本發(fā)明涉及一種行走能量采集發(fā)電裝置，特別是涉及一種在人體負(fù)重運動過程中收集人體與背包相對振動的機械能并將所收集的機械能轉(zhuǎn)化為可用電能的機械護(hù)具。

背景技術(shù)：

背包作為一種普遍式負(fù)載運輸方式，常發(fā)生在學(xué)生上學(xué)、野外求生、軍事行軍及登山訓(xùn)練等過程。但攜帶過多的行李會增加人體的負(fù)重，人體負(fù)重過大或負(fù)重時間過長都會導(dǎo)致肩部損傷。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果表示，人體肩部的疲勞感是一個不斷累積增加的過程，即人體在處于負(fù)重狀態(tài)下時肩部的壓力累積隨著時間的推移而不斷增加。此外，肩部的壓力累積還與負(fù)重大小成正比。人體在背負(fù)25kg負(fù)重的情況下，51分鐘后人體肩部的累積壓力便達(dá)到155n。據(jù)報道，青少年低背痛、脊柱側(cè)彎、過度駝背和前凸等肌骨系統(tǒng)疾病與背包負(fù)重密切相關(guān)。同時，兒童、青少年時期由于背包負(fù)重量過大而導(dǎo)致的背痛還會對其成年后的肌骨系統(tǒng)健康造成影響。

相關(guān)研究表明，人體每天消耗的能量可達(dá)1.07e⁷j。這些能量有相當(dāng)大的一部分是由于在行走或奔跑過程中人體重心不斷地波動，使得人體需要克服地球的引力做功而消耗的，這一部分能量消耗是無法避免的。當(dāng)人體處于負(fù)重狀態(tài)下時，由于人體的重心波動，會使得背包也難以靜止，而背包并不是與人體重心的運動保持同步的，背包的運動相對于人體重心的波動有滯后的特性，這使得背包與人體間產(chǎn)生相對運動。背包運動的機械能來自于人體，最終都是人體克服萬有引力做功消耗能量，這不僅增加了人體肩部的壓力，也使得人體由于背負(fù)背包需要消耗更多的能量。

據(jù)檢索，目前已有將行走能量采集發(fā)電的背包裝置，如公開號為cn201173169y的中國專利申請公開了一種背包式發(fā)電裝置，包括一發(fā)電模塊、一發(fā)電機及一背包，發(fā)電模塊由二組加速齒輪與一齒條所組成，發(fā)電模塊與發(fā)電機的整體結(jié)構(gòu)組合于背包背帶上，背負(fù)背包行走時產(chǎn)生的自然上下律動，令發(fā)電機發(fā)電。

又如公開號cn102562498a的中國專利申請公開了一種懸掛運動式發(fā)電裝置和包含該裝置的背包，其包括懸掛于運動體上的懸掛單元、獲取運動體活動或運動過程中產(chǎn)生的運動動能的緩沖單元、用于傳遞所述運動動能的傳動單元，以及發(fā)電單元，傳動單元將緩沖單元獲取的運動動能傳遞至發(fā)電單元，發(fā)電單元將傳動單元傳遞的運動動能轉(zhuǎn)化為電能。

上述兩種對行走能量采集發(fā)電背包的技術(shù)方案均存在不足之處，第一種技術(shù)方案的裝置其發(fā)電量只能在一個非常微小的量級，且該裝置對于裝配精度的要求高，導(dǎo)致制造成本高，且潤滑不方便，并易出現(xiàn)齒輪錯位等故障；另外該裝置沒有能量存儲模塊和電壓穩(wěn)定模塊，發(fā)出來的電能既不能儲存也不能直接利用。第二種技術(shù)方案的裝置利用懸掛體運動直接發(fā)電，會增加行走過程中的顛簸，影響背包的舒適性，而懸掛體本身具有不小的重量，增加人體行動負(fù)擔(dān)，造成得不償失的困擾。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種應(yīng)用于背包的饋能式機械護(hù)具，該機械護(hù)具可改善負(fù)重運動過程中人體與背包之間的動力學(xué)關(guān)系，減輕人體肩部的壓力，同時收集背包與人體相對振動的能量。該機械護(hù)具可應(yīng)用于各種不同類型的背包，且能向多種電子設(shè)備提供電力。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案是：

一種應(yīng)用于背包的饋能式機械護(hù)具，其特征在于包括：將人體腰部橫向鎖扣并與人體緊密貼合的柔性護(hù)腰帶，以及連接在柔性護(hù)腰帶中間并位于人體背部位置的機械饋能減振裝置，機械饋能減振裝置的殼體至少與人體接觸的部位為柔性體；所述機械饋能減振裝置的殼體中設(shè)置有彈簧、導(dǎo)向機構(gòu)、機械傳動裝置、機械整流機構(gòu)、激勵傳遞機構(gòu)、發(fā)電機和電源管理模塊；彈簧豎向設(shè)置且上端固定于殼體上而下端固定于導(dǎo)向機構(gòu)上，背包沿豎向施加載荷于激勵傳遞機構(gòu)而通過導(dǎo)向機構(gòu)豎向拉伸彈簧，與此同時導(dǎo)向機構(gòu)帶動機械傳動裝置將背包的豎向運動轉(zhuǎn)化為機械傳動裝置的旋轉(zhuǎn)運動，所述機械傳動裝置通過機械整流機構(gòu)與發(fā)電機連接，并將設(shè)定方向的旋轉(zhuǎn)運動通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電機與電源管理模塊連接并通過電源管理模塊接收并儲存電能。

上述技術(shù)方案中，激勵傳遞機構(gòu)包括豎向形成套接管的至少兩個管體，套接管頂端與導(dǎo)向機構(gòu)固定連接，套接管底端連接背包托架；導(dǎo)向機構(gòu)上設(shè)置所述機械傳動裝置，所述機械傳動裝置包括滾珠絲桿機構(gòu)和機械整流機構(gòu)，滾珠絲桿機構(gòu)至少包括滾珠螺母、絲桿軸，滾珠螺母固定在導(dǎo)向機構(gòu)上，絲桿軸底端穿過滾珠螺母中心后連接整機械整流機構(gòu)。

上述技術(shù)方案中，所述背包托架可翻轉(zhuǎn)的連接在套接管底端，機械饋能減振裝置的殼體外表面上設(shè)有托架收納空間，背包托架在閑置狀態(tài)時能夠旋轉(zhuǎn)收回所述托架收納空間;套接管底端設(shè)置限位擋板，所述限位擋板用于限制背包托架的翻轉(zhuǎn)角度大小。

上述技術(shù)方案中，機械整流機構(gòu)包括一個整流齒輪箱和整流齒輪箱中的三個齒輪，其中，絲桿軸齒輪通過中間軸齒輪與發(fā)電機軸齒輪嚙合將轉(zhuǎn)動傳遞給發(fā)電機軸齒輪；與絲桿軸輸出端相配合的絲桿軸齒輪內(nèi)裝有單向離合器，所述單向離合器使電機能夠在同一方向上連續(xù)轉(zhuǎn)動。

上述技術(shù)方案中，套接管中心設(shè)置彈性繩，彈性繩的上端定位于套接管頂端并能夠通過長度改變調(diào)節(jié)導(dǎo)向機構(gòu)與背包托架的豎向距離。

上述技術(shù)方案中，套接管的兩個管體通過鎖緊機構(gòu)鎖緊固定。

上述技術(shù)方案中，套接管的兩個管體直徑不同。

上述技術(shù)方案中，所述機械饋能減振裝置的殼體外型呈與人體背部相適應(yīng)的曲面狀，殼體至少與人體接觸的部位為泡沫塑料組成。

上述技術(shù)方案中，電能管理模塊包括整流調(diào)壓電路和鋰電池以及輸出端口；整流調(diào)壓電路包括輸入端與輸出端，輸入端與發(fā)電機連接，將整流調(diào)壓電路的輸入電壓調(diào)節(jié)至鋰電池的充電電壓范圍內(nèi)；輸出端與鋰電池連接，將整流調(diào)壓電路的輸出電壓調(diào)節(jié)至用電設(shè)備的額定電壓范圍內(nèi)。

上述技術(shù)方案中，電源管理模塊設(shè)置不同的輸出端口以匹配不同的隨身用電設(shè)備。

機械傳動裝置采用滾珠絲桿機構(gòu)與一組整流齒輪箱，整流齒輪箱內(nèi)含單向離合器。由激勵傳遞機構(gòu)輸入的背包振動激勵直接傳遞給導(dǎo)向連接板，通過滾珠絲桿機構(gòu)的逆向驅(qū)動作用，由滾珠螺母的上下運動帶動絲桿軸的轉(zhuǎn)動。

機械護(hù)具放置不用時，在彈簧合頁的作用下支撐板收起，機械護(hù)具處于合緊狀態(tài)；使用時，將支撐板翻轉(zhuǎn)至水平位置，在背包負(fù)重的作用下支撐板將保持水平位置不動。

進(jìn)一步地，通過整流齒輪箱中的單向離合器與齒輪（優(yōu)選直齒圓柱齒輪）將動力傳給電機輸入軸，從而實現(xiàn)了從機械能到電能的轉(zhuǎn)化。

機械饋能減振裝置內(nèi)置減壓彈簧，上端通過導(dǎo)向連接板限制其縱向伸縮，在滾珠螺母隨背包上下運動時彈簧能夠隨之伸縮；背包相對于人體向下運動時，彈簧存儲彈性勢能，減輕背包在運動過程中對人體的沖擊，從而減輕人體肩部的壓力；在背包相對于人體向上運動時，人體肩部的壓力較小，通過機械護(hù)具內(nèi)部發(fā)電機工作時產(chǎn)生的電磁阻尼減緩肩部壓力，彈簧由支承座定位，避免其產(chǎn)生橫向位移。

綜上所述，相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的應(yīng)用于背包的饋能式機械護(hù)具能夠?qū)⒈嘲┘咏o人體肩部的壓力的一部分分解到腰部，以改善背包與人體之間的受力關(guān)系，同時通過機械護(hù)具能夠?qū)⑷梭w在負(fù)重行進(jìn)過程中與背包的相對振動機械能轉(zhuǎn)化為電能，該機械護(hù)具可被用于向多種電子設(shè)備提供電能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明應(yīng)用于背包的饋能式機械護(hù)具的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明應(yīng)用于背包的饋能式機械護(hù)具中激勵傳遞機構(gòu)、導(dǎo)向機構(gòu)、機械傳動裝置、發(fā)電機、電能管理模塊裝配機構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明應(yīng)用于背包的饋能式機械護(hù)具的整流齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)放大俯視圖；

圖4是本發(fā)明應(yīng)用于背包的饋能式機械護(hù)具的整流齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)放大仰視圖；

圖5是本發(fā)明應(yīng)用于背包的饋能式機械護(hù)具的激勵傳遞機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明應(yīng)用于背包的饋能式機械護(hù)具的激勵傳遞機構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。請參閱圖1、圖2、圖3、圖4、圖5和圖6，本發(fā)明實施例包括：

一種應(yīng)用于背包的饋能式機械護(hù)具，該機械護(hù)具是由一條與人體緊密貼合的柔性護(hù)腰帶和布置在柔性護(hù)腰帶中間的機械饋能減振裝置組成。該機械護(hù)具能夠?qū)⒈嘲┘咏o人體肩部的壓力的一部分分解到腰部，以改善背包與人體之間的受力關(guān)系，同時能夠?qū)⑷梭w在行進(jìn)的過程中與背包的相對振動機械能轉(zhuǎn)化為電能并儲存起來，系統(tǒng)收集的電能可用于照明、無線通信、生命維持等負(fù)載所需的關(guān)鍵能量。

如圖1所示，柔性護(hù)腰帶由腰帶2和泡沫塑料1組成，泡沫塑料1中間鏤空，機械饋能減振裝置置于泡沫塑料1中，泡沫塑料1外型呈曲面狀，表面包裹有彈性材料，能夠更好地貼合人體背部。

如圖2，饋能式減振裝置由箱體、彈簧17、導(dǎo)向機構(gòu)、滾珠絲桿機構(gòu)、機械整流機構(gòu)、激勵傳遞機構(gòu)、發(fā)電機6和電源管理模塊18組成。饋能式減振裝置通過箱體背板固定在泡沫塑料1上，彈簧17豎直設(shè)置在導(dǎo)向連接板13上并通過彈簧豎直兩端設(shè)置的支承座16定位，避免彈簧產(chǎn)生橫向位移。彈簧17頂端的支承座16固定在箱體背板上。

導(dǎo)向機構(gòu)包括線性導(dǎo)軌15、滑塊14和導(dǎo)向連接板13?；瑝K14與線性導(dǎo)軌15相配合而在線性導(dǎo)軌15上滑動。線性導(dǎo)軌15沿豎直方向固定在箱體的其中一個側(cè)面。導(dǎo)向連接板13呈l型，l型的豎直方向板與滑塊14連接，l型的水平方向板上分別固定激勵傳遞機構(gòu)和滾珠絲桿機構(gòu)的相應(yīng)端。

如圖2和3，滾珠絲桿機構(gòu)包括滾珠螺母5、絲桿軸4、固定側(cè)軸承座3和支撐端軸承19。固定側(cè)軸承座3固定在箱體背板上。滾珠螺母5固定在導(dǎo)向連接板13的水平方向板上。絲桿軸4底端穿過滾珠螺母5中心后通過支撐端軸承19旋轉(zhuǎn)支承。支撐端軸承19固定在箱體的一個懸置橫梁上。懸置橫梁與導(dǎo)向連接板13的水平方向板平行設(shè)置。絲桿軸4穿過懸置橫梁后連接整流齒輪箱7。

如圖2-4，機械整流機構(gòu)由設(shè)置在整流齒輪箱7中的三個相同的齒輪（絲桿軸齒輪21、中間軸齒輪23、發(fā)電機軸齒輪25）構(gòu)成，與絲桿軸4輸出端相配合的絲桿軸齒輪21內(nèi)裝有單向離合器22，從而使電機能夠在同一方向上連續(xù)轉(zhuǎn)動。絲桿軸齒輪21通過中間軸齒輪23將轉(zhuǎn)動傳遞給發(fā)電機軸齒輪25。

整流齒輪箱7與饋能式減振裝置的箱體壁接觸部分之間涂抹有密封膠保證密封性。

如圖3和4，中間軸齒輪23與發(fā)電機軸齒輪25下端采用卡簧24定位，上端布置有密封墊片26，中間軸由懸置橫梁上的一對軸承20定位，圖3中標(biāo)示其中一個軸承20。

如圖2、5和6，激勵傳遞機構(gòu)包括兩直徑不同并可伸縮調(diào)整長度的套接鋁管（上端鋁管12和下端鋁管27）、彈性皮筋29、鎖緊機構(gòu)11、翻轉(zhuǎn)式支撐板10、彈簧合頁9和插銷28與30，翻轉(zhuǎn)式支撐板10的兩側(cè)臂與翻轉(zhuǎn)頁板之間通過彈簧合頁9可旋轉(zhuǎn)的連接；翻轉(zhuǎn)式支撐板10的翻轉(zhuǎn)頁板設(shè)有限位擋板8。

激勵傳遞機構(gòu)翻轉(zhuǎn)式支撐板10的兩側(cè)臂布置有滾花31（參見圖1和6），限制背包在除了上端鋁管12和下端鋁管27所在方向以外的其他方向運動，如圖1中在工作時支撐板10的兩側(cè)臂相對于泡沫塑料1向外伸出以承載背包，在閑置時支撐板10的兩側(cè)臂可旋轉(zhuǎn)回收到泡沫塑料1外側(cè)面的兩收納槽中。

上端鋁管12的頂端外部布置有外螺紋，與導(dǎo)向連接板13的內(nèi)螺紋相配合而與導(dǎo)向連接板13固定連接；下端鋁管27與翻轉(zhuǎn)式支撐板10的翻轉(zhuǎn)頁板焊接。

兩直徑不同的鋁管（上端鋁管12和下端鋁管27）相互嵌套（圖6的上端鋁管12未示出，本實施例中選擇上端鋁管12較粗，下端鋁管27較細(xì)，也可以下端較粗上端較細(xì)），鎖緊機構(gòu)11包覆在上端鋁管12下端頭并能夠沿下端鋁管27滑動而將上端鋁管12鎖定在下端鋁管27上。上端鋁管12和下端鋁管27的中空管體內(nèi)部設(shè)有至少一根彈性繩29，彈性繩29兩端均分別系在第一插銷28和第二插銷30上，上端鋁管12與導(dǎo)向連接板13配合處銑有定位槽，第一插銷28置于上端鋁管12的所述定位槽中。下端鋁管27與支撐板10焊接處開一小孔并銑有定位槽，第二插銷30同樣置于下端鋁管27的定位槽中。

工作時，支撐板10的兩側(cè)臂展開與豎直方向成大約90度，將背包放置于支撐板10的兩側(cè)臂上，背包將相對于人體而上下振動，在機構(gòu)內(nèi)部彈簧17和背包的作用下，支撐板10的兩側(cè)臂將隨之上下運動，由于支撐板10的翻轉(zhuǎn)頁板與導(dǎo)向連接板13的剛性連接關(guān)系，導(dǎo)向連接板13將在同一方向上下運動，彈簧17由支承座16定位，避免其產(chǎn)生橫向位移。

通過導(dǎo)向連接板13將上下方向運動傳遞給與導(dǎo)向連接板13固定連接的滾珠螺母5，逆向驅(qū)動絲桿4旋轉(zhuǎn)，從而將上下方向直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動。

背包與人體的相對振動過程分作向上與向下兩個階段，通過單向離合器22收集單一方向的振動能量，使電機能在同一方向連續(xù)轉(zhuǎn)動而不變向。經(jīng)過機械整流之后的電能在充電模塊中進(jìn)行進(jìn)一步的濾波調(diào)壓，使輸出電壓穩(wěn)定在鋰電池的充電電壓范圍內(nèi)。

機械饋能減振裝置所需要的阻尼力主要由發(fā)電機工作時產(chǎn)生的反電動勢提供，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的工作狀態(tài)可以實現(xiàn)人體與背包之間動力學(xué)關(guān)系的主動控制。

電源管理模塊18包括整流調(diào)壓電路與鋰電池，整流調(diào)壓電路含可變負(fù)載，對于不同重量的背包可以調(diào)節(jié)負(fù)載大小，進(jìn)而改變機械的發(fā)電效率，使得該機械護(hù)具的發(fā)電效率始終維持在一較高范圍。

由于背包豎直方向尺寸不同或重量變化需要更換背包時，先卸下背包，然后鎖緊機構(gòu)11松開，使支撐板10在彈性繩29和彈簧17的作用下沿豎直方向回復(fù)至初始位置；再將鎖緊機構(gòu)11鎖緊，更換其他背包，將背包放置于支撐板10的兩側(cè)臂上，使支撐板10在背包和內(nèi)部彈簧17的作用下到達(dá)新的平衡位置；進(jìn)一步地，可松開鎖緊機構(gòu)11，使支撐板10在背包、彈性繩28和彈簧17的共同作用下對支撐板10的位置做進(jìn)一步微調(diào)；最后將鎖緊機構(gòu)11鎖緊。

以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。