一种刚度可调的悬浮背囊及其步态自适应刚度调节方法

本发明涉及人体穿戴设备领域，具体涉及一种刚度可调的悬浮背囊及其步态自适应刚度调节方法。

背景技术：

1、在户外行进时，背囊是一个重要的载物工具，无论是士兵的负重行军还是作为背囊客的旅行者均需要用背囊背负大量的物品。在人体行走时，人体重心在竖直方向上会形成一个周期性的位移。由于该位移的存在，人体背负的重物施加给人的压力会变成一个随步态周期变化的动态力，在重物的重力值上下波动，峰值压力能达到重物重力值的2至3倍。悬浮背囊的设计能够降低人体负重运动动载荷，通过弹簧阻尼系统使负重随着人体重心运动而上下运动，在合适的相位差下能够实现施加在人体的动载荷的降低。但是，悬浮系统的刚度的大小直接影响悬浮背囊的负重承载能力、振动频率，因此刚度对悬浮系统的减负性能有重要的影响。在运动工况变化时，如运动速度发生变化，悬浮背囊的刚度需要随之进行调节才能获得更好的减负效果，但现有悬浮背囊无刚度调节能力。因此，对悬浮背囊的刚度进行调节是十分必要的，而使悬浮背囊的刚度能够随着步态的变化而自适应地变化同样具有重要意义。

2、中国公开专利申请“一种背囊载荷减负装置(cn107588312a)”中提供了载荷减负装置，但其无法调节悬浮系统的刚度，也不能针对不同的负重或工况适应性地调节悬浮背囊刚度以达到最优的减负效果。

技术实现思路

1、因此，本发明提供了一种可调刚度的悬浮背囊及其步态自适应刚度调节方法，通过对拉簧进行限位的方式来调节拉簧的有效工作圈数，从而改变了拉簧的工作刚度，进而实现了悬浮背囊的刚度调节，能够降低人体负重运动动载荷；同时，本发明利用加速度传感器对人体运动步态进行监测与识别，通过刚度调节机构对悬浮背囊的刚度进行步态改变时的自适应调节，实现悬浮背囊的减负效果实时优化。

2、为了实现发明目的，本发明提供的一种刚度可调的悬浮背囊,包括背囊、背板、背带、光轴滑动机构、弹簧阻尼结构和弹簧刚度调节机构，

3、背板与背囊的背部连接；

4、背带的上端和下端分别与背板的上端和下端连接；

5、光轴滑动机构、弹簧阻尼结构和弹簧刚度调节机构均设置在背板内侧，其中，

6、光轴滑动机构包括可在重力方向上上下滑动的横板；

7、弹簧刚度调节机构包括驱动件和在驱动件驱动下发生转动的限位件；

8、弹簧阻尼结构包括拉簧，拉簧套设在限位件上且一端与横板固定连接，限位件转动时可调节拉簧的有效工作圈数。

9、所述悬浮背囊利用弹簧阻尼结构使背囊振动与人体振动形成相位差与位移差，可以降低背囊负重施加给人体的动载荷，使人体承受的压力趋于平缓。所述刚度调节机构通过限制拉簧的有效工作圈数来实现拉簧刚度的调节，从而实现悬浮背囊刚度的调节。

10、进一步地，还包括加速度传感器和控制器，加速度传感器设置在背囊上，加速度传感器的输出端与控制器的输入端连接，控制器的输出端与弹簧刚度调节机构中的驱动件连接。

11、进一步地，光轴滑动机构还包括光轴导轨和光轴支承座，光轴导轨设置在光轴支承座上，横板套设在光轴导轨上。

12、进一步地，弹簧刚度调节机构中的限位件包括杆件和套设固定在杆件上的增大块，增大块的截面尺寸大于杆件的截面尺寸，拉簧同时套设在杆件和增大块上。

13、进一步地，弹簧阻尼结构还包括拉绳、滑轨和滑轨连接块，

14、背板的内侧设置有定滑轮，拉绳的一端与光轴滑动机构的横板固定连接，另一端绕过定滑轮与滑轨连接块连接，滑轨连接块滑动设置在滑轨上。

15、进一步地，弹簧阻尼结构中设置有两套拉绳、滑轨和滑轨连接块，两滑轨对称设置在横板的两侧，两拉绳的一端分别与光轴滑动机构的横板的两端固定连接，另一端绕过相应的定滑轮分别与两滑轨连接块连接，两滑轨连接块相应滑动设置在两滑轨上。

16、进一步地，滑轨连接块和滑轨之间还设置有滚轮。

17、进一步地，还设置有弯管和弯管连接块，弯管位于背囊内，弯管连接块的一端与弯管固定连接，另一端与滑轨连接块固定连接。

18、本发明的再一个方面涉及一种利用加速度传感器进行步态监测与识别。所述加速度传感器为一种六轴加速度传感器，可以检测记录运动物体在以地面为参考系的竖直方向上的加速度变化，所述记录的加速度变化曲线在人体以一定速度运动时为有一定规律的曲线，并可以近似看作正弦曲线。通过对记录的加速度数据进行周期分析可以得到人体运动的频率，从而得到人体运动步行频率，进一步地，推算出人体运动速度。

19、本发明提供的一种刚度可调的悬浮背囊的步态自适应刚度调节方法，包括以下步骤：

20、加速度传感器实时采集人体的加速度数据，并将加速度数据传输至控制器；

21、控制器对加速度数据进行预处理，得到获取人体的运动步行频率，进而得到人体的运动步速，并根据人体的运动步速对驱动件进行调节以调节拉簧的有效工作圈数。

22、进一步地，所述对加速度数据进行预处理，得到人体的运动步行频率，包括：对加速度数据进行数据平滑处理、峰值读取和周期计算，即可得到人体的运动步行频率。

23、与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：

24、1、本发明创新地提供了悬浮背囊能够进行刚度调节，使悬浮背囊能够适应不同的负重要求及不同的运动工况，达到优化减负效果的目的。

25、2、当监测到运动速度发生改变时，悬浮背囊的刚度需要及时改变以适应速度变化带来的频率变化，刚度调节机构的电机开始工作，调节至预设的刚度值，从而实现悬浮背囊的减负效果优化。

技术特征：

1.一种刚度可调的悬浮背囊，其特征在于，包括背囊(1)、背板(2)、背带(3)、光轴滑动机构、弹簧阻尼结构和弹簧刚度调节机构，

2.根据权利要求1所述的一种刚度可调的悬浮背囊，其特征在于，还包括加速度传感器(4)和控制器(20)，加速度传感器(4)设置在背囊(1)上，加速度传感器(4)的输出端与控制器(20)的输入端连接，控制器(20)的输出端与弹簧刚度调节机构中的驱动件连接。

3.根据权利要求1所述的一种刚度可调的悬浮背囊，其特征在于，光轴滑动机构还包括光轴导轨(10)和光轴支承座(7)，光轴导轨(10)设置在光轴支承座(7)上，横板(8)套设在光轴导轨(10)上。

4.根据权利要求1所述的一种刚度可调的悬浮背囊，其特征在于，弹簧刚度调节机构中的限位件(16)包括杆件和套设固定在杆件上的增大块，增大块的截面尺寸大于杆件的截面尺寸，拉簧(15)同时套设在杆件和增大块上。

5.根据权利要求1所述的一种刚度可调的悬浮背囊，其特征在于，弹簧阻尼结构还包括拉绳(9)、滑轨(5)和滑轨连接块(13)，

6.根据权利要求5所述的一种刚度可调的悬浮背囊，其特征在于，弹簧阻尼结构中设置有两套拉绳(9)、滑轨(5)和滑轨连接块(13)，两滑轨(5)对称设置在横板(8)的两侧，两拉绳(9)的一端分别与光轴滑动机构的横板(8)的两端固定连接，另一端绕过相应的定滑轮(12)分别与两滑轨连接块(13)连接，两滑轨连接块(13)相应滑动设置在两滑轨(5)上。

7.根据权利要求5所述的一种刚度可调的悬浮背囊，其特征在于，滑轨连接块(13)和滑轨(5)之间还设置有滚轮。

8.根据权利要求6所述的一种刚度可调的悬浮背囊，其特征在于，还设置有弯管(11)和弯管连接块(14)，弯管(11)位于背囊(1)内，弯管连接块(14)的一端与弯管(11)固定连接，另一端与滑轨连接块(13)固定连接。

9.一种刚度可调的悬浮背囊的步态自适应刚度调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求1所述的一种刚度可调的悬浮背囊的步态自适应刚度调节方法，其特征在于，所述对加速度数据进行预处理，得到人体的运动步行频率，包括：对加速度数据进行数据平滑处理、峰值读取和周期计算，即可得到人体的运动步行频率。

技术总结
本发明公开了一种刚度可调的悬浮背囊及其步态自适应刚度调节方法，包括背部镂空的背囊、背板、弹簧刚度调节机构、背带、加速度传感器、控制器；所述弹簧刚度调节机构安装在背板上；所述加速度传感器安装于背囊上；所述控制器与刚度调节机构连接，用以控制及调节弹簧刚度调节机构的运动，改变悬浮背囊的刚度。本发明利用加速度传感器对人体运动步态进行监测与识别，根据人体运动的不同步态进行自适应地调节悬浮背囊的刚度，使得悬浮背囊与人体的振动相位差在步态改变时维持在稳定范围，实现悬浮背囊的减负效果最优化。

技术研发人员：谢龙汉,杨振华,曾子牛
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/16