一种背负用可调节性支架的制作方法

本发明涉及一种背负用可调节性支架，属于人体负载技术领域。

背景技术：

在进行户外运动、军事行动、救援行动中，人们通常需要背负大负荷进行运动。大负荷背包因振动产生的冲击力容易使人感到疲劳，甚至危害人体健康。为解决传统背包负荷过大对人体产生危害的问题，需要对背包结构进行了改造。当人行走的时候，由于人体躯干在竖直方向上的运动变化近似正弦曲线，当负重向下移动时，会对人体肩部产生极大冲击，所以应当减少背包在竖直方向上的位移幅度，不仅可以减少作用在人体肩部的冲击力，还能减少行走时的能量消耗，为背负者减负，背负者在同等代谢消耗下可以承受更大的重量，并减少关节受力和避免肌肉损伤。为此，技术人员研究开发了悬浮背包。但目前的悬浮背包主要采用弹簧阻尼结构，无法根据重物情况以及背负者行走情况对减震系统进行优化调节。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种背负用可调节性支架，以解决现有技术中的悬浮背包无法根据重物情况以及背负者行走情况对减震系统进行优化调节的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种背负用可调节性支架，包括用于背负于人体上的固定架和用于固定负载背包的滑动模块，所述滑动模块沿竖直方向与固定架滑动连接；

所述固定架上设有中心控制器、用于采集人体行走频率的加速度传感器、用于采集负载背包重量的压敏传感器、用于驱动滑动模块沿竖直方向运动的驱动模块，所述中心控制器分别与加速度传感器、压敏传感器、驱动模块电性连接；

所述驱动模块包括与滑动模块连接的弹性绳，驱动模块通过弹性绳与滑动模块传动连接。

进一步地，所述驱动模块还包括设于固定架上的驱动源，所述驱动模块通过驱动源与中心控制器电性连接；

所述驱动源的动力输出端传动连接有竖直轴向的丝杆，所述丝杆螺纹连接有滑块，所述滑块与弹性绳固定连接。

进一步地，所述固定架转动连接有定滑轮，与滑块固定连接的弹性绳绕经定滑轮与滑动模块固定连接，所述压敏传感器压合于定滑轮与固定架之间。

进一步地，所述固定架还连接有竖直轴向的导杆，所述导杆贯穿滑块与其滑动连接。

进一步地，所述驱动源包括步进电机。

进一步地，所述固定架设有不少于两个且沿竖直方向分布，固定架之间通过竖直轴向的导轨固定连接，所述滑动模块通过导轨与固定架滑动连接。

进一步地，所述中心控制器、加速度传感器、压敏传感器、驱动源集中部署于其中一个固定架上。

进一步地，所述导轨设有两个且沿水平方向对称分布。

进一步地，所述固定架还连接有与中心控制器电性连接的电源。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明支架利用压敏传感器获取负载背包重量，利用加速度传感器实时获取人体行走频率，根据人体行走频率和负载背包重量计算获取支架的共振刚度，通过步进电机及时调节弹性绳的有效长度，使得弹性绳的刚度始终维持于支架共振刚度的一半，在此状态下负载背包对人体的冲击最小，更有利于减少人体关节受力和避免肌肉损伤。

附图说明

图1是本发明支架实施例的结构示意图；

图2是本发明支架实施例所述压敏传感器的安装位置示意图；

图3是本发明方法实施例的原理示意图；

图4是本发明方法实施例的流程示意图。

图中：1、固定架；2、导轨；3、滑动模块；4、丝杆；5、弹性绳；6、步进电机；7、定滑轮；8、中心控制器；9、加速度传感器；10、电源；11、滑块；12、导杆；13、压敏传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

本发明具体实施方式提供了一种背负用可调节性支架，如图1所示，是本发明支架实施例的结构示意图，包括固定架1、导轨2、滑动模块3、丝杆4、弹性绳5、步进电机6、定滑轮7、中心控制器8、加速度传感器9、电源10、滑块11、导杆12。本实施例中，所述固定架1设有三个，每个固定架1呈水平放置，三个固定架1沿竖直方向分布。

所述导轨2设有两个，两个导轨2呈左右对称分布，两导轨2上端固定连接上方位置的固定架1，两导轨2下端固定连接下方位置的固定架1，两导轨2中间靠上位置固定连接中间位置的固定架1，三个固定架1和两个导轨2共同构成一个矩形框架，该矩形框架背负于人体上。所述滑动模块3用于固定负载背包，与两导轨2滑动连接，可沿导轨2上下滑动。

所述步进电机6、中心控制器8、加速度传感器9、电源10均固定于中间位置的固定架1上，中间位置的固定架1沿竖直方向开设有一个通槽，该通槽内设有一个定滑轮7，定滑轮7通过轴承与中间位置的固定架1转动连接，中间位置的固定架1与轴承之间设有一个压敏传感器13，压敏传感器13设于轴承下方，用于感应定滑轮7沿竖直方向所承受的重量，具体如图2所示，是本发明支架实施例所述压敏传感器的安装位置示意图。步进电机6、压敏传感器13、加速度传感器9、电源10分别与中心控制器8电性连接。

所述导杆12沿竖直方向固定连接于中间位置的固定架1与下方位置的固定架1之间。所述丝杆4沿竖直方向连接于步进电机6与下方位置的固定架1之间，步进电机6转轴与丝杆4上端相连，丝杆4下端与下方位置的固定架1转动连接，步进电机6可带动丝杆4绕其轴向转动。所述滑块11与丝杆4螺纹连接，当丝杆4转动时驱动滑块11沿丝杆4轴向作上下直线运动；滑块11沿竖直方向开设有一个通孔，导杆12贯穿该通孔与滑块11滑动连接，起到竖直方向导向和防止滑块11转动的作用。所述弹性绳5一端固定连接于滑块11上，弹性绳5另一端绕经定滑轮7固定连接于滑动模块3上，定滑轮7顶面与弹性绳5接触，当滑块11作上下直线运动时，可通过弹性绳5带动滑动模块3沿竖直方向作上下直线运动，固定有负载背包的滑动模块3将其重量通过弹性绳5施加于定滑轮7，进而可有位于定滑轮7轴承下方的压敏传感器13感应到负载背包的重量。

本发明具体实施方式还提供了一种背负用可调节性支架控制方法，该方法用于对前述发明支架进行控制，如图3所示，是本发明方法实施例的原理示意图，包括如下步骤：

步骤1，中心控制器8通过加速度传感器9分析获取人体行走频率；

步骤2，中心控制器8通过压敏传感器13计算获取滑动模块3所承受的负载背包重量；

步骤3，中心控制器8根据所获取的人体行走频率和负载背包重量，通过步进电机6带动模块3作上下直线运动，进而改变弹性绳5的有效长度，弹性绳5的有效长度即弹性绳5与定滑轮7的接触点至弹性绳5与滑动模块3的连接处之间的长度。通过改变弹性绳5的有效长度，从而调节弹性绳5的刚度，使弹性绳5的刚度为本发明支架共振刚度的一半。

具体分析如下：

本发明支架是一个弹簧-质量-阻尼系统。当弹性绳5的刚度是本发明支架的共振刚度的一半时，背包动态负载降至最低。此状态下，负载背包对人体的冲击最小，本发明支架的刚度由负载背包重量和人体行走频率所决定，其共振刚度的公式为：

k1＝mw²，

式中，k1为本发明支架的共振刚度，m为负载背包重量，w是人体行走频率；

压敏传感器13和加速度传感器9将采集到的数据传递给中心控制器8，中心控制器8根据采集的数据计算本发明支架的共振刚度k1，并令弹性绳5的刚度

弹性绳5刚度的计算公式为：

式中，k2为弹性绳的刚度，e为弹性绳的弹性模量，s为弹性绳的横截面积，l为弹性绳的有效长度。

综上可以得到弹性绳的最佳绳长公式：

由于弹性绳的弹性模量e和横截面积s均为常量，因而中心控制器8根据负载背包重量m和人体行走频率w便可计算出弹性绳5的最佳绳长，并通过调节步进电机6来改变弹性绳5的有效长度，最终使得弹性绳5的刚度是本发明支架共振刚度的一半。

如图4所示，是本发明方法实施例的流程示意图，即中心控制器8中程序按照图4中的过程执行。中心控制器8启动后，首先，读取压敏传感器13的测量值，计算出负载背包的重量m；接着，实时读取加速度传感器9的测量值，计算出人体行走频率w；随后，中心控制器8根据前述最佳绳长的计算公式，基于m和w实时求取出弹性绳5的最佳绳长l；然后，中心控制器8及时调节步进电机6，使弹性绳5的有效绳长始终为最佳绳长l，从而及时改变弹性绳5的刚度。

更具体地，中心控制器8按预设时间间隔读取加速度传感器9的测量值，计算出人体行走频率w，根据最新获取的人体行走频率w1判断是否需要对弹性绳5的有效绳长重新进行调整，需要重新进行调整的条件为：|w－w1|/w＞c，|w－w1|/w为人体行走频的变化程度，c是一个常数，本实施例中，c的取值范围为[0，0.5]，可通过调节c的取值范围，来改变弹性绳5绳长调节的灵敏度。

当此判断条件为“真”时，说明人体行走频率发生较大变动，需要重新调节弹性绳5的有效长度，则中心控制器8重新调节步进电机6来调节弹性绳5的刚度。当此判断条件为“假”时，说明人体行走频率无变化或变化程度很小，不需要重新调节弹性绳5的有效长度，则中心控制器8不调节步进电机6来调节弹性绳5的刚度。中心控制器8循环判断此条件，以确定是否需要调节步进电机6，实现了本发明支架的自适应调节。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。