CN113598513B - 一种轮组式负重减荷装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮组式负重减荷装置，属于动力背包技术领域，包括结构相同、固定于人体前后两侧的第一背包和第二背包；第一背包包括第一负载、第二负载、滑动组件、运动输出单元、运动控制单元和数据采集单元；数据采集单元采集人体质心的运动信息，并将运动信息传递给运动控制单元，运动控制单元用于根据运动信息控制电机驱动丝杠滑块机构牵引第一钢丝绳以使第一负载和第二负载分别沿滑动组件反相移动，从而使第一负载和第二负载的运动幅度与人体运动过程中的上下运动幅度相同、运动频率为人体运动频率的1/2。本发明增强人体负重行走时的侧向稳定性，降低负重行走过程中的受伤风险。

Description

一种轮组式负重减荷装置

技术领域

本发明属于动力背包技术领域，更具体地，涉及一种轮组式负重减荷装置。

背景技术

负重行走时人类生活中一种常见的活动，对于作战士兵而言，平均负重达53公斤，负重受伤是作战受伤的4倍之多，还会导致战场表现下降，甚至威胁到他们的生存。对于背包客、学生等群体，负重也尝尝远超过负重者体重的百分之十五。大质量负重行走会极大增加代谢消耗、易产生疲劳，使作战能力下降，此外负重行走还会产生比重力大2～3倍的加速度力，易导致腰椎、肌肉、关节损伤和肩部组织挫伤。因此，减少负重代谢能消耗具有重要意义。采用外骨骼机器人，可以增强负重质量，但动作缓慢同时代谢消耗大大增加，且存在关节无法对齐、动作受限等问题。

为提升人体负重行走能力，人们采用动态负载运动方式提高人体负重能力，并降低人体负重的危害。为了降低人体肩部压力峰值，减小负重时对人体肩部代谢消耗，国外学者Rome利用弹簧阻尼模型的原理开发了利用弹力绳和滑轮作为柔性连接系统的减负悬浮背包。(Rome，L.C.,Rubber bands reduce the cost of carrying loads.Nature，444(7122)，1023-1024,2006)。相关成果已被LIGHTNING PACKS公司于2007年申请了发明专利(US2008185411A1)。此装置虽可降低代谢和肩部压力，但采用预拉伸式的柔性连接结构，需要较大的空间以放置相当长的预拉伸的弹力绳和多组滑轮组，其结构复杂、体积庞大。在此基础上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)，采用弹簧将负重与弹簧组成的振荡系统，降低人体负重行走时所受到的动态载荷，结构相较于弹力绳结构更为紧凑。

但以上悬浮背包的幅频-相频特性固定，只适应于特定行走速度和负重质量，而要达到减负效果，悬浮背包的共振频率要远小于人体行走频率，否则动态负载和代谢消耗反会增加。为了增强装置对不同速度的适应性，在中国发明专利CN107549983B重新提出一种减压背包，利用弹簧机构组成的减压组件作为背包和人体之间的缓冲，通过可更换式的弹簧机构改变系统幅频-相频特性，使用不同负载需求，但此种方法的幅频-相频特性仍为非连续的点，仅能适应与弹簧机构参数相符的几种负载需求。为解决这个问题，在中国发明专利申请CN111000361A中公开了一种辅助人体负重行走的动力背包装置，该装置将弹力绳作为被动系统，电机调控作为主动系统，通过弹力绳和电机的共同作用调控负载的上下运动，由数据采集单元采集人体运动时在竖直方向的加速度，并将采集的加速度传递给控制器，控制器根据该加速度设定负载竖直方向上的理想加速度，使得负载与人体反向运动，负载加速度达到最小。降低了背包的动态负载力和减小人体代谢消耗。但此种技术方案也采用弹力绳作为主要弹性元件，需绕过多组滑轮组提高弹性形变量，因此整体结构冗余体积大。

人在行走运动中，人体稳定性也是其中一个很重要的点，有研究指出，维持人体侧向稳定的能量占据人体代谢消耗的百分之二十，而现有悬浮背包会降低人体稳定性，因为现有悬浮背包都是采用负载与人体质心反向运动原理，将负载运动延迟人体质心运动180°相位，所以人体在双腿支承相时负载加速度最小，在单腿支承相时负载加速度并未落于足底压力中心正上方，形成一个大的倾覆力矩，额外增大的负载力会导致人体稳定性降低，同时不能将人体代谢消耗进一步降低。此外人体负重时前向也存在倾覆力矩，为克服人体负重时的前向倾覆力矩，人体负重时往往会将脊柱弯曲以降低前向倾覆力矩，但长期以这样的姿势负重会造成脊柱弯曲，给人体生理和机能造成不可逆的损伤。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种轮组式负重减荷装置，装置由分别固定于人体胸前和背后的前后两个背包组成，前后背包可将负载近似均匀在人体冠状面和矢状面两侧，前后背包通过两个同步的电机带动丝杠滑块机构，再由滑轮组件使得负载在前后背包冠状面的反向运动，降低人体行走负载加速度和在冠状面与矢状面的倾覆力矩，降低人体代谢消耗和增强人体侧向稳定性，解决现有悬浮背包体积大，无法适应不同行走速度和负重质量，会降低人体侧向稳定性，无法进一步降低人体代谢消耗等问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种轮组式负重减荷装置，其特征在于，包括结构相同的第一背包和第二背包，所述第一背包和所述第二背包可通过肩带和腰带固定于人体前后两侧；

所述第一背包包括第一负载、第二负载、滑动组件、运动输出单元、运动控制单元和数据采集单元；

所述滑动组件对称设置于所述第一背包的基板上，所述第一负载和所述第二负载分别安装于所述滑动组件；所述运动输出单元设置于所述基板；

所述运动输出单元包括电机、滑轮组件、丝杠滑块机构第一钢丝绳和第二钢丝绳；所述滑轮组件沿周向布置于所述基板；所述电机的输出轴连接于所述丝杠滑块机构；所述丝杠滑块机构的两端引出第一钢丝绳绕过所述滑轮组件并分别连接于所述第一负载和第二负载的顶部；所述第二钢丝绳的两端绕过所述滑轮组分别连接于所述第一负载和所述第二负载的底部；

所述数据采集单元用于采集人体质心的运动信息，并将所述运动信息传递给所述运动控制单元，所述运动控制单元用于根据所述运动信息控制所述电机驱动所述丝杠滑块机构牵引所述第一钢丝绳以使所述第一负载和所述第二负载分别沿所述滑动组件彼此反向移动，从而使所述第一负载和所述第二负载的运动幅度与人体运动过程中的上下运动幅度相同、运动频率为人体运动频率的1/2。

进一步优选地，第一背包和第二背包在结构和控制策略均相同，所述的第一背包将背负重物近似均匀分为左右质量相等的第一负载和第二负载，第一负载和第二负载分别通过滑动组件与第一背包的基板相连，滑动组件限制左右两侧负载在冠状轴方向上的运动，使得左右两侧负载只能在垂直方向上下运动，电机通过驱动丝杠滑块机构，牵引固定在滑块上的第一钢丝绳左右运动，第一钢丝绳通过滑轮组件分别与第一负载和第二负载连接，驱动第一负载和第二负载反向运动。

所述运动控制单元连接运动输出单元、电力单元、数据采集单元和锁止组件，用于实现各个单元的数据采集与处理，并根据处理后的数据信息控制运动输出单元，使左右两侧负载进行上下运动，所述运动输出单元通过CAN总线以及电源线与运动控制单元进行连接，用于将控制信息转化为所需运动方式，驱动左右两侧负载进行上下运动，所述的电力单元包括24V直流电源、电源开关以及电源转化模块，可为运动控制单元和运动驱动单元进行供电。所述数据采集单元包括位移传感器、加速度传感器和足底压力传感器，用于测量负重运动位移数据以及人体位移和步态数据。所述锁止组件用于装置未工作时的锁止，防止两侧负载因重力差而产生运动。

第一负载和第二负载近似相等，使用前使用者可将总负重近似均匀的分布冠状面两侧，以此通过两侧背包负重的重力相互抵消，运动控制单元采用较小的外力控制两侧负载进行反向运动，使得两侧负载运动幅度与人体上下运动幅度相同，运动频率为人体行走频率的二分之一，当某一侧腿处于单支承相时，与其相对应的同侧负载向下的加速度力最大，与其反侧的负载向下的加速度力最小，以增强人体侧向稳定性和减小人体维持侧向平衡所消耗的能量；此种运动方式相对于普通背包而言，同时还可减小人体在双支承相时的总体加速度力，减小人体行走过程中的负担，有效降低人体行走时的代谢消耗和侧向平衡，降低损伤风险、减轻肌肉疲劳和负重时的肩部压力。

优选地，所述丝杠滑块机构包括线性模组和钢丝绳张紧组件；所述线性模组包括模组固定架、丝杠滑块和丝杠；所述模组固定架固定于所述基板，所述电机的输出轴通过联轴器与所述丝杠连接，用于驱动所述丝杠旋转；所述丝杠滑块设置于所述丝杠，其用于在所述丝杠旋转的过程中沿所述丝杠左右移动。

优选地，所述钢丝绳张紧组件包括第一夹板、第二夹板、张紧螺杆、限位滑块和钢丝固定挡块；所述第一夹板通过第一固定螺栓固定安装于所述丝杠滑块外侧，所述第二夹板通过第二固定螺栓固定安装于所述第一夹板外侧；

所述第一夹板和所述第二夹板的两侧对应设有螺纹孔且沿所述螺纹孔延伸至中部对应设有方形槽，所述张紧螺杆分别设置于两侧的螺纹孔内并延伸至所述方形槽中；所述张紧螺杆位于所述方形槽内的一端依次设有限位滑块和钢丝固定挡块。

优选地，所述滑动组件包括第一滑轨、第二滑轨、第一滑块、第二滑块和滑块限位块；

所述第一滑轨沿所述基板的中心对称设置，所述第二滑轨沿所述基板的中心对称设置，所述第一滑块和所述第二滑块分别对应安装于所述第一滑轨和所述第二滑轨；所述滑块限位块设置于所述第一滑轨和第二滑轨的两端以使所述第一滑块和所述第二滑块在所述第一滑轨和所述第二滑轨的行程范围内移动。

优选地，所述第一滑轨靠近所述基板的外侧设置，所述第二滑轨靠近所述基板中心设置；所述第一滑块设有两个，两个所述第一滑块与所述第二滑轨的连线构成三角形的稳定结构。

进一步优选地，所述第一负载和第二负载分别通过两侧两个滑轨上的三个滑块固定在基板上，三个滑块的固定结构可避免背包负重产生的倾覆力矩使得背包倾斜与背包本体产生摩擦或者碰撞。两个导轨一根上有一个内滑块，滑块内嵌在滑轨内，可承受较大垂直于滑轨向外的力，另外一根导轨上有两个外滑块，滑轨内嵌在滑块内，可承受较大垂直于滑轨向内的力，所述的三个滑块可构成一个稳定的三角形结构。所述的两根导轨通过螺栓与基板相固定。

优选地，还包括锁止组件，所述锁止组件设置于所述滑轮组件与所述第一负载、第二负载之间的第一钢丝绳。

优选地，所述锁止组件包括第一锁止块、第二锁止块、第三锁止块和锁紧旋钮；所述第三锁止块通过螺栓固定于所述基板，所述第二锁止块和所述第一锁止块依次设置于所述第三锁止块且所述第二锁止块和所述第一锁止块之间设有用于夹紧所述第一钢丝绳的锁止孔；

当非工作时，所述锁紧旋钮通过其一端的螺柱结构依次穿过所述第一锁止块和所述第二锁止块并将第一锁止块和第二锁止块固定于所述第三锁止块上，此时所述第一钢丝绳锁紧于所述锁止孔内从而使第一负载和第二负载固定；

当工作时，将所述锁紧旋钮旋开并取下所述第一锁止块和所述第二锁止块，此时所述第一钢丝绳不再受到所述锁止孔的束缚从而使所述第一负载和第二负载沿滑动组件移动。

优选地，所述运动控制单元包括电机驱动器和控制器，所述控制器设置于所述基板，所述电机驱动器与所述控制器电连接；所述电机驱动器用于驱动所述电机并读取设置于所述电机输出端的编码器信息，对所述电机运动情况进行控制；所述控制器用于根据人体实时的运动三角函数和人体步态参数控制所述电机的运动规律。

优选地，还包括电力单元，所述电力单元包括电源和模式切换开关，所述电源和所述模式切换开关分别设置于所述腰带的左右两侧；所述电源用于给所述运动控制单元和所述数据采集单元提供直流电源，所述模式切换开关用于切换所述负重减荷装置的工作状态。

优选地，所述基板设有用于降低负重减荷装置重量的镂空结构。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提出的轮组式负重减荷装置包括人体前后两侧的背包和在背包左右两侧分布的负载，使用者可在左右两侧负载放置近似相等的负重，通过电机控制左右两侧负载做反向运动，每侧背包相对于人体做幅值与人体质心运动幅值相同，频率为人体行走频率二分之一的幅频特性进行运动，使得每侧负载在单支承相时支撑腿侧的加速度力最大，摆动腿侧产生加速度力最小，使得总负重对人体支撑点处的倾覆力矩最小，增强人体负重行走时的侧向稳定性，降低负重行走过程中的受伤风险。

2、本发明提出的轮组式负重减荷装置相对于现有背包具有降低人体代谢消耗和减小肩部压力的有益效果，降低负重对人体的损害。可降低人体行走时的前后倾覆力矩和单腿支承相时的侧向倾覆力矩，降低了人体维持平衡的能量，减少了脊柱侧弯风险。并且同时降低了双腿支承相时的加速度力，减小了人体负重行走过程中的肩部压力峰值，降低了人体负重行走双腿支承相时腿部做功，降低负重行走过程中的受伤风险；因此该装置从以上两个方面降低人体负重行走时的代谢消耗，相比于现有背包进一步降低了人体负重行走的能量消耗，降低负重对人体的损害。

3、本发明提出的轮组式负重减荷装置相比于其他悬浮背包而言，无弹性原件，无需采用多个弹簧或弹力绳等复杂结构去构成弹簧阻尼系统，而是采用丝杠滑块组成的线性模组进行主动控制，大大降低背包尺寸。同时丝杠滑块组成的线性模组运动输出更加平稳，运动输出机构形成的速度波动性更小。

4、本发明提出的轮组式负重减荷装置将负重在第一背包和第二背包的左右两侧近似对称布置，负重的重力大部分相互抵消，电机仅需调控其负载加速度，因此可通过较小功率的电机对左右负载的运动进行调控，相比于现有各种仅幅频-相频固定的悬浮背包，本发明可以适用于不同质量的负重。

5、本发明提出的轮组式负重减荷装置通过加速度传感器实时采集人体质心运动数据，通过电机对左右负载的运动进行调控，让负载的运动实时与人体运动状态相匹配，可以适用于不同行走速度的情况。

附图说明

图1是本发明轮组式负重减荷装置整体控制框架示意图；

图2是本发明轮组式负重减荷装置传感器布置示意图；

图3是本发明轮组式负重减荷装置实施例中第一背包的结构示意图；

图4是本发明轮组式负重减荷装置实施例中第一背包的结构示意图；

图5是本发明轮组式负重减荷装置实施例中运动输出单元的结构示意图；

图6是本发明轮组式负重减荷装置实施例中钢丝绳张紧组件结构示意图；

图7是本发明轮组式负重减荷装置实施例中锁止组件结构示意图；

图8是本发明轮组式负重减荷装置在使用时左右两侧负重运动示意图；

图9是本发明轮组式负重减荷装置在使用时左右两侧负重加速度力示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-肩带；2-线性模组；201-丝杠；202-丝杠滑块；3-基板；4-第一钢丝绳；5-钢丝连接件；6-第一负载；7-腰带；8-第二钢丝绳；9-电机驱动器；10-控制器；11-滑轮；12-位移传感器；13-第一滑块；14-第一滑轨；15-滑块限位块；16-滑轮支架；17-电机；18-第一夹板；19-第二夹板；20-张紧螺杆；21-电源；22-模式切换开关；23-第二负载；24-第一固定螺栓；25-限位滑块；26-钢丝固定挡块；27-第二固定螺栓；28-锁止组件；2801-第一锁止块；2802-第二锁止块；2803-第三锁止块；2804-锁止孔；2805-锁紧旋钮；29-左腿惯性传感器；30-右腿惯性传感器；31-左脚压力传感器；32-右脚压力传感器；33-右侧腰带惯性传感器；34-运动控制单元；35-运动输出单元；36-电力单元；37-数据采集单元；39-第二滑块；40-第二滑轨；100-第一背包；200-第二背包；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“侧向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，而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。

请参阅图1-图7，本发明提供一种轮组式负重减荷装置，该装置包括第一背包100和第二背包200，所述第一背包100和所述第二背包200通过肩带1和腰带7分别固定在人体胸前和背后，所述第一背包100和第二背包200均包含第一负载6、第二负载23、运动控制单元34、运动输出单元35、电力单元36、数据采集单元37和锁止组件38，所述第一背包100和所述第二背包200在结构和控制策略均相同，因此，本实施例以其中的第一背包100为示例，对所述第一背包100和所述第二背包200的具体细节进行叙述。

如图1-3所示，所述第一背包100包括第一负载6、第二负载23、运动控制单元34、运动输出单元35、电力单元36、数据采集单元37和锁止组件38，所述运动控制单元34连接运动输出单元35、电力单元36、数据采集单元37，用于实现各个单元的数据采集与处理，并根据处理后的数据信息控制运动输出单元35，使左右两侧负载进行上下运动，所述运动输出单元通过CAN总线以及电源线与运动控制单元34进行连接，用于将控制信息转化为所需运动方式，驱动左右两侧负载进行上下运动，所述的电力单元36包括24V直流电源、电源开关以及模式切换开关22，可为运动控制单元34和运动输出单元进行35供电。所述数据采集单元37包括位移传感器12、左腿惯性传感器29、右腿惯性传感器30、右侧腰带惯性传感器33和左脚压力传感器31、右脚压力传感器32，用于测量负载运动位移数据以及人体位移和步态数据。所述锁止组件用于机构未工作时的锁止，防止两侧负载因重力差而产生运动。

如图3所示，所述滑动组件包括第一滑轨14、第一滑块13、第二滑轨40和第二滑块39；所述的第一滑轨14和第二滑轨40两端有滑块限位块15，分别通过固定螺栓固定于基板3上，防止滑块滑出滑轨或者负载运动距离超出限位区间。所述基板3下部固定有位移传感器12，所述位移传感器12与第一负载6和第二负载23的下侧相连接，用于测量左右两侧负载的实际位移数据，并将数据传输给控制器10。

如图3所示，所述第一背包100的第一负载6和第二负载23近似相等，使用前使用者可将总负重近似均匀的分布冠状面两侧，以此将背包的左右负重的重力相互抵消，所述的运动控制单元34采用较小的外力控制两侧负载进行反向运动，使得两侧背包运动幅度与人体上下运动幅度相同，运动频率为人体行走频率的二分之一，当某一侧腿处于单支承相时，与其相对应的同侧负重向下的加速度力最大，与其反侧的负重向下的加速度力最小，以增强人体侧向稳定性和减小人体维持侧向平衡所消耗的能量；此种运动方式相对于普通背包而言，同时还可减小人体在双支承相时的总体加速度力，减小人体行走过程中的负担，有效降低人体行走时的代谢消耗和侧向平衡，降低损伤风险、减轻肌肉疲劳和负重时的肩部压力。

如图2和图4所示，所述第一背包100和第二背包200的基板3通过肩带1与腰带7与人体进行连接，所述肩带1与腰带16通过铆钉与基板3进行连接，可保证连接处的平整，消除人体背负的不适感。

如图1、图3所示，所述运动控制单元34通过串口读取数据采集单元37的数据信息，并通过为控制单元MCU对传感器信息进行处理与分析，所述运动控制单元34通过电机驱动器9驱动运动输出单元的电机17，并读取电机编码器信息，对电机17运动情况进行控制。

如图4所示，所述基板3下部中间位置布置有控制器10和电机驱动器9，所述控制器10和电机驱动器9构成运动控制单元，用于控制电机17的运动输出。所述电机驱动器9通过CAN总线和电源线与控制器10进行连接，并将调制后的三相交流电用于控制电机17，电机编码器再将运动数据传输给电机驱动器9并返回给控制器10，实现闭环控制。

如图1、图2所示，所述数据采集单元37包括左腿惯性传感器29、右腿惯性传感器30、位移传感器12、左脚压力传感器31、右脚压力传感器32、右侧腰带惯性传感器33，所述右侧腰带惯性传感器33固定于人体髋关节，用于测量人体质心运动数据，获得人体在一定时间段的平均行走速度，通过如下公式1计算得到人体质心的运动振幅。

再通过公式2计算人体行走频率

即可得到人体质心运动方程

x＝A*sin(ωt)

如图1、图2所示，所述位移传感器12分别用于测量第一负载6和第二负载23的位移数据，并将位移数据传输至控制器10，实现反馈控制。所述左脚压力传感器31、右脚压力传感器32和左腿惯性传感器29、右腿惯性传感器30，分别用于测量左右脚脚跟于脚尖触地时间和左右脚姿态，并将压力数据和姿态数据传输至控制器10，控制器通过对数据进行分析划分人体步态周期，并根据步态周期信息控制电机运动，实现负重与人体步态周期符合图8所示的运动关系。

如图1、图4所示，所述的电力单元36包括电源21、电源开关、电压转化模块和模式切换开关22，所述电源21固定于背包右侧腰带7上，所述电压转化模块可将24V电压调制为5V直流电压，给运动控制单元34和数据采集单元37进行供电。所述模式切换开关22固定于背包左侧腰带，用于切换背包的工作状态。

如图5所示，所述运动输出单元35包括电机17、编码器、滑轮组件以及丝杠滑块机构，所述电机17与编码器连接一体，所述编码器可实时测量电机转速，并将电机运动数据传输给运动控制单元34的电机驱动器9。

如图5所示，所述丝杠滑块机构包括线性模组2和钢丝绳张紧组件；所述线性模组2包括模组固定架、丝杠滑块202和丝杠201；所述模组固定架通过螺栓固定在基板3上，电机外壳与模组固定架连接，电机17的输出轴通过联轴器与丝杠201进行连接，并可通过电机17驱动丝杠201进行旋转；所述丝杠滑块201可在丝杠201的转动左右运动。

如图6所示，所述钢丝绳张紧机构包括第一夹板18、第二夹板19、张紧螺杆20、限位滑块25和钢丝固定挡块26，所述第一夹板18通过第二固定螺栓27与丝杠滑块202连接，所述第二夹板19通过第一固定螺栓24与第一夹板18固定，所述第二夹板19与第一夹板18左右两侧各有半个螺纹孔，且中间有一个方形槽，所述张紧螺杆20安装在第二夹板19与第一夹板18形成的螺纹孔中，可旋转以实现小幅度位移；所述张紧螺杆20与限位滑块25相连接，当张紧螺杆20旋转移动时可带动限位滑块25左右移动，所述第一钢丝绳4穿过张紧螺杆20与钢丝固定挡块26连接，使得限位滑块25左右移动时，可调整左右两侧第一钢丝绳4和的张紧程度。

如图4所示，所述滑轮组件包括三根独立的钢丝绳和四个定滑轮，所述第一钢丝绳4其中一端与钢丝固定挡块固定26，随着限位滑块25的左右移动而移动，并通过两个定滑轮进行方向变化，第一钢丝绳4的另外一端分别与第一负载6和第二负载23的上部进行连接。第二钢丝绳8分别通过两个定滑轮组进行两次方向变化，第二钢丝绳8两端分别固定在第一负载6和第二负载23的下端；整个钢丝绳与滑轮组件和负载组成一个回路，并通过钢丝绳张紧组件使所有钢丝绳处于一定程度的张紧状态，让负载能在钢丝绳的带动下上下运动。所述滑轮组件包括滑轮轴、轴承、滑轮11和滑轮支架16，所述滑轮支架16固定在基板3上，所述滑轮11与滑轮支架16固定，轴承分别与滑轮11和滑轮轴配合。

如图7所示，所述锁止组件28包括第一锁止块2801、第二锁止块2802、第三锁止块2803和锁紧旋钮2805，所述第三锁止块2803通过螺栓固定在基板3上，所述第二锁止块2802、第一锁止块2801的可以通过前端为螺柱的锁紧旋钮2805与第三锁止2803相固定，当装置处于非工作状态时，可拧紧锁紧旋钮2805，使得第二锁止块2802和第一锁止块2801夹紧第一钢丝绳4，将第一负载6和第二负载23锁紧，当装置处于工作状态时，将所述锁紧旋钮2805拧松，取下第二锁止块2802和第一锁止块2801，防止锁止块与钢丝绳发生干涉，此时左右两侧负载可自由上下运动。

如图7所示，所述第二锁止块2802为橡胶材质，可增大锁止时的摩擦力并减小对钢丝绳的损伤，所述第二锁止块2802和第一锁止块2801上有半径小于钢丝绳半径的半圆，当第二锁止块2802和第一锁止块2801在锁紧旋钮2805作用下紧闭时，可牢牢锁紧钢丝绳的运动。

如图8、9所示，当人体位于左腿直立位于左腿单支承相最高点时，人体质心运动方程为

x＝A*cos(ωt)

此时左侧负重运动至最低点，左侧负重位移

x_左＝-A*cos(2ωt)

其左侧负重给人体的力

F_左＝[g+A²*cos(2ωt)]*m_左

其右侧负重给人体的力

F_右＝[g-A²*cos(2ωt)]*m_右

因为此时左侧腿为支撑点，所以左侧负重再人体侧向不产生倾覆力矩，

M_左右＝0

而右侧负重因为人体步宽的存在，受力方向与人体支撑点不重合，所以存在倾覆力矩

M_右＝[g-A²*cos(2ωt)]*m_左*W

其中W为人体步宽。

若为普通悬浮背包，则在单支承相时负重的加速度最大，因此也会产生一个较大的倾覆力矩

当左侧与右侧负重近似相等时

我们易知

M_左+M_右＜M₀

因此本发明所述的背包可降低人体负重行走时的侧向倾覆力矩，并提高人体侧向稳定性。

此外，当人体位于双支撑相时，本发明两侧负重运动至同一水平位置，此时左右两侧背包对于人体不施加加速度力，相比于普通背包，消除了人体在双支承相时由于加速度给人体造成的影响，降低了人体肩部压力。而有研究指出增强人体侧向稳定性和前向稳定性可降低人体代谢消耗，而人体负重行走时代谢消耗主要用于人体以及负重上下振荡和人体侧向的维持，因此人体负重行走过程中的代谢消耗可表示为

而由上式可知，本发明即降低人体对于质心上下运动的能量消耗W₁,同时降低了人体行走过程中维持人体平衡的代谢消耗W₂，由此可知本发明所阐述的背包可降低人体在负重行走过程中的代谢消耗。

当人体右腿位于单支承相时，左侧负重达到最高点，此时左侧负重对人体的加速度力最小，而右侧负重达到最低点，此时右侧负重对人体的加速度力最大，同样降低人体负重行走时的侧向倾覆力矩，并提高人体侧向稳定性。

如此往复循环，使用本发明所述背包可提高人体侧向稳定性，降低了人体肩部压力，并降低人体代谢消耗。

下面通过具体实施例来进一步说明本发明的工作原理。

在使用该装置负重行走时具体过程如下：

使用者首先将锁止组件38的锁紧旋钮拧松，取下第一锁止块2801和第二锁止块2802，使第一负载6和第二负载23可以上下运动，然后通过肩带1和腰带7将第一背包100和第二背包200固定于人体，打开电源21开关，背包进入初始化状态，控制器10通过电机驱动器控制运动输出单元35的电机17进行转动，电机通过联轴器带动丝杠201运动，使得丝杠滑块202可以左右运动带动第一负载6和第二负载23进行运动，通过位移传感器12分别确定负载的初始位置。然后背包默认进入待机模式，待机模式中，电机17通过位移传感器12的位移数据构成闭环PID控制，通过运动输出单元35使得左右两侧负载位移相同，此时左右两侧负载都位于同一水平位置。当人体行走时，右侧腰部惯性传感器33通过滑动窗测量人体一小段时间内的平均行走速度并将数据传输给控制器10，控制器通过对右侧腰带惯性传感器33数据的实时处理得到人体运动的近似三角函数。当按下左侧腰带的模式切换开关22后，第一背包和第二背包同时进入工作状态，控制器读取左脚压力传感器31、右脚压力传感器32、左腿惯性传感器29和右腿惯性传感器30的数据，划分人体步态参数，控制器10根据人体实时的运动三角函数和人体步态参数控制电机17的运动规律，电机17通过带动丝杠201运动，让钢丝绳在丝杠滑块202的带动下进行运动，使得第一负载6和第二负载23进行方向相反但位移量相同的运动，控制器10通过控制算法生成的命令发送电流信号给电机驱动器9，电机驱动器9工作在电流控制模式，控制电机17产生相应的运动输出，并使得第一负载6和第二负载23按图9所述运动规律进行运动，降低人体负重行走时的侧向倾覆力矩，提高人体侧向稳定性，降低了人体肩部压力和代谢消耗。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轮组式负重减荷装置，其特征在于，包括结构相同的第一背包(100)和第二背包(200)，所述第一背包(100)和所述第二背包(200)可通过肩带(1)和腰带(7)固定于人体前后两侧；

所述第一背包(100)包括第一负载(6)、第二负载(23)、滑动组件、运动输出单元(35)、运动控制单元(34)和数据采集单元(37)；

所述滑动组件对称设置于所述第一背包(100)的基板(3)上，所述第一负载(6)和所述第二负载(23)分别安装于所述滑动组件；所述运动输出单元(35)设置于所述基板(3)；

所述运动输出单元(35)包括电机(17)、滑轮组件、丝杠滑块机构第一钢丝绳(4)和第二钢丝绳(8)；所述滑轮组件沿周向布置于所述基板(3)；所述电机(17)的输出轴连接于所述丝杠滑块机构；所述丝杠滑块机构的两端引出第一钢丝绳(4)绕过所述滑轮组件并分别连接于所述第一负载(6)和第二负载(23)的顶部；所述第二钢丝绳(8)的两端绕过所述滑轮组分别连接于所述第一负载(6)和所述第二负载(23)的底部；

所述数据采集单元(37)用于采集人体质心的运动信息，并将所述运动信息传递给所述运动控制单元(34)，所述运动控制单元(34)用于根据所述运动信息控制所述电机(17)驱动所述丝杠滑块机构牵引所述第一钢丝绳(4)以使所述第一负载(6)和所述第二负载(23)分别沿所述滑动组件彼此反向移动，从而使所述第一负载(6)和所述第二负载(23)的运动幅度与人体运动过程中的上下运动幅度相同、运动频率为人体运动频率的1/2。

2.根据权利要求1所述的一种轮组式负重减荷装置，其特征在于，所述丝杠滑块机构包括线性模组(2)和钢丝绳张紧组件；所述线性模组(2)包括模组固定架、丝杠滑块(202)和丝杠(201)；所述模组固定架固定于所述基板(3)，所述电机(17)的输出轴通过联轴器与所述丝杠(201)连接，用于驱动所述丝杠(201)旋转；所述丝杠滑块(202)设置于所述丝杠(201)，其用于在所述丝杠(201)旋转的过程中沿所述丝杠(201)左右移动。

3.根据权利要求2所述的一种轮组式负重减荷装置，其特征在于，所述钢丝绳张紧组件包括第一夹板(18)、第二夹板(19)、张紧螺杆(20)、限位滑块(25)和钢丝固定挡块(26)；所述第一夹板(18)通过第一固定螺栓(27)固定安装于所述丝杠滑块(202)外侧，所述第二夹板(19)通过第二固定螺栓(24)固定安装于所述第一夹板(18)外侧；

所述第一夹板(18)和所述第二夹板(19)的两侧对应设有螺纹孔且沿所述螺纹孔延伸至中部对应设有方形槽，所述张紧螺杆(20)分别设置于两侧的螺纹孔内并延伸至所述方形槽中；所述张紧螺杆(20)位于所述方形槽内的一端依次设有限位滑块(25)和钢丝固定挡块(26)。

4.根据权利要求1所述的一种轮组式负重减荷装置，其特征在于，所述滑动组件包括第一滑轨(14)、第二滑轨(40)、第一滑块(13)、第二滑块(39)和滑块限位块(15)；

所述第一滑轨(14)沿所述基板(3)的中心对称设置，所述第二滑轨(40)沿所述基板(3)的中心对称设置，所述第一滑块(13)和所述第二滑块(39)分别对应安装于所述第一滑轨(14)和所述第二滑轨(40)；所述滑块限位块(15)设置于所述第一滑轨(14)和第二滑轨(40)的两端以使所述第一滑块(13)和所述第二滑块(39)在所述第一滑轨(14)和所述第二滑轨(40)的行程范围内移动。

5.根据权利要求4所述的一种轮组式负重减荷装置，其特征在于，所述第一滑轨(14)靠近所述基板(3)的外侧设置，所述第二滑轨(40)靠近所述基板(3)中心设置；所述第一滑块(13)设有两个，两个所述第一滑块(13)与所述第二滑轨(40)的连线构成三角形的稳定结构。

6.根据权利要求1所述的一种轮组式负重减荷装置，其特征在于，还包括锁止组件(28)，所述锁止组件(28)设置于所述滑轮组件与所述第一负载(6)、第二负载(23)之间的第一钢丝绳(4)。

7.根据权利要求6所述的一种轮组式负重减荷装置，其特征在于，所述锁止组件(28)包括第一锁止块(2801)、第二锁止块(2802)、第三锁止块(2803)和锁紧旋钮(2805)；所述第三锁止块(2803)通过螺栓固定于所述基板(3)，所述第二锁止块(2802)和所述第一锁止块(2801)依次设置于所述第三锁止块(2803)且所述第二锁止块(2802)和所述第一锁止块(2801)之间设有用于夹紧所述第一钢丝绳(4)的锁止孔(2804)；

当非工作时，所述锁紧旋钮(2805)通过其一端的螺柱结构依次穿过所述第一锁止块(2801)和所述第二锁止块(2802)并将第一锁止块(2801)和第二锁止块(2802)固定于所述第三锁止块(2803)上，此时所述第一钢丝绳(4)锁紧于所述锁止孔(2804)内从而使第一负载(6)和第二负载(23)固定；

当工作时，将所述锁紧旋钮(2805)旋开并取下所述第一锁止块(2801)和所述第二锁止块(2802)，此时所述第一钢丝绳(4)不再受到所述锁止孔(2804)的束缚从而使所述第一负载(6)和第二负载(23)沿滑动组件移动。

8.根据权利要求1所述的一种轮组式负重减荷装置，其特征在于，所述运动控制单元(34)包括电机驱动器(9)和控制器(10)，所述控制器(10)设置于所述基板(3)，所述电机驱动器(9)与所述控制器(10)电连接；所述电机驱动器(9)用于驱动所述电机(17)并读取设置于所述电机(17)输出端的编码器信息，对所述电机(17)运动情况进行控制；所述控制器(10)用于根据人体实时的运动三角函数和人体步态参数控制所述电机(17)的运动规律。

9.根据权利要求1所述的一种轮组式负重减荷装置，其特征在于，还包括电力单元(36)，所述电力单元(36)包括电源(21)和模式切换开关(22)，所述电源(21)和所述模式切换开关(22)分别设置于所述腰带(7)的左右两侧；所述电源(21)用于给所述运动控制单元(34)和所述数据采集单元(37)提供直流电源，所述模式切换开关(22)用于切换所述负重减荷装置的工作状态。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种轮组式负重减荷装置，其特征在于，所述基板(3)设有用于降低负重减荷装置重量的镂空结构。

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