CN215423288U - 一种背包装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种背包装置，包括背包、肩带、弹簧阻尼机构，所述的肩带下端与背包相连，上端穿过背包与设置在所述背包内部的弹簧阻尼机构连接，所述的弹簧阻尼机构内部设置有单向离合器，在人体负重行走时能够单向地在人体重心向下位移的阶段进行能量捕获，同时利用背包重物振动与人体振动之间的相位差，减少背包对人体肩部的冲击载荷。本实用新型结构紧凑、体积小、重量轻、成本较低、制造方便，特别适合野外作业背负重物时使用。与传统发电悬浮背囊装置相比，本实用新型进行了单向的能量捕获，减少了人体的肩部冲击载荷，从而减少了潜在的代谢成本。

Description

一种背包装置

技术领域

本实用新型涉及人体穿戴设备领域，具体涉及一种能够有效减轻人体背负重物时肩部所受的冲击载荷和进行单向能量捕获的管式背包装置。

背景技术

在军事领域中，战争信息化成为未来的发展趋势，士兵需要携带更多的电子设备来进行作战。这使士兵携带装备的负重不断提高，对士兵的体能产生了挑战。人体背负重物行走时，人体重心在垂直轴方向会产生一个周期性的位移，同时背包也跟随着人体进行位移。因此在行走的过程中，背包对人体的肩部施加了一个动态力，随着行走的周期变化，该动态力在负重的重力值上下动态波动，峰值能够达到负重重力值的2～3倍。同时，随着越来越多单兵电子设备的使用，士兵对电能的需求和依赖越来越高，单兵电能保障已经成为信息化战场中制约单兵作战能力、生存维持能力的重要因素之一。目前的电能补充一般通过电池更换来进行，这就意味着士兵需要携带额外的电池来进行作战，给士兵带来了重量负担。因此，寻找一种能够对人体有一定助力、减轻人体肩部冲击载荷，高效收集环境中的能量，为士兵提供持续电能续航的设备是十分有必要和意义重大的。经检索，目前还没有与本申请类似的方法或者装置，用于减轻人体背负重物时受到的冲击载荷，同时还能够进行能量捕获。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提出了一种具备减少冲击载荷和单向能量捕获能力的管式背包装置，巧妙设置了能够进行单向捕获人体动能的弹簧阻尼机构，只在人体重心向下位移的阶段进行能量捕获，同时利用弹簧阻尼机构使背包振动与人体振动形成相位差，实现减轻肩部冲击载荷的目的。分析表明本实用新型所述的背包装置能够有效降低人体肩部在行走过程中受到的冲击载荷，同时能够高效地收集人体重心向下位移时的负功并转换成电能，该背包装置特别适合需要背负高负重并且需要电能续航的野外作业人员、士兵、背包客等，减轻肩部负担和提高作业效率。

本实用新型采用如下技术方案实现：

本实用新型公开了一种背包装置，包括背包、肩带和弹簧阻尼机构，所述肩带的下端与所述的背包相连，所述肩带的上端穿过背包与设置在所述背包内部的弹簧阻尼机构连接，所述的弹簧阻尼机构包括固定框架以及两个固定安装在所述固定框架上的弹簧阻尼组件，每个所述弹簧阻尼组件包括肩带、卷簧安装外壳、肩带固定轴安装外壳、发电机固定外壳、肩带固定轴、发条弹簧、发条弹簧轴、动力传动轴、单向离合器和带增速机构的发电机。所述肩带的一端与背包连接，另一端固定和缠绕在所述的肩带固定轴上；所述肩带固定轴的两端使用轴承与肩带固定轴安装外壳连接，所述发条弹簧轴与所述肩带固定轴同轴安装并且通过螺栓固定，所述动力传动轴与所述肩带固定轴同轴安装并且通过螺栓固定；所述的肩带拉动所述肩带固定轴转动时，所述肩带固定轴能带动所述的发条弹簧轴和所述动力传动轴转动并传递动力。所述肩带(2)被拉长时，所述单向离合器(12)不向所述带增速机构的发电机(13)传递动力，所述带增速机构的发电机(13)不工作；所述肩带(2)被收短时，所述单向离合器(12)向所述带增速机构的发电机(13)传递动力，所述带增速机构的发电机(13)工作。通过单向离合器来控制向电机输入动力的时机，以此实现人体重心向下位移时的单向能量捕获，减少人体代谢成本。

进一步地，所述的弹簧阻尼机构设置在所述背包的内部。

进一步地，所述的肩带使用的材料为尼龙纤维材料。

进一步地，所述的弹簧阻尼组件通过安装卡扣来固定在固定框架上，两个弹簧阻尼组件关于固定框架的中心线中心对称且同轴布置，使人体振动引起背包振动时两个弹簧阻尼机构组件的输入速度大致相同，保证背包不会左右倾斜，并且使负重载荷均匀地分布在双肩上。

进一步地，所述的弹簧阻尼组件中的卷簧安装外壳、肩带固定轴安装外壳、发电机固定外壳、肩带固定轴、发条弹簧、发条弹簧轴、动力传动轴、单向离合器和带增速机构的发电机同轴布置，合理安排传动顺序，缩小装置体积和重量，以此减轻装置重量对使用者的影响。

进一步地，所述的动力传动轴、单向离合器和带增速机构的发电机的电机输出轴上设计有键槽并安装了键；所述动力传动轴通过键向所述单向离合器传递动力，所述单向离合器通过键向所述带增速机构的发电机传递动力。

进一步地，所述肩带固定轴安装外壳上设计有槽，该槽能够容许所述肩带通过并与肩带固定轴相连，在运动过程中所述肩带不与所述肩带固定轴安装外壳接触，减小摩擦，提高能量捕获的收集效率和背包装置的稳定性。

进一步地，所述的发条弹簧安装在所述的卷簧安装外壳内，所述肩带被拉长时，所述的发条弹簧储存动能；所述肩带被收短时，所述的发条弹簧释放弹簧能。通过发条弹簧来为背包向上运动提供回复力，以此实现背包的往复运动，同时节省空间，减轻装置的重量。

本实用新型所述的背包装置利用重物与弹簧阻尼机构组成的弹簧质量阻尼系统的自然频率与人体步行振动频率之间的差异，构造弹簧质量阻尼系统振动和人体振动之间的相位差，来实现减轻肩部动态冲击载荷的目的。人体步行时，通过肩带背负重物进行运动，重物和弹簧阻尼系统组成振荡系统，跟随着人体振动而振动。选择合适的弹簧阻尼系统参数可以使人体振动的波峰对应背包负载振动的波谷，由此可以减小背包对人体肩部的冲击载荷，减轻人体背负重物的负担。同时在系统的传动机构中加入了单向离合器，在人体重心向上位移、背包向下位移时向发电机输入速度，在人体重心向下位移、背包向上位移时与发电机的运动断开，以此实现单向捕获人体运动中的负功，减少人体代谢的成本。

本实用新型巧妙设置了单向离合器作为传动机构，通过单向离合器来控制向发电机输入速度的时机，从而实现人体负功的单向能量捕获。同时对不同质量的负重匹配不同的弹簧刚度系数和阻尼系数，使背包振动与人体振动形成相位差，实现减负的目的，结构创新，设计紧凑，质量轻，成本低，加工方便，有效缓解了野外作业时的高负重负担和解决了野外电能续航的问题。

附图说明

图1是本实用新型所述的背包装置的整体结构示意图。

图2是本实用新型所述的弹簧阻尼系统整体示意图。

图3是本实用新型所述的弹簧阻尼系统内部结构示意图。

图中：1-背包；2-肩带；3-卷簧安装外壳；4-肩带固定轴安装外壳；5-发电机固定外壳；6-固定框架；7-安装卡扣；8-发条弹簧轴；9-发条弹簧；10-肩带固定轴；11-动力传动轴；12-单向离合器；13-带增速机构的发电机。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本实用新型作进一步说明，但不限于此。

如图1和图2所示，一种背包装置，包括背包1、肩带2、弹簧阻尼机构，所述的肩带2下端与背包1相连，上端穿过背包1与设置在所述背包1内部的弹簧阻尼机构连接，所述的弹簧阻尼机构内部设置有单向离合器12，在人体负重行走时能够单向地在人体重心向下位移的阶段进行能量捕获，同时利用背包重物振动与人体振动之间的相位差，减少背包对人体肩部的冲击载荷。

本实施例中提供的背包装置(减负发电背包装置)，利用重物与弹簧阻尼机构组成的弹簧质量阻尼系统的自然频率与人体步行振动频率之间的差异，构造弹簧质量阻尼系统振动和人体振动之间的相位差，来实现减轻肩部动态冲击载荷的目的。人体步行时，通过肩带背负重物进行运动，重物和弹簧阻尼系统组成振荡系统，跟随着人体振动而振动。选择合适的弹簧阻尼系统参数可以使人体振动的波峰对应背包负载振动的波谷，由此可以减小背包对人体肩部的冲击载荷，减轻人体背负重物的负担。同时在系统的传动机构中加入了单向离合器，在人体重心向上位移、背包向下位移时向发电机输入速度，在人体重心向下位移、背包向上位移时与发电机的运动断开，以此实现单向捕获人体运动中的负功，减少人体代谢的成本。

具体而言，所述的弹簧阻尼机构设置在所述背包1的内部，所述弹簧阻尼机构包括固定框架6以及两个固定安装在所述固定框架6上的弹簧阻尼组件，每个所述弹簧阻尼组件均安装在管式外壳外部，包括卷簧安装外壳3、肩带固定轴安装外壳4、发电机固定外壳5、肩带固定轴10、发条弹簧9、发条弹簧轴8、动力传动轴11、单向离合器12、带增速机构的发电机13，所述的肩带2一端使用缝制或者卡扣的方法与背包1连接，另一端使用缝制的方法固定和缠绕在肩带固定轴10上。肩带固定轴10的两端使用轴承与外壳连接，发条弹簧轴8与肩带固定轴10同轴安装并且通过螺栓固定，动力传动轴11与肩带固定轴10同轴安装并且通过螺栓固定。肩带2拉动肩带固定轴10转动时，肩带固定轴10能带动发条弹簧轴8与动力传动轴11转动并传递动力。合理安排传动顺序，缩小装置体积和重量，以此减轻装置重量对使用者的影响。

具体而言，所述肩带2将背包负重与弹簧阻尼系统连接在一起，构成弹簧质量阻尼系统。所述的肩带2使用的材料为尼龙纤维材料，提高装置的强度和使用寿命。

具体而言，所述的弹簧阻尼组件安装在管式外壳上，通过安装卡扣7来固定在固定框架6上，两个弹簧阻尼组件关于固定框架6的中心线中心对称且同轴布置，使人体振动引起背包振动时两个弹簧阻尼机构组件的输入速度大致相同，保证背包不会左右倾斜，维持人体平衡并且使负重载荷均匀地分布在双肩上。

具体而言，所述的弹簧阻尼组件中的卷簧安装外壳3、肩带固定轴安装外壳4、发电机固定外壳5、肩带固定轴10、发条弹簧9、发条弹簧轴8、动力传动轴11、单向离合器12、带增速机构的发电机13同轴布置。卷簧安装外壳3、肩带固定轴安装外壳4、发电机固定外壳5为管式形状的外壳，不参与系统的传动运动，起到包裹和保护的功能。卷簧安装外壳3与肩带固定轴安装外壳4使用螺栓固定，肩带固定轴安装外壳4与发电机固定外壳5使用螺栓固定。肩带固定轴10、发条弹簧9、发条弹簧轴8、动力传动轴11、单向离合器12、带增速机构的发电机13为系统的传动部分，肩带固定轴10的两端使用轴承与肩带固定轴安装外壳连接，发条弹簧轴8与肩带固定轴10同轴安装并且通过螺栓固定，动力传动轴11与肩带固定轴10同轴安装并且通过螺栓固定，动力传动轴11与单向离合器12同轴安装并且单向离合器12上安装有键，单向离合器12与带增速机构的发电机13的输入轴同轴安装并且发电机的输入轴上安装有键。

具体而言，所述动力传动轴11设计有键槽，单向离合器12的外圈上设计有键槽，键固定在单向离合器12的外圈上并且与动力传动轴11上的键槽存在配合关系。动力传动轴11转动时，通过键向单向离合器12的外圈传递动力并且带动单向离合器12的外圈转动。带增速机构的发电机13的电机输入轴上设计有键槽，单向离合器12的内圈上设计有键槽，键固定在带增速机构的发电机13的输入轴上并且与单向离合器12内圈上的键槽存在配合关系。单向离合器12的外圈与内圈具有可分离的功能，当外圈正向转动并且转动速度大于内圈的转动速度时，外圈与内圈视为刚体，外圈带动内圈转动并传递动力；当单向离合器12的外圈正向转动并且转动速度小于内圈的转动速度或反向转动时，外圈与内圈处于分离状态，外圈不向内圈传递动力并且两者之间的运动互不影响。因此，当单向离合器12的外圈正向转动并且转动速度大于带增速机构的发电机13的输入轴的转动速度时，单向离合器12与带增速机构的发电机13可视为刚体，单向离合器12通过键向带增速机构的发电机13传递动力并且带动带增速机构的发电机13转动；当单向离合器12的外圈正向转动并且转动速度小于带增速机构的发电机13的输入轴的转动速度或者单向离合器12的外圈反向转动时，单向离合器12与带增速机构的发电机13处于分离状态，单向离合器12不向带增速机构的发电机13传递动力。

具体而言，所述肩带固定轴安装外壳4上设计有长方形孔槽，孔槽的宽度比肩带2的宽度更大，可容许所述肩带2通过孔槽与肩带固定轴10相连，运动过程中所述肩带2的运动范围在槽内且不与所述肩带固定轴安装外壳4接触，减小摩擦，提高能量捕获的收集效率和背包装置的稳定性，增加装置的使用寿命。

具体而言，当人体的重心向上运动时，所述肩带2被拉长，带动肩带固定轴10转动，肩带固定轴10将动力传递给动力传动轴11，动力传动轴11再通过键将动力传递给单向离合器12的外圈部分，此时外圈处于反向转动状态，不向带增速机构的发电机13的输入轴传递动力，因此发电机不工作，不进行能量捕获。当人体的重心向下运动时，所述肩带2被发条弹簧所提供的回复力收短，带动肩带固定轴10转动，肩带固定轴10将动力传递给动力传动轴11，动力传动轴11再通过键将动力传递给单向离合器12的外圈部分，此时外圈处于正向转动状态，当外圈转动的速度大于带增速机构的发电机13输入轴的转动速度时，向带增速机构的发电机13输入速度，发电机处于工作状态，此时对人体运动的能量进行捕获。通过单向离合器来控制向电机输入动力的时机，以此实现人体重心向下位移时的单向能量捕获，减少人体代谢成本。

具体而言，所述的发条弹簧9安装在所述的卷簧安装外壳3内，发条弹簧9的外钩固定在卷簧安装外壳3上，内钩固定在发条弹簧轴8上。所述肩带2被拉长时，带动肩带固定轴10转动，肩带固定轴10将动力传递给发条弹簧轴8并且带动发条弹簧轴8转动，从而带动内钩正向转动。由于外钩固定在卷簧安装外壳3上，内钩被带着正向转动，发条弹簧9开始工作并将动能转换为弹簧能。当人提供给肩带2的拉力小于发条弹簧9的弹簧力时，发条弹簧9的弹簧力起到回复力的作用，将肩带2缩短，同时发条弹簧9的内钩反向转动，将弹簧能转换为背包运动的动能。

人体步行时，通过肩带背负重物进行运动，重物和弹簧阻尼系统组成振荡系统，跟随着人体振动而振动。选择合适的弹簧阻尼系统参数可以使人体振动的波峰对应背包负载振动的波谷，由此可以减小背包对人体肩部的冲击载荷，减轻人体背负重物的负担。同时在系统的传动机构中加入了单向离合器，在人体重心向上位移、背包向下位移时向发电机输入速度，在人体重心向下位移、背包向上位移时与发电机的运动断开，以此实现单向捕获人体运动中的负功，减少人体代谢的成本。

本实用新型巧妙设置了能够进行单向捕获人体动能的弹簧阻尼机构，只在人体重心向下位移的阶段进行能量捕获，同时利用弹簧阻尼机构使背包振动与人体振动形成相位差，实现减轻肩部冲击载荷的目的。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种背包装置，其特征在于：包括背包(1)、肩带(2)和弹簧阻尼机构，所述背包(1)上设置有弹簧阻尼机构；所述的弹簧阻尼机构设置在所述的背包(1)上；所述肩带(2)的下端与背包连接，所述肩带(2)的上端与所述弹簧阻尼机构的一端固定连接；所述弹簧阻尼机构包括固定框架(6)以及两个固定安装在所述固定框架上的弹簧阻尼组件，每个所述弹簧阻尼组件包括卷簧安装外壳(3)、肩带固定轴安装外壳(4)、发电机固定外壳(5)、发条弹簧轴(8)、发条弹簧(9)、肩带固定轴(10)、动力传动轴(11)、单向离合器(12)和带增速机构的发电机(13)，所述肩带(2)的一端与背包(1)连接，另一端固定和缠绕在所述的肩带固定轴(10)上；所述肩带固定轴(10)的两端使用轴承与肩带固定轴安装外壳连接，所述发条弹簧轴(8)与所述肩带固定轴(10)同轴安装并且通过螺栓固定，所述动力传动轴(11)与所述肩带固定轴(10)同轴安装并且通过螺栓固定；所述的肩带(2)拉动所述肩带固定轴(10)转动时，所述肩带固定轴(10)能带动所述的发条弹簧轴(8)和所述动力传动轴(11)转动并传递动力；所述肩带(2)被拉长时，所述单向离合器(12)不向所述带增速机构的发电机(13)传递动力，所述带增速机构的发电机(13)不工作；所述肩带(2)被收短时，所述单向离合器(12)向所述带增速机构的发电机(13)传递动力，所述带增速机构的发电机(13)工作。

2.根据权利要求1所述的一种背包装置，其特征在于：所述的弹簧阻尼机构设置在所述背包(1)的内部。

3.根据权利要求1所述的一种背包装置，其特征在于：所述的肩带(2)使用的材料为尼龙纤维材料。

4.根据权利要求1所述的一种背包装置，其特征在于：所述的弹簧阻尼组件通过安装卡扣(7)来固定在固定框架(6)上，两个弹簧阻尼组件关于固定框架(6)的中心线中心对称且同轴布置。

5.根据权利要求1所述的一种背包装置，其特征在于：所述的弹簧阻尼组件中的卷簧安装外壳(3)、肩带固定轴安装外壳(4)、发电机固定外壳(5)、肩带固定轴(10)、发条弹簧(9)、发条弹簧轴(8)、动力传动轴(11)、单向离合器(12)和带增速机构的发电机(13)同轴布置。

6.根据权利要求1所述的一种背包装置，其特征在于：所述的动力传动轴(11)、单向离合器(12)和带增速机构的发电机(13)的电机输出轴上设计有键槽并安装了键；所述动力传动轴(11)通过键向所述单向离合器(12)传递动力，所述单向离合器(12)通过键向所述带增速机构的发电机(13)传递动力。

7.根据权利要求1所述的一种背包装置，其特征在于：所述肩带固定轴安装外壳(4) 上设计有槽，该槽能够容许所述肩带(2)通过并与肩带固定轴(10)相连，在运动过程中所述肩带(2)不与所述肩带固定轴安装外壳(4)接触。

8.根据权利要求1所述的一种背包装置，其特征在于：所述的发条弹簧(9)安装在所述的卷簧安装外壳(3)内，所述肩带(2)被拉长时，所述的发条弹簧(9)储存动能；所述肩带(2)被收短时，所述的发条弹簧(9)释放弹簧能。

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