一种辅助人体负重行走的动力背包装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于动力驱动装置领域，并公开了一种辅助人体负重行走的动力背包装置。该装置包括基板和设置在该基板上的负载、丝杆、弹力绳、数据采集单元、运动控制单元、电源、控制器，其中：当人体背上背包装置开始行走时，数据采集单元采集人体运动时竖直方向上的加速度，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，并使得运动控制单元驱动负载在丝杆上以理想加速度运动；当人体停下来时，数据采集单元采集负载的位置，并传输给控制器，控制器通过运动控制单元使得负载停留在丝杆上。通过本发明专利技术，降低人体负重行走时的代谢能消耗，减小肩部压力，减轻对人体的负担。

A kind of power backpack device for assisting human body to walk with load

【技术实现步骤摘要】
一种辅助人体负重行走的动力背包装置
本专利技术属于动力驱动装置领域，更具体地，涉及一种辅助人体负重行走的动力背包装置。
技术介绍
负重是人类日常生活中常见的活动，在士兵行军和徒步旅行等活动中尤为常见，士兵行军时背负重物最大可达50-60kg，背负重物的时间长达几个小时甚至十几个小时；远足活动中也常常需要背负几千克至十几千克的重物连续行走数个小时。长时间背负大质量的负载会对人体生理结构和功能造成不可逆的伤害并且导致人体产生极大的能量消耗。负重导致了人体代谢成本增加、肌肉活性增加和肌肉疲劳，限制了人类的运动范围。同时还可能会增加肌肉骨骼损伤的风险。人类拥有多种负重方式中，如手提、夹在腋下、挂在腰上、绑在腿上、肩挎，在众多的负重方式中，背包是最高效的负重方式。而使用传统的背包负重依然会造成大量的能量消耗，因此，人类现有的负重方式是否还有改进的可能？在这种背景下，需要开发一款可穿戴式的动力背包装置能够辅助人体负重，通过调整负载的加速度，减少人体能量消耗，减少负重对人体的伤害。辅助人体负重行走的动力背包与传统的背包相比，调控负载加速度来调控负载施加在人体的作用力，同时调整负载运动，从而减少代谢能消耗，减轻肌肉疲劳和负重时的肩部压力。穿戴者使用动力背包装置时可以减少代谢能消耗，这要求研究人员探索人体负重原理、调控负载运动的策略、负载加速度的精准控制、穿戴设备的轻型化和人机交互的安全性。在这些方面，还需要进行深入研究。目前还没有一款完全自治的辅助人体负重行走的动力背包，同时还可以帮助研究人员进行人体负重方面的研究。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种辅助人体负重行走的动力背包装置，其通过对其关键组件和整体结构的布局，使得在背包中对负载竖直方向上的加速度以及加速度进行实时调控，实现加速度和位置的闭环控制，以此减小人体在运动过程中的负载和能量消耗。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种辅助人体负重行走的动力背包装置，该装置包括基板和设置在该基板上的负载、丝杆、弹力绳、数据采集单元、运动控制单元、电源、控制器，其中：所述丝杆设置在所述基板的中央，所述负载设置在该丝杆上，在所述运动控制单元的驱动下在所述丝杆上上下运动，所述弹力绳设置一端固定在所述基板上，一端通过滑轮与所述负载连接，通过该弹力绳对所述负载的牵引，以此平衡所述负载在竖直方向上的重力；所述电源与所述数据采集单元和运动控制单元连接，分别为二者供电，所述数据采集单元与运动控制单元同时与所述控制器连接，当人体背上所述背包装置开始行走时，所述装置进入工作模式，该模式下所述数据采集单元采集人体运动时竖直方向上的加速度，并将采集的加速度传递给所述控制器，控制器根据该加速度设定所述负载竖直方向上的理想加速度，并使得所述运动控制单元驱动所述负载在所述丝杆上以所述理想加速度运动；当人体停下来时，所述装置进入休闲模式，该模式下所述数据采集单元采集所述负载的位置，并传输给所述控制器，控制器通过所述运动控制单元使得所述负载停留在所述丝杆上。进一步优选地，所述数据采集单元包括人体加速度传感器、负载加速度传感器和位移传感器，所述人体加速度传感器用于测量人体行走时竖直方向上的加速度，所述负载加速度用于测量负载在竖直方向上的加速度，所述位移传感器用于测量所述负载在所述丝杆上的位置。进一步优选地，所述数据采集单元还包括足底压力传感器，用于测量人体行走是的步态周期，方便数据分析。进一步优选地，所述装置中还包括手持开关，当人体开始行走时，手动闭合开关，所述装置进入工作模式，当人体停下来时，手动断开开关，所述装置进入休闲模式。进一步优选地，所述运动控制单元包括电机驱动器和伺服电机，所述电机驱动器与所述控制器连接，接受来自所述控制器的信号，所述伺服电机一端与所述电机驱动器连接，另一端与所述负载连接，用于根据所述电机驱动器的信号驱动所述负载运动。进一步优选地，所述电源包括锂电池和电压转换器，所述电压转换器用于将电压转换后给数据采集单元或运动控制单元供电。进一步优选地，所述装置上还设置有蓝牙，用于将所述控制器中的数据传递给显示装置，以此显示所述装置中的各项数据。进一步优选地，所述基板上设置有镂空的图案，以此降低所述基板的重量。总体而言，通过本专利技术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、本专利技术提供的背包装置包括数据采集单元、控制器和运动控制单元，三者形成闭合的控制单元，使得背包在人体行进过程中根据加速度传感器实时检测人体竖直方向加速度，自适应的调整负载运动，保持竖直方向上理想的加速度，从而减轻人体在行进过程中的负担，有效减小人体行走时的代谢能消耗,减轻肌肉疲劳和负重时的肩部压力；2、本专利技术中的数据采集单元包括多个传感器，充分测量了负载和人体的加速度、负载的位置以及人体步态的周期，全方位的监测了人体运动时和停下时的数据，实现对负载的运动形态和位置的控制提供了准确的数据支持，使得控制结果更加精准；3、本专利技术整个控制系统是自治的，通过测量负载的加速度作为反馈信号，负载运动状态检测不依赖于外部测量设备，可在户外使用，适用范围广。附图说明图1是按照本专利技术的优选实施例所构建的动力背包装置的结构示意图；图2是按照本专利技术的优选实施例所构建的控制模块的连接示意图；图3是按照本专利技术的优选实施例所构建的工作过程的流程示意图；图4是按照本专利技术的优选实施例所构建的工作过程的控制框图。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-电源，2-控制器，3-数据采集单元，4-运动控制单元，5-蓝牙，6-紧固夹扣，7-基板，8-弹力绳，9-负载，10-滑轮，11-联轴器，12-螺母，13-丝杆，14-支撑板，31-人体加速度传感器，32-负载加速度传感器，33-位移传感器，34-压力传感器，41-电机驱动器，42-伺服电机。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术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。如图1所示，一种辅助人体负重行走的动力背包装置，包括紧固夹扣6、基板7、弹力绳8、负载9、滑轮10、联轴器11、滚珠丝杆13、螺母12、支撑块14、电源模块1、控制器2、数据采集单元3、运动控制单元4；电源模块1包括24V锂电池11、电源开关12、电压转换模块13；数据采集单元3包括人体加速度传感器31、负载加速度传感器32、位移传感器33、足底压力传感器34；运动控制单元4包括电机驱动器41和伺服电机42。此外包括模式切换开关、人机接口部分；本实施例中，基板采用碳纤维基板，其强度优于金属基板。滑轮10和紧固夹扣6固定在碳纤维基板7上；弹力绳8绕过滑轮固定在紧固夹扣6和负载9之间，用来平本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种辅助人体负重行走的动力背包装置，其特征在于，该装置包括基板(7)和设置在该基板上的负载(9)、丝杆(13)、弹力绳(8)、数据采集单元(3)、运动控制单元(4)、电源(1)、控制器(2)，其中：/n所述丝杆(13)设置在所述基板(7)的中央，所述负载(9)设置在该丝杆上，在所述运动控制单元(4)的驱动下在所述丝杆(13)上上下运动，所述弹力绳(8)设置一端固定在所述基板上，一端通过滑轮(10)与所述负载连接，通过该弹力绳对所述负载的牵引，以此平衡所述负载在竖直方向上的重力；/n所述电源(1)与所述数据采集单元(3)和运动控制单元(4)连接，分别为二者供电，所述数据采集单元(3)与运动控制单元(4)同时与所述控制器(2)连接，当人体背上所述背包装置开始行走时，所述装置进入工作模式，该模式下所述数据采集单元(3)采集人体运动时竖直方向上的加速度，并将采集的加速度传递给所述控制器(2)，控制器根据该加速度设定所述负载竖直方向上的理想加速度，并使得所述运动控制单元驱动所述负载(9)在所述丝杆(13)上以所述理想加速度运动；当人体停下来时，所述装置进入休闲模式，该模式下所述数据采集单元采集所述负载的位置，并传输给所述控制器，控制器通过所述运动控制单元使得所述负载停留在所述丝杆上。/n...

【技术特征摘要】
1.一种辅助人体负重行走的动力背包装置，其特征在于，该装置包括基板(7)和设置在该基板上的负载(9)、丝杆(13)、弹力绳(8)、数据采集单元(3)、运动控制单元(4)、电源(1)、控制器(2)，其中：
所述丝杆(13)设置在所述基板(7)的中央，所述负载(9)设置在该丝杆上，在所述运动控制单元(4)的驱动下在所述丝杆(13)上上下运动，所述弹力绳(8)设置一端固定在所述基板上，一端通过滑轮(10)与所述负载连接，通过该弹力绳对所述负载的牵引，以此平衡所述负载在竖直方向上的重力；
所述电源(1)与所述数据采集单元(3)和运动控制单元(4)连接，分别为二者供电，所述数据采集单元(3)与运动控制单元(4)同时与所述控制器(2)连接，当人体背上所述背包装置开始行走时，所述装置进入工作模式，该模式下所述数据采集单元(3)采集人体运动时竖直方向上的加速度，并将采集的加速度传递给所述控制器(2)，控制器根据该加速度设定所述负载竖直方向上的理想加速度，并使得所述运动控制单元驱动所述负载(9)在所述丝杆(13)上以所述理想加速度运动；当人体停下来时，所述装置进入休闲模式，该模式下所述数据采集单元采集所述负载的位置，并传输给所述控制器，控制器通过所述运动控制单元使得所述负载停留在所述丝杆上。


2.如权利要求1所述的一种辅助人体负重行走的动力背包装置，其特征在于，所述数据采集单元(3)包括人体加速度传感器(31)、负载加速度传感器(32)和位移传感器(33)，所述人体加速度传感器用于测量人体行走时竖直方向上的加速度，所述负载...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊蔡华，张秦浩，贺磊，刘闯，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42