一种具有预蓄力型柔性连接系统的减负悬浮背包
技术领域
本实用新型涉及一种符合人体工程学的背包，更具体地说，涉及一种减负悬浮背包。
背景技术
当背着普通背包行走或跑步时，背包作用在身体上的力除了背包的重力外，还会有背包的加速度力。加速度力最大可以比重力大2-3倍。因此行走或跑步时关节会比静止时承受更大的力，肌肉和关节更容易受到损伤。
加速度力与臀部的起伏运动有关。步行过程中臀部的起伏运动会导致背包的竖直运动。加速度力的峰值与背包竖直运动的幅度有关。因此，可以通过减少背包的竖直运动幅度来减少作用在背负者的加速度力。减少加速度力可以减少关节的受力和避免肌肉的损伤，并且减少行走时背负者的能量消耗，为背负者减负。
国外学者Rome开发了利用弹力绳和滑轮作为柔性连接系统的减负悬浮背包(Rome,L.C.,Rubber bands reduce the cost of carrying loads.Nature,444(7122),1023-1024,2006)。相关成果已经被LIGHTNING PACKS公司于2007年申请了发明专利(US2008185411A1)。该减负悬浮背包适用于20kg以上的负荷。由于采用的是弹力绳和滑轮，因此在小负荷下会出现绕在滑轮上的弹力绳一段被拉伸，一段没有被拉伸的情况，进而导致减负悬浮背包的固有频率增大，减负效果下降。在小负荷下还会因为小负荷无法克服柔性连接系统的摩擦力而出现柔性连接系统被卡住的情况，即减负悬浮背包退化为普通背包。在大负荷下，由于弹性组件拉伸空间不够，因此在低频下行走不容易得到好的减负效果，并且弹力绳还存在材料容易老化的问题。
国内方面，华南理工大学申请了几项具有类似结构的减负背包或装置的发明专利(CN107588312A、CN107594857A、CN107616617A、CN108887863A)，它们和美国发明专利US2008185411A1采用的原理基本一致，采用的柔性连接系统结构十分相似，因此它们不仅存在美国发明专利US2008185411A1中出现的不足，还存在一些其他的问题。例如，静止时弹簧拉伸长度过长，背包会从背部的位置掉到臀部的位置，或者拉绳和拉伸弹簧拉伸后总长最多和背板一样长，因此拉伸空间有限，根本达不到良好的减负效果。
本申请人的在先申请CN110150840A中采用预压缩式的压缩弹簧作为弹性元件，节省了空间，可以达到很好的悬浮效果。然而压缩弹簧的压并状态仍会占用一定空间，因此作为弹性元件的压缩弹簧的伸缩量有限，所以在慢走下较难实现很好的悬浮效果。尽管避免了定滑轮的使用，减少了一部分摩擦力，但是压缩弹簧与支撑杆之间会有摩擦，不能很好地适用于小负荷情况。
针对上述现有技术中减负背包的多项不足，如仅能承重大负荷，仅适用于高频快步行走，占用空间大，减负效果不佳。本实用新型设计了一种减负悬浮背包，为柔性连接系统带来了大的总拉伸量和小的摩擦力，使得减负悬浮背包可以承重小负荷(5kg以下)和大负荷(5kg以上)，适用于全频率行走，而且减负效果明显。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种具有预蓄力型柔性连接系统的减负悬浮背包，采用旋转转盘和预蓄力弹性元件作为预蓄力型柔性连接系统，解决了现有的减负悬浮背包仅能承重小负荷，仅适用于高频率，占用空间大，减负效果不佳的技术问题。
为实现上述目的，采用了如下技术方案：
一种具有预蓄力型柔性连接系统的减负悬浮背包,包括携带负载的背包本体、连接身体的身体侧装置以及连接背包本体和身体侧装置的柔性连接系统，所述背包本体通过所述柔性连接系统能够实现相对所述身体侧装置的滑动，所述柔性连接系统包括弹性组件，
其特征在于：所述弹性组件至少包括旋转转盘和弹性元件，所述旋转转盘固定于所述身体侧装置，所述弹性元件为预蓄力弹性元件，为初始具有预紧力的蓄力结构，设置于所述旋转转盘上，能够带动所述旋转转盘转动，在有限空间内增加所述弹性组件的总拉伸量和减少所述弹性组件的总摩擦力。
进一步地，所述弹性元件为卷簧，所述卷簧设置在所述旋转转盘上。
进一步地，所述卷簧为平面涡卷弹簧。
进一步地，所述卷簧固定于所述旋转转盘的外侧面，所述卷簧一端固定在所述旋转转盘的中心轴上，另一端固定于所述旋转转盘外侧面的外围/外端。
进一步地，所述弹性组件还包括连接绳，所述连接绳缠绕在所述旋转转盘上，所述连接绳的一端固定在所述旋转转盘上。
进一步地，所述柔性连接系统还包括滑轨组件，所述滑轨组件包括滑轨和适配的滑动件，所述滑动件能够在所述滑轨上滑动，所述滑轨组件为两组，分别位于所述弹性组件的左右两侧，所述连接绳另一端与所述滑动件连接。
进一步地，所述滑动件的顶端与所述背包本体连接，使得所述连接绳另一端通过所述滑动件与所述背包本体连接，所述滑轨组件与所述身体侧装置固定连接。
进一步地，所述弹性组件还包括至少一个定滑轮，用于改变所述连接绳的拉伸方向，所述连接绳通过绕设在所述定滑轮上，连接所述旋转转盘和所述滑动件。
进一步地，所述连接绳为钢丝绳，所述定滑轮为两个。
进一步地，所述柔性连接系统还包括锁止机构，实现所述背包的悬浮功能的开启和关闭。
进一步地，所述背包本体包括包体、连接板和衬条，所述衬条设置在所述包体的内部，所述连接板置于所述包体的外部，所述连接板和所述衬条将包体内面夹设，将包体固定在连接板上。
进一步地，所述身体侧装置包括背带、背板和衬垫。
进一步地，所述身体侧装置还包括腰带。
进一步地，所述减负悬浮背包适于承重5kg以下的小负荷，适用于全频率行走。
本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
一、本实用新型的柔性连接系统为预蓄力型系统，预蓄力型为初始具有预紧力的蓄力结构，即弹性元件初始时刻已被旋紧或者拧紧。本实用新型的弹性组件的核心是旋转转盘和预蓄力的弹性元件，弹性组件的总拉伸量决定了减负悬浮背包的减负效果。现有技术主要采用弹力绳和滑轮作为柔性连接系统，弹性绳作为其中的弹性元件，需要来来回回绕在多个滑轮上，因此其总拉伸量受到了滑轮数量和减负悬浮背包整体尺寸的限制。本申请巧妙的采用了旋转转盘结构，其不仅可以缠绕无数圈连接绳，同时也用于设置预蓄力弹性元件，因此相比于现有技术旋转转盘可以在有限空间内大幅度增加弹性组件的总拉伸量。
二、现有技术主要采用弹力绳和滑轮作为柔性连接系统，基本需要3个以上的滑轮才能实现功能，随着滑轮个数的增多，摩擦力也会增大。本实用新型的柔性连接系统还采用了预蓄力弹性元件，具体为卷簧，使得该柔性连接系统仅需少量滑轮(1-2个)便可实现功能，使得滑轮个数明显减少，再尤其是连接绳采用钢丝绳时，钢丝绳与滑轮之间的摩擦力要明显小于弹力绳与滑轮之间的摩擦力，因此能够有效减小柔性连接系统总的摩擦力。
三、现有技术中的减负悬浮背包没有明确提及适用载荷，从文献中可知一般适用于20kg以上的负荷。由于现有技术主要采用弹力绳和滑轮作为柔性连接系统，因此会出现绕在滑轮上的弹力绳一段被拉伸，一段没有被拉伸的情况，进而导致减负悬浮背包的固有频率增大，减负效果下降，这种情况在小负荷(5kg以下)下更加明显。在小负荷下还会因为小负荷无法克服柔性连接系统的摩擦力而出现柔性连接系统被卡住的情况，即减负悬浮背包退化为普通背包。因此现有技术中的减负悬浮背包并不适用于承重小负荷的情况。本实用新型采用旋转转盘和连接绳作为柔性连接系统，不论负荷大小，即使是小负荷也不会出现弹性元件部分失效的情况，不会使减负悬浮背包退化成普通背包。
四、现有技术主要采用弹力绳和滑轮作为柔性连接系统，因此弹性组件的总拉伸量受到限制，而总拉伸量决定了减负悬浮背包的固有频率。要得到好的减负效果，需要减负悬浮背包的固有频率远小于行走频率。因此现有技术中的减负悬浮背包无法在全频率行走下取得明显的减负效果。而本实用新型采用的旋转转盘和预蓄力弹性元件作为柔性连接系统，总拉伸量几乎不受限制，因此可适用于人体的全频率行走，即涵盖了人从慢走时到快跑时的所有频率，而且减负效果明显。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本实用新型的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。
图1为本实用新型整体结构示意图；
图2为本实用新型分解结构示意图；
图3为本实用新型柔性连接系统的整体结构示意图；
图4为本实用新型旋转转盘的局部放大图；
图5为本实用新型背包本体的分解结构示意图；
图6为本实用新型身体侧装置的结构示意图；
图7为本实用新型锁止机构的未锁状态和锁止状态示意图；
图8为本实用新型试验结果对比图。
图中，101-背包本体；102-柔性连接系统；103-身体侧装置；1-包体；2-内衬条；3-连接板；4-滑轨；5-滑动件；6-定滑轮；7-钢丝绳；8-旋转转盘；9-平面涡卷弹簧；10-中心轴；11-锁止主体部；12-锁止开关；13-背板；14-肩带。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。
需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
减负悬浮背包是一个受迫振动的系统，其目的是在行走过程中降低背包的振幅。柔性连接系统是弹簧阻尼系统中的弹簧元件，背包本体是弹簧阻尼系统中的惯性元件。步行中的身体给弹簧阻尼系统施加激振力，因此背包产生受迫振动。背包的振幅与固有频率和激励频率的比值有关。减负悬浮背包的固有频率与背负者的行走频率的比值越小，背包的振幅越小。静止时柔性连接系统中弹性元件的伸缩量设计得越大，减负悬浮背包的固有频率越小，背包的振幅越小，减负效果越好。因此，柔性连接系统的结构设计极为重要。
如图1所示,本实用新型为一种具有预蓄力型柔性连接系统的减负悬浮背包。
如图2所示，减负悬浮背包，包括与身体连接的身体侧装置103、承载重物的背包本体101，以及用来连接两者的柔性连接系统102。背包本体101通过柔性连接系统102能够实现相对于身体侧装置103的滑动。
如图5所示，背包本体101包括包体1、内衬条2和连接板3，内衬条2设置于包体1的内侧，衬条2可设置为左右两侧的两条，连接板3与衬条2固定连接，将包体内面夹设在一起，使包体1固定在连接板3上。进一步地，连接板3与柔性连接系统102的滑动件5固定连接，连接方式可以为螺丝或者螺钉，以实现背包本体101与柔性连接系统102之间的连接。
如图6所示，身体侧装置103包括背板13和肩带14，还可以设置有腰带。其中，背板13上设置有多个凹槽和孔洞结构，用于与柔性连接系统102中的各部件相应地固定连接，连接方式可以为螺丝或者螺钉等。肩带14直接连接设置在背板13上。可以利用拓扑优化技术优化背板14的结构并减轻背板重量。
如图3所示，柔性连接系统102包括弹性组件、滑轨组件和锁止机构。其中，弹性组件和滑轨组件通过弹性组件中的钢丝绳7相连。锁止机构通过卡住滑轨组件中的滑动件5来实现悬浮功能的关闭。弹性组件、滑轨组件和锁止机构均安装在身体侧装置103的背板13上,如图7所示。
其中，弹性组件包括旋转转盘8、平面涡卷弹簧9、定滑轮6和钢丝绳7。平面涡卷弹簧9一端固定在旋转转盘8的中心轴10上，另一端连接在旋转转盘的外端侧/外围，具体地可钩挂于旋转转盘外围的圆柱体/螺栓/螺杆/螺钉上，如图4所示。为保证拉伸长度，钢丝绳7在旋转转盘8上缠绕1-2圈，一端固定于旋转转盘8的外围/外端面的固定件上，另一端绕过定滑轮6，连接于滑轨组件中的滑动件5。旋转转盘8位于两个滑轨组件的中间。定滑轮6为位于旋转转盘8左右两侧的同时位于导轨4上方的左滑轮和右滑轮两个滑轮。定滑轮6用于改变钢丝绳7的走向。钢丝绳7被拉动时，旋转转盘8和平面涡卷弹簧9会同步转动。钢丝绳7也可以是由左右两根钢丝绳构成，两根钢丝绳7的其中的一端缠绕旋转转盘8，并固定在旋转转盘8的外侧面/外围，另一端连接滑动件5。
如图3所示，滑轨组件包括滑轨4和滑动件5，滑轨组件为两组，分别位于弹性组件的左、右两侧，滑轨4固定在身体侧装置103的背板13上，每个滑轨4与滑动件5装配连接，滑动件5可在滑轨4内上下滑动。滑动件5顶面与背包本体101中的连接板3固定连接，带动背包本体101的竖向滑动或竖直位移。为了避免包体1在负载时下降距离太大，当包体1空载时，柔性连接系统102中的平面涡卷弹簧9已被旋紧或拧紧，即弹性元件被预蓄力，柔性连接系统为预蓄力型。
如图3和7所示，为了便于控制滑动件5的滑动，柔性连接系统102中还设置了一个锁止机构。锁止机构包括锁止主体部11和锁止开关12，锁止主体部11包括拨杆、下盖、转动杆、连杆、定位卡、弹簧部件和卡舌，通过向下拨动锁止开关12，带动锁止主体部11中的四个卡舌分别朝两侧伸出，进入锁止状态。仍在上下运动的滑动件5的突起挤压卡舌，在弹簧部件的作用下，锁止机构11中卡舌向里收缩，使得滑动件5的突起被卡在同一侧的两个卡舌之间，将滑轨组件锁死，阻止滑动件5滑动(如图7所示)。锁止机构不限于实施例中列举的上述结构形式，凡是能够实现锁止功能的部件均可采用。
本实用新型的减负悬浮背包在背负者慢走时的试验情况，如图8所示。试验中的减负悬浮背包承重4.5kg。在背包和身体侧装置分别安装无线加速度计，测得人的慢走频率约1.8Hz。图8中左边是框架的加速度曲线，右边是背包的加速度曲线，背包的加速度曲线幅度明显小于身体侧装置的，身体侧装置加速度幅度约0.4g，背包加速度幅度约0.25g，由此可见背包的位移明显小于身体的位移，能有效减轻背负者负担。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
