技术领域
[0001] 本
发明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。
背景技术
[0002] 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。
[0003] 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。
发明内容
[0004] 针对
现有技术的以上
缺陷或改进需求，本发明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。
[0005] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，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：
[0006] 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；
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 总体而言，通过本发明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：
[0016] 1、本发明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；
[0017] 2、本发明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；
[0018] 3、本发明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
[0019] 图1是按照本发明的优选
实施例所构建的动力背包装置的结构示意图；
[0020] 图2是按照本发明的优选实施例所构建的控
制模块的连接示意图；
[0021] 图3是按照本发明的优选实施例所构建的工作过程的流程示意图；
[0022] 图4是按照本发明的优选实施例所构建的工作过程的控制
框图。
[0023] 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：
[0024] 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
[0025] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明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。
[0026] 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。
[0027] 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，用来平衡负载的重力；支撑块14固定在碳纤维基板7上；滚珠丝杆13安装在两个支撑块14之间；螺母12安装在滚珠丝杆13上，并与负载9连接；负载9由三块
铜块组成，来模拟实际负载。调整其中两块可拆卸的铜块，可以调整负载的质量；电源模块1用于将24V锂电池供电转换成数据采集单元3、运动控制单元4与微型控制器所需的电压，其中、电源开关12控制整个系统的电源。
[0028] 如图2所示，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，运动控制单元包括启停开关、电机驱动器、伺服电机，负载受伺服电机产生的主动力和弹力绳的被动力共同调控。人体加速度传感器31固定在腰带上测量人体躯干在竖直方向上的加速度，人体加速度经过处理后作为负载的参考加速度信号，负载加速度传感器32安装在负载上用来测量负载的竖直方向加速度并传入控制器用作反馈信号，实现闭环控制。位移传感器33安装于碳纤维基板上，拉绳端与负载连接，测量负载相对于背包的位移并传输至
微控制器，优选的，足底压力传感器34安装在
鞋垫底部，测量足底的压力信号用于分割步态，并传输至微控制器。
[0029] 运动控制单元4包括电机驱动器41、伺服电机42，伺服电机42固定在支撑块14上，与联轴器11相连，并依次通过联轴器11、滚珠丝杆13、螺母12将主动力传递到负载9上，从而调控负载的加速度与人体的加速度呈现一定的关系，从而减小人体背包负重行走过程中的代谢能消耗；电机驱动器41工作在
电流模式，根据接收的命令电流信号驱动伺服电机42产生相应大小的力矩，主动力矩通过滚珠丝杆传递到负载上。
[0030] 控制器2用于读取所有
传感器数据，经过控制
算法计算之后将命令电流信号发送给运动控制单元4，并将数据通过通讯模块传输给上位机，运动控制单元接收命令电流信号后，
驱动电机产生相应大小的主动力矩，再通过丝杆等传动机构控制负载的运动。
[0031] 电源开关可以闭合和断开控制系统的电源，紧急情况下可关闭系统供电，电压转换模块将锂电池24V电压转换到5V,用于给控制系统供电，锂电池直接给电机和驱动器供电。
[0032] 控制器通过串口蓝牙将数据发送到计算机，计算机中使用Matlab
软件编写的上位机来读取并显示数据。
[0033] 模式切换开关可以选择系统为工作模式和空闲模式，工作模式中使用加速度控制，调控负载的加速度，空闲模式下使用位置定值控制，控制负载位置稳定在某一位置。
[0034] 控制器2与电机驱动器41相连，与负载加速度传感器32、人体加速度传感器31通过CAN总线连接，微型控制器2运行控制算法生成指令信号传给运动控制单元3。
[0035] 下面将具体说明本发明的背包装置的工作原理。
[0036] 在使用该装置时在负重行走时具体过程如下：
[0037] 如图3和4所示，将加速度传感器固定在腰带上。通过腰带和
肩带穿戴动力背包装置。手持电源开关12和模式切换开关，打开电源开关12，进入初始化状态，伺服电机42通过传动装置带动负载9运动到滚珠丝杆13顶部，确
定位移传感器33的初始位置值。然后默认进入空闲模式，空闲模式中，使用PID位置控制，根据位移传感器33实时检测负载相对于背包的位置，控制负载稳定在某一固定位置。按下模式切换开关，进入工作状态，人体加速度传感器31采集人体在竖直方向上的加速度，根据人体加速度生成期望的负载加速度。负载加速度传感器采集负载在竖直方向上的加速度，作为反馈信号，实现闭环的加速度
跟踪控制。位移传感器33实时检测负载相对于背包的位置，在微型控制器2中计算出速度，根据位置和速度生成虚拟的
刚度和阻尼补偿到控制器输出的命令电流信号上，可以防止负载运动到丝杆的边界发生碰撞。微型控制器2运行控制算法生成的命令电流信号发送给电机驱动器41，电机驱动器41工作在电流控制模式，控制伺服电机42产生相应大小的力矩，产生的力矩通过联轴器、丝杆、螺母传递到负载上，伺服电机42产生的主动力和弹力绳8的被动力共同作用下调控负载的加速度。
[0038] 再次按下模式切换开关，开关弹起，系统工作在空闲模式，通过位移传感器33检测负载的位置，然后将检测的结果传递给控制器2，控制器通过运动控制单元4调控负载9停在背包的中间位置。
[0039] 整个过程中，使用者可以使用电源开关12停止整个系统的运行。防止发生意外，确保使用者的安全。
[0040] 当使用计算机采集数据时，使用Matlab软件编写的上位机来读取、显示和保存数据。同时计算机可以通过串口蓝牙通讯模块5发送控制参数给微控制器(MCU)2，实时改变系统参数。将足底压力传感器34采集的数据保存下来，可用于判断和划分人体运动的步态周期，便于进行数据分析。
[0041] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
