹力绳拉力过小，都会使得悬浮背包内部无法发生相对运动，使得悬浮背包退化为普通背包。而且在较小负载范围内通过这种方式调节还会增大弹性组件的弹性系数导致减负效果下降。

国内方面，华南理工大学申请了几项具有类似结构的减负背包或装置的发明专利(CN107588312A、CN107594857A、CN107616617A、CN108887863A)，它们和美国发明专利US2008185411A1采用的原理基本一致，采用的柔性连接系统结构十分相似，因此它们不仅存在美国发明专利US2008185411A1中出现的不足，还存在一些其他的问题。例如，静止时弹簧拉伸长度过长，背包会从背部的位置掉到臀部的位置，或者拉绳和拉伸弹簧拉伸后总长最多和背板一样长，因此拉伸空间有限，根本达不到良好的减负效果。哈尔滨工业大学申请了一种可调负载的悬浮背包装置的发明专利(CN111317247A)，它采用拉伸弹簧和柔性绳作为弹性组件，利用调节机构来改变拉伸弹簧的净拉伸量，从而达到调节负载的目的，这种装置结构复杂，拉伸弹簧疲劳寿命有限。中国计量大学申请了一种基于气动人工肌肉智能减负柔性悬浮背包的发明专利(CN112043067A)，它采用有源的具有PAM元件的智能控制系统来调节负载，成本较高。南京邮电大学申请了一种背负用可调节性支架的发明专利(CN111166039A)，它采用中央控制器、传感器和步进电机等调节负载，成本较高。

本申请人的在先申请CN110150840A、CN111264998A和CN111213997A均可以达到很好的悬浮效果。然而只能通过更换弹性元件的方式来适应区别较大的负载，这种方式操作麻烦。

针对上述现有技术中减负背包的多项不足，如承受负载范围较小，使用寿命有限，结构复杂，成本较高，操作麻烦。本发明设计了一种悬浮背包，通过简单的方式改变弹性组件的预拉伸量以适应更大范围的负载，扩大了悬浮背包的应用范围。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具有负载调节装置的悬浮背包，采用旋转转盘和预拉伸弹性元件作为预拉伸型柔性连接系统，解决了现有的悬浮背包仅能承重小负荷，仅适用于高频率，占用空间大，减负效果不佳的技术问题。

为实现上述目的，采用了如下技术方案：

一种具有负载调节装置的悬浮背包,包括携带负载的背包本体、连接身体的身体侧装置以及连接背包本体和身体侧装置的柔性连接系统，所述背包本体通过所述柔性连接系统能够实现相对所述身体侧装置的滑动，所述柔性连接系统包括弹性组件，

其特征在于：所述弹性组件至少包括滑轮、弹性元件和预拉伸调节器；所述弹性元件绕在所述滑轮上，所述弹性元件一端连接于所述身体侧装置上，另一端连接于所述背包本体，所述弹性元件为预拉伸弹性元件，为初始具有预拉力的蓄力结构，所述预拉伸调节器连接所述弹性元件，能够改变所述弹性元件的预拉伸量，增大所述悬浮背包的负载范围。

进一步地，所述预拉伸调节器包括带环长带和固定器。

进一步地，所述带环长带的环套住弹性元件中间端，将弹性元件分为两部分，通过所述固定器固定所述带环长带上不同位置改变所述弹性元件的预拉伸量。

进一步地，所述弹性元件为弹力绳。

进一步地，所述柔性连接系统还包括杆状框架，所述杆状框架与所述背包本体，所述固定器将所述带环长带与杆状框架连接，使得所述弹性元件中间端通过所述预拉伸调节器和所述杆状框架与所述背包本体连接，优选地，所述杆状框架的材料采用碳纤维。

进一步地，所述弹性组件还包括大刚度弹簧。

进一步地，所述柔性连接系统还包括滑轨组件，所述滑轨组件包括滑轨和适配的滑动件，所述滑动件能够在所述滑轨上滑动，所述滑轨组件为两组，分别位于所述弹性组件的左右两侧，所述弹力绳两端具体地分别与所述左右两组滑动件连接，所述大刚度弹簧分别位于两个所述滑轨的两端，所述杆状框架(6)与所述滑轨相连。

进一步地，所述滑动件与所述身体侧装置连接，使得所述弹力绳另一端通过所述滑动件与所述身体侧装置连接，所述滑轨组件与所述身体侧装置固定连接。

进一步地，所述弹性组件还包括至少两个滑轮，用于增加所述弹力绳的初始长度，所述弹力绳通过绕设在所述滑轮上，连接所述带环长带和所述滑动件，所述滑轮固定在所述杆状框架上，优选地，所述滑轮为两个。

进一步地，所述背包本体包括包体，所述包体固定在杆状框架上。

进一步地，所述身体侧装置包括肩带、背板，优选地包括腰带，所述肩带与所述背板相连，所述滑动件固定在所述背板上。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

一、本发明的柔性连接系统为预拉伸型系统，弹性组件的核心是预拉伸调节器和需要预拉伸的弹性元件。为达到预期的减负效果，悬浮背包在不同的负载下需要不同的弹性组件的预拉伸量。现有技术主要采用弹力绳和滑轮作为柔性连接系统，通过更换不同的弹力绳或减小弹力绳的初始长度的方式来适应不同的负载，更换不同的弹力绳的方式操作复杂，而减小弹力绳的初始长度的方式调节的负载范围较小，且会增大弹性组件的弹性系数导致减负效果下降。本申请巧妙地采用了改变弹性组件的预拉伸量的方式，相比于现有技术，不仅操作简单，而且不改变弹性组件的弹性系数以减小对减负效果的负面影响，还能大幅度调节预拉伸量以适应更大范围的负载。

二、现有技术中的悬浮背包的重量较大，不利于背负者的使用。本发明的柔性连接系统在结构上采用杆状框架设计，在材料上采用轻质的碳纤维，大大地减轻了悬浮背包的整体重量，降低了背负者的能量消耗。

三、现有技术主要采用的柔性连接系统基本需要3个以上的滑轮才能实现功能，随着滑轮个数的增多，摩擦力也会增大。本发明的柔性连接系统仅需少量滑轮(2个)便可实现功能，滑轮个数的明显减少能够有效减小柔性连接系统总的摩擦力。

四、现有技术中的弹性组件采用一种弹性元件，属于刚度不变的设计。本发明采用两种不同刚度的弹性元件，实现变刚度的弹性组件设计。四个大刚度弹性元件分别放置在两个滑轨的两端，当背包本体振幅过大时，会触发大刚度弹性元件，使得弹性组件的刚度增大，减小背包本体振幅，使得背包本体处于安全活动范围内，保证悬浮背包的使用安全。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

图1为本发明实施例一整体结构示意图；

图2为本发明实施例一分解结构示意图；

图3为本发明实施例一柔性连接系统的整体结构示意图；

图4为本发明实施例一柔性连接系统的分解结构示意图；

图5为本发明背包本体的结构示意图；

图6为本发明身体侧装置的结构示意图；

图7为本发明实施例一最小预拉伸量时和最大预拉伸量时柔性连接系统的结构示意图；

图8为本发明实施例一最大预拉伸量时的整体的结构示意图。

图9为本发明实施例二柔性连接系统的整体结构示意图；

图10为本发明实施例二柔性连接系统的分解结构示意图；

图中，101-背包本体；102-柔性连接系统；103-身体侧装置；1-包体；2-滑轨；3-滑动件；4-滑轮；5-弹力绳；6-杆状框架；7-带环长带；8-固定器；9-大刚度弹簧；10-背板；11-肩带。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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。

实施例一：

悬浮背包是一个受迫振动的系统，其目的是在行走过程中降低背包的振幅。柔性连接系统是弹簧阻尼系统中的弹簧元件，背包本体是弹簧阻尼系统中的惯性元件。步行中的身体给弹簧阻尼系统施加激振力，因此背包产生受迫振动。背包的振幅与固有频率和激励频率的比值有关。悬浮背包的固有频率与背负者的行走频率的比值越小，背包的振幅越小。静止时柔性连接系统中弹性元件的伸缩量设计得越大，悬浮背包的固有频率越小，背包的振幅越小，减负效果越好。在不同负载下，弹性元件的伸缩量不同。因此，柔性连接系统的结构设计极为重要。

如图1所示,本发明为一种具有负载调节装置的悬浮背包。

如图2所示，悬浮背包，包括与身体连接的身体侧装置103、承载重物的背包本体101，以及用来连接两者的柔性连接系统102。背包本体101通过柔性连接系统102能够实现相对于身体侧装置103的滑动。

如图5所示，背包本体101包括包体1。进一步地，包体1与柔性连接系统102的杆状框架6固定连接，连接方式可以为螺丝或者螺钉，以实现背包本体101与柔性连接系统102之间的连接。

如图6所示，身体侧装置103包括背板10和肩带11，还可以设置有腰带。其中，背板10上设置有多个凹槽和孔洞结构，用于与柔性连接系统102中的滑动件3相应地固定连接，连接方式可以为螺丝或者螺钉等。肩带11直接连接设置在背板10上。可以利用拓扑优化技术优化背板10的结构并减轻背板重量。

如图3和4所示，柔性连接系统102包括弹性组件、滑轨组件和杆状框架6。其中，弹性组件和滑轨组件通过弹性组件中的弹力绳5相连。弹性组件安装在杆状框架6上。滑轨组件安装在身体侧装置103的背板10上。滑轨组件包括滑轨2和滑动件3，滑轨组件为两套，分别位于弹性组件的左、右两侧。柔性连接系统102除滑动件3外，其他部分全部都在包体1内。

弹性组件包括预拉伸调节器、弹力绳5、大刚度弹簧9和滑轮4。预拉伸调节器包括带环长带7和固定器8，其中，带环长带7可以弯曲不能拉伸。滑轮4包括位于预拉伸调节器左右两侧的同时位于滑轨2下方的左滑轮和右滑轮两个滑轮。大刚度弹簧9包括套在两个滑轨上下两端的四个大刚度弹簧。

弹力绳5两端分别固定在左右两个滑动件3的外侧，弹力绳5中间端被带环长带7的环套住分成等长的两部分弹力绳，相当于两部分弹力绳并联起来。固定器8固定在杆状框架6上，根据悬浮背包不同的负载，可以调整弹性元件不同的预拉伸量。如图8所示，展示了最小预拉伸量时和最大预拉伸量时柔性连接系统102不同的状态。多出的一部分带环长带7被从包体1上对应的矩形洞口拉出，利用磁贴等方式贴在包体1外表面(图9)。当背负者在非静止状态下，背包本体101相对于身体侧装置103上下移动。当移动幅度过大时，滑动件3会碰上大刚度弹簧9，触发大刚度弹簧9工作，导致大刚度弹簧9压缩，使弹性组件的弹性系数增大，从而减小背包本体101的移动幅度，使背包本体101在正常移动范围内，保证悬浮背包的安全使用。

如图3所示，滑轨组件包括滑轨2和滑动件3，滑轨组件为两组，分别位于弹性组件的左、右两侧，滑轨2固定在身体侧装置103的背板10上，每个滑轨2与滑动件3装配连接，滑动件3可在滑轨2内上下滑动。滑轨2上下两端与杆状框架6固定连接，杆状框架6与背包本体101中的背包1固定相连，带动背包本体101的竖向滑动或竖直位移。

实施例二：

实施例二中的悬浮背包和实施例一中的悬浮背包采用了不同的柔性连接系统，其他部分设计相同。接下来阐述柔性连接系统的设计。

如图9和10所示，柔性连接系统102包括弹性组件、滑轨组件和杆状框架6。其中，弹性组件和滑轨组件通过弹性组件中的弹力绳5相连。弹性组件安装在杆状框架6上。滑轨组件安装在身体侧装置103的背板10上。滑轨组件包括滑轨2和滑动件3，滑轨组件为两套，分别位于弹性组件的左、右两侧。柔性连接系统102除滑动件3外，其他部分全部都在包体1内。

弹性组件包括预拉伸调节器、弹力绳5、大刚度弹簧9和滑轮4。预拉伸调节器包括带环长带7和固定器8，其中，带环长带7可以弯曲不能拉伸。滑轮4包括位于预拉伸调节器左右两侧的同时位于滑轨2下方的左滑轮和右滑轮两个滑轮。大刚度弹簧9包括套在两个滑轨上下两端的四个大刚度弹簧。

弹力绳5两端分别固定在左右两个滑动件3的内侧，弹力绳5中间端被带环长带7的环套住分成等长的两部分弹力绳，相当于两部分弹力绳并联起来。固定器8固定在杆状框架6上，根据悬浮背包不同的负载，可以调整弹性元件不同的预拉伸量。

如图9所示，滑轨组件包括滑轨2和滑动件3，滑轨组件为两组，分别位于弹性组件的左、右两侧，滑轨2固定在身体侧装置103的背板10上，每个滑轨2与滑动件3装配连接，滑动件3可在滑轨2内上下滑动。滑轨2上下两端与杆状框架6固定连接，杆状框架6与背包本体101中的背包1固定相连，带动背包本体101的竖向滑动或竖直位移。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种具有负载调节装置的减负悬浮背包,包括携带负载的背包本体(101)、连接身体的身体侧装置(103)以及连接背包本体(101)和身体侧装置(103)的柔性连接系统(102)，所述背包本体(101)通过所述柔性连接系统(102)能够实现相对所述身体侧装置(103)的滑动，所述柔性连接系统(102)包括弹性组件，

其特征在于：所述弹性组件至少包括滑轮(4)、弹性元件和预拉伸调节器；所述弹性元件绕在所述滑轮(4)上，所述弹性元件一端连接于所述身体侧装置(103)上，另一端连接于所述背包本体(101)，所述弹性元件为预拉伸弹性元件，为初始具有预拉力的蓄力结构，所述预拉伸调节器连接所述弹性元件，能够改变所述弹性元件的预拉伸量，增大所述悬浮背包的负载范围。

2.根据权利要求1所述的一种具有负载调节装置的减负悬浮背包,其特征在于：所述预拉伸调节器包括带环长带(7)和固定器(8)。

3.根据权利要求2所述的一种具有负载调节装置的减负悬浮背包,其特征在于：所述带环长带(7)的环套住弹性元件中间端，将弹性元件分为两部分，通过所述固定器(8)固定所述带环长带(7)上不同位置改变所述弹性元件的预拉伸量。

4.根据权利要求1所述的一种具有负载调节装置的减负悬浮背包,其特征在于：所述弹性元件为弹力绳(5)。

5.根据权利要求1所述的一种具有负载调节装置的减负悬浮背包,其特征在于：所述柔性连接系统(102)还包括杆状框架(6)，所述杆状框架(6)与所述背包本体(101)，所述固定器(8)将所述带环长带(7)与杆状框架(6)连接，使得所述弹性元件中间端通过所述预拉伸调节器(7)和所述杆状框架(6)与所述背包本体(101)连接，优选地，所述杆状框架(6)的材料采用碳纤维。

6.根据权利要求1所述的一种具有负载调节装置的减负悬浮背包,其特征在于：所述弹性组件还包括大刚度弹簧(9)。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种具有负载调节装置的减负悬浮背包,其特征在于：所述柔性连接系统(102)还包括滑轨组件，所述滑轨组件包括滑轨(2)和适配的滑动件(3)，所述滑动件(3)能够在所述滑轨(2)上滑动，所述滑轨组件为两组，分别位于所述弹性组件的左右两侧，所述弹力绳(5)两端具体地分别与所述左右两组滑动件(3)连接，所述大刚度弹簧(9)分别位于两个所述滑轨(2)的两端，所述杆状框架(6)与所述滑轨(2)相连。

8.根据权利要求7所述的一种具有负载调节装置的减负悬浮背包,其特征在于：所述滑动件(3)与所述身体侧装置(103)连接，使得所述弹力绳(5)另一端通过所述滑动件(3)与所述身体侧装置(103)连接，所述滑轨组件与所述身体侧装置(103)固定连接。

9.根据权利要求7所述的一种具有负载调节装置的减负悬浮背包,其特征在于：所述弹性组件还包括至少两个滑轮(4)，用于增加所述弹力绳(5)的初始长度，所述弹力绳(5)通过绕设在所述滑轮(4)上，连接所述带环长带(7)和所述滑动件(3)，所述滑轮(4)固定在所述杆状框架(6)上，优选地，所述滑轮(4)为两个。

10.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种具有负载调节装置的减负悬浮背包,其特征在于：所述背包本体(101)包括包体(1)，所述包体(1)固定在杆状框架(6)上。

11.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种具有负载调节装置的减负悬浮背包,其特征在于：所述身体侧装置(103)包括肩带(11)、背板(10)，优选地包括腰带，所述肩带(11)与所述背板(10)相连，所述滑动件(3)固定在所述背板(10)上。

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