一種新型饋能式減壓背負裝置

胡永康

一種新型饋能式減壓背負裝置

胡永康

（武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

提出了一種新型饋能式減壓背負裝置，首先介紹了該裝置的結構，分析了其工作原理，然后建立了人-背包的振動模型，進行了減壓和饋能的理論分析，最后對該裝置進行了減壓效果實驗和發電效果實驗，實驗結果表明饋能式減壓背負裝置達到了預期減壓效果，也可實現發電功能。

新型饋能式；背負裝置；結構設計；數學模型

在野外求生、軍事行軍及登山活動等過程中，通常需要用背包攜帶大量的行李及電器設備，而人體長期負重行走伴隨的過高沖擊力可能會增加關節及軟骨損傷的可能性，增加下肢關節發生損傷的風險[1]。并且在這些過程中，往往需要背負用于照明、通信及生命救援的電器設備，在長時間的戶外活動中，各類電子設備的電力需求往往難以得到保障[2]，而已有的技術方案包括蓄電池和太陽能等，都難以長時間地滿足單人戶外活動時所攜帶電子設備的電力需求[3-6]。因此，本文提出了一種減壓背負裝置，利用背包與人體之間產生的相位差原理，實現減壓功能。在改善背包與人體之間力學關系的同時，能夠回收由于人體與背包之間相對振動所產生的能量。

1 結構設計

饋能式減壓背負裝置主要由饋能整流模塊、導向機構、塑料背板、彈性機構及背包組成。饋能整流模塊如圖1所示，背負裝置拆解如圖2所示。背包骨架固設于背包的背部面，背包骨架上設有導軌，背板設置于導軌上，背板與背包骨架之間連接有彈性帶；彈性機構包括前置彈性繩帶、后置彈性繩帶和連接橫桿，后置彈性繩帶的一端與背包骨架的上端連接固定，另一端依次繞過下部滾軸機構和上部滾軸機構與連接橫桿連接，前置彈性繩帶的上端與連接橫桿連接，下端與背包下部連接，前置彈性繩帶上套設有背帶。利用具有初始拉伸一定長度的彈性繩帶，使背包振幅始終小于人體振幅的運動，其中饋能模塊由慣量、發動機、繩帶、渦卷彈簧、電路模塊和殼體組成。連接背帶與連接橫桿可通過背包的振動帶動饋能整流模塊中的發電機轉動進行發電，使其具有懸減壓和饋能發電便攜切換功能。該裝置穿戴如圖3所示。

2 數學模型建立

2.1 減壓數學模型建立

人體背負背包行走時，負重將會相對于人體產生相對振動，由于背帶與人體肩部可近似為剛性連接，導致人體受到一定的沖擊載荷，為了減少這種沖擊載荷，可將負重與人體的連接方式等效為彈簧連接。

圖1 饋能整流模塊

圖2 背負裝置拆解圖

圖3 穿戴示意圖

人體在行走或奔跑過程中存在著周期性的運動激勵。為了便于分析，本文將人體負重行進時的模型簡化為在一個激勵作用下的二自由度系統。人體腿部的影響可以被簡化為剛性阻尼元件，負重與人體的連接方式可以等效為彈簧連接。在行走過程中，負重相對人體上下振動，人的質心和負重的質心之間存在著位移差。人體行走時的運動簡化模型如圖4所示。

圖4 負重與人體彈性接觸時的系統模型

根據相關文獻，該系統的激勵可以表示為：

0=0.79+0.116 2×sin（0） （1）

式（1）中：0為人體重心位移曲線；0為人體重心運動頻率。

在研究背包振動特性過程中，忽略對背包振動特性影響較小的腿部剛度和阻尼，簡化后的模型如圖5所示。

圖5 簡化后的系統模型

根據圖5，列出如下微分方程：

式（2）中：為背包負重；為彈性繩帶勁度系數；0為人體重心位移曲線；1為背包位移曲線。

2.2 發電功能數學模型的建立

由上可知人的重心移動方程式為0=0.79+0.116 2× sin（0）。在此饋能式減壓背負裝置中，背包向下運動時帶動繩帶從而帶動電機運動，因此此裝置只收集背包相對于人背部向下運動的能量。一個周期為：

式（3）中：為人體運動周期。

在此階段重力對背包做的功為：

=（4）

式（4）中：為背包下降高度。

由于背包向下運動時還使彈性繩帶拉長，所以最后的發電功率應該為：

式（5）中：≈80%，為整流機構效率；△1為背包到達下止點彈性帶拉伸長度；△0為背包到達上止點彈性帶拉伸 長度。

3 實驗驗證

3.1 減壓效果實驗

本實驗對改善肩部壓力效果上進行了測試，實驗系統由應變片壓力傳感器、壓力傳感器控制電路、信號采集系統組成。信號采集系統能接收由控制電路傳來的電壓信號，通過分析計算得出對應壓力，并擬合出時間-壓力曲線。

在跑步機上分別進行了兩組實驗，第一組實驗為穿戴沒有本作品背負裝置的同等質量普通背包，切換為減壓模式，調整跑步機速度參數，使人以5.0 m/s的速度在跑步機上慢跑，此時測得瞬時左肩部壓力數據如圖6中的大波浪線所示。第二組實驗跑步機速度參數和人行進速度與第一組實驗相同，穿戴本作品背負裝置切換為減壓模式進行測試，此組實驗瞬時肩部壓力如圖6中的小波浪線所示，肩部瞬時最高壓力值比第一組實驗有所下降，并且壓力比較平穩，背包的振動幅值始終低于人體重心運動的幅值，基本消除了沖擊載荷，背負裝置很好地緩解了沖擊載荷對人體的影響。減壓效果實驗操作如圖7所示。

圖7 減壓效果實驗操作圖

3.2 發電效果實驗

本實驗對饋能式減壓背負裝置發電模式下負重5 kg時實際發電效果進行測試，實驗系統由發電裝置、電子負載儀、計算機軟件—電子負載儀監測系統M9700、跑步機及連接線路等組成。具體實驗方式如下：實驗人員背上配備了發電裝置的背包，將發電裝置中的輸出線與電子負載相連，電子負載儀與計算機相連。對跑步機設定特定的行走或奔跑速度，實驗人員負載運動時，發電裝置收集背包的振動能量，通過電子負載儀獲取發電裝置相應發電參數，通過電子負載儀監控軟件M9700監控并采集電子負載儀數據，實驗人員對數據進行處理分析。本裝置能量收集曲線如圖8所示，從圖8中可知，當人以6 km/h的行進速度行進時，該裝置最大可輸出電壓為5 V、功率為1.2 W的電能。

圖8 發電實驗數據

4 結論

本文介紹一種饋能式減壓背負裝置及其結構，建立了背包的振動系統模型，分析了減壓的理論原理和發電原理。再通過和普通背包的對比實驗，驗證了減壓背包對于普通背包的減壓效果，即瞬時最高壓力值下降明顯，并且壓力比較平穩，基本消除了沖擊載荷，背負裝置很好地緩解了沖擊載荷對人體的影響，通過實驗者的直觀感受，穿背負裝置后，明顯感受到減緩了沖擊載荷給人體帶來的不適感，實現減壓的功能，從實驗中驗證了理論的正確性，達到了預期的效果。通過對背包發電功能的實驗，發現其發電功率較低，分析其原因可能有：用來克服彈性機構的彈力太多，整流機構效率較低，負重較低。可以通過在發電模式下適量減少彈力，設計較高效率的整流機構來提高功率或適量增加負重來提高功率。

［1］馬淑慧.不同背包方式與負重對成年女性步態的影響［C］//中國體育科學學會：第十一屆全國體育科學大會論文摘要匯編，2019：5441-5443.

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TH16

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.14.017

2095－6835（2020）14－0051－02

〔編輯：王霞〕