一种新型馈能式减压背负装置

胡永康

一种新型馈能式减压背负装置

胡永康

（武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070）

提出了一种新型馈能式减压背负装置，首先介绍了该装置的结构，分析了其工作原理，然后建立了人-背包的振动模型，进行了减压和馈能的理论分析，最后对该装置进行了减压效果实验和发电效果实验，实验结果表明馈能式减压背负装置达到了预期减压效果，也可实现发电功能。

新型馈能式；背负装置；结构设计；数学模型

在野外求生、军事行军及登山活动等过程中，通常需要用背包携带大量的行李及电器设备，而人体长期负重行走伴随的过高冲击力可能会增加关节及软骨损伤的可能性，增加下肢关节发生损伤的风险[1]。并且在这些过程中，往往需要背负用于照明、通信及生命救援的电器设备，在长时间的户外活动中，各类电子设备的电力需求往往难以得到保障[2]，而已有的技术方案包括蓄电池和太阳能等，都难以长时间地满足单人户外活动时所携带电子设备的电力需求[3-6]。因此，本文提出了一种减压背负装置，利用背包与人体之间产生的相位差原理，实现减压功能。在改善背包与人体之间力学关系的同时，能够回收由于人体与背包之间相对振动所产生的能量。

1 结构设计

馈能式减压背负装置主要由馈能整流模块、导向机构、塑料背板、弹性机构及背包组成。馈能整流模块如图1所示，背负装置拆解如图2所示。背包骨架固设于背包的背部面，背包骨架上设有导轨，背板设置于导轨上，背板与背包骨架之间连接有弹性带；弹性机构包括前置弹性绳带、后置弹性绳带和连接横杆，后置弹性绳带的一端与背包骨架的上端连接固定，另一端依次绕过下部滚轴机构和上部滚轴机构与连接横杆连接，前置弹性绳带的上端与连接横杆连接，下端与背包下部连接，前置弹性绳带上套设有背带。利用具有初始拉伸一定长度的弹性绳带，使背包振幅始终小于人体振幅的运动，其中馈能模块由惯量、发动机、绳带、涡卷弹簧、电路模块和壳体组成。连接背带与连接横杆可通过背包的振动带动馈能整流模块中的发电机转动进行发电，使其具有悬减压和馈能发电便携切换功能。该装置穿戴如图3所示。

2 数学模型建立

2.1 减压数学模型建立

人体背负背包行走时，负重将会相对于人体产生相对振动，由于背带与人体肩部可近似为刚性连接，导致人体受到一定的冲击载荷，为了减少这种冲击载荷，可将负重与人体的连接方式等效为弹簧连接。

图1 馈能整流模块

图2 背负装置拆解图

图3 穿戴示意图

人体在行走或奔跑过程中存在着周期性的运动激励。为了便于分析，本文将人体负重行进时的模型简化为在一个激励作用下的二自由度系统。人体腿部的影响可以被简化为刚性阻尼元件，负重与人体的连接方式可以等效为弹簧连接。在行走过程中，负重相对人体上下振动，人的质心和负重的质心之间存在着位移差。人体行走时的运动简化模型如图4所示。

图4 负重与人体弹性接触时的系统模型

根据相关文献，该系统的激励可以表示为：

0=0.79+0.116 2×sin（0） （1）

式（1）中：0为人体重心位移曲线；0为人体重心运动频率。

在研究背包振动特性过程中，忽略对背包振动特性影响较小的腿部刚度和阻尼，简化后的模型如图5所示。

图5 简化后的系统模型

根据图5，列出如下微分方程：

式（2）中：为背包负重；为弹性绳带劲度系数；0为人体重心位移曲线；1为背包位移曲线。

2.2 发电功能数学模型的建立

由上可知人的重心移动方程式为0=0.79+0.116 2× sin（0）。在此馈能式减压背负装置中，背包向下运动时带动绳带从而带动电机运动，因此此装置只收集背包相对于人背部向下运动的能量。一个周期为：

式（3）中：为人体运动周期。

在此阶段重力对背包做的功为：

=（4）

式（4）中：为背包下降高度。

由于背包向下运动时还使弹性绳带拉长，所以最后的发电功率应该为：

式（5）中：≈80%，为整流机构效率；△1为背包到达下止点弹性带拉伸长度；△0为背包到达上止点弹性带拉伸 长度。

3 实验验证

3.1 减压效果实验

本实验对改善肩部压力效果上进行了测试，实验系统由应变片压力传感器、压力传感器控制电路、信号采集系统组成。信号采集系统能接收由控制电路传来的电压信号，通过分析计算得出对应压力，并拟合出时间-压力曲线。

在跑步机上分别进行了两组实验，第一组实验为穿戴没有本作品背负装置的同等质量普通背包，切换为减压模式，调整跑步机速度参数，使人以5.0 m/s的速度在跑步机上慢跑，此时测得瞬时左肩部压力数据如图6中的大波浪线所示。第二组实验跑步机速度参数和人行进速度与第一组实验相同，穿戴本作品背负装置切换为减压模式进行测试，此组实验瞬时肩部压力如图6中的小波浪线所示，肩部瞬时最高压力值比第一组实验有所下降，并且压力比较平稳，背包的振动幅值始终低于人体重心运动的幅值，基本消除了冲击载荷，背负装置很好地缓解了冲击载荷对人体的影响。减压效果实验操作如图7所示。

图7 减压效果实验操作图

3.2 发电效果实验

本实验对馈能式减压背负装置发电模式下负重5 kg时实际发电效果进行测试，实验系统由发电装置、电子负载仪、计算机软件—电子负载仪监测系统M9700、跑步机及连接线路等组成。具体实验方式如下：实验人员背上配备了发电装置的背包，将发电装置中的输出线与电子负载相连，电子负载仪与计算机相连。对跑步机设定特定的行走或奔跑速度，实验人员负载运动时，发电装置收集背包的振动能量，通过电子负载仪获取发电装置相应发电参数，通过电子负载仪监控软件M9700监控并采集电子负载仪数据，实验人员对数据进行处理分析。本装置能量收集曲线如图8所示，从图8中可知，当人以6 km/h的行进速度行进时，该装置最大可输出电压为5 V、功率为1.2 W的电能。

图8 发电实验数据

4 结论

本文介绍一种馈能式减压背负装置及其结构，建立了背包的振动系统模型，分析了减压的理论原理和发电原理。再通过和普通背包的对比实验，验证了减压背包对于普通背包的减压效果，即瞬时最高压力值下降明显，并且压力比较平稳，基本消除了冲击载荷，背负装置很好地缓解了冲击载荷对人体的影响，通过实验者的直观感受，穿背负装置后，明显感受到减缓了冲击载荷给人体带来的不适感，实现减压的功能，从实验中验证了理论的正确性，达到了预期的效果。通过对背包发电功能的实验，发现其发电功率较低，分析其原因可能有：用来克服弹性机构的弹力太多，整流机构效率较低，负重较低。可以通过在发电模式下适量减少弹力，设计较高效率的整流机构来提高功率或适量增加负重来提高功率。

［1］马淑慧.不同背包方式与负重对成年女性步态的影响［C］//中国体育科学学会：第十一届全国体育科学大会论文摘要汇编，2019：5441-5443.

［2］BIRRELL S A，HASLAM R A.Subjective skeletal discomfort measured using a comfort questionnaire following a load carriage exercise［J］.Mil Med，2009，174（2）：177-182．

［3］NAVULURI N，NAVULURI R B.Study on the relationship between backpack use and back and neck pain among adolescents［J］.Nurs Health Sci，2006，8（4）：208-215．

［4］KOROVESSIS P，KOUREAS G，ZACHARATOS S，et al.Backpacks，back pain，sagittal spinal curves and trunk alignment in adolescents：a logistic and multinomial logistic analysis［J］.Spine，2005，30（2）：247-255．

［5］JONES G T，MACFARLANE G J.Epidemiology of low back pain in children and adolescents［J］.Arch Dis Child，2005，90（3）：312-316.

［6］LAI J P，JONES A Y.The effect of shoulder-girdle loading by a school bag on lung volumes in chinese primary school children［J］.Early Hum Dev，2001，62（1）：79-86.

TH16

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.14.017

2095－6835（2020）14－0051－02

〔编辑：王霞〕