想必大家都背過很重的背包。不管是上學(xué)、徒步還是旅行，背重物總是讓人苦不堪言，長(zhǎng)期使用還會(huì)對(duì)關(guān)節(jié)和肌肉造成損傷。

這主要是由于行走時(shí)背包的晃動(dòng)給人體施加了額外的沖擊負(fù)荷。

東南亞挑夫們用低剛度竹竿挑擔(dān)的方式，啟發(fā)了科學(xué)家開發(fā)懸浮背包技術(shù)。不過現(xiàn)有的懸浮背包有個(gè)難題：人走路快慢不一，背包重量也會(huì)變，系統(tǒng)無法適用所有情況。

雖然也有主動(dòng)式方案的背包，但那需要隨身帶電池，又重又不方便。

現(xiàn)在，哈工大朱延河教授團(tuán)隊(duì)帶來了一個(gè)激動(dòng)人心的消息：他們研發(fā)出了一款無需外部供能的智能懸浮背包！

顧名思義，這個(gè)背包能夠?qū)崿F(xiàn)懸浮，不但有望解決人體不能承受之“重”，而且還不用外部充電。

先來看看這個(gè)背包的原型機(jī)：

網(wǎng)友表示：

· 我的背包客夢(mèng)有救了？

· 哈工大出品，必屬精品！這波穩(wěn)了

· 啥時(shí)候能買到，已經(jīng)等不及了！

事實(shí)上，這是一種配備低功率可調(diào)阻尼裝置的準(zhǔn)零剛度懸浮背包，可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)負(fù)載的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以平衡不同重量的負(fù)載，并適應(yīng)不同的行走速度。

下面給大家詳細(xì)講講這個(gè)背包的核心技術(shù)和目前測(cè)試情況。

▍硬核拆解：智能背包如何實(shí)現(xiàn)“懸浮”？

這個(gè)黑科技背包的核心秘密藏在兩大系統(tǒng)中：可調(diào)恒力機(jī)構(gòu)和可調(diào)阻尼裝置，如圖1所示。來看看它們是如何配合工作的。

圖1 變阻尼準(zhǔn)恒力懸浮背包樣機(jī)

首先是可調(diào)恒力機(jī)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)：運(yùn)用了重力平衡原理。通過兩組彈簧和擺動(dòng)桿的設(shè)計(jì)，讓懸架剛度降低到接近為零。只要調(diào)節(jié)彈簧的懸掛位置，就能平衡不同重量的負(fù)載，將背包的加速度降到最低，如圖1（a）所示。

再說可調(diào)阻尼裝置，這套系統(tǒng)利用了電機(jī)的發(fā)電模式，完全不需要額外供電。

當(dāng)使用者背著包走路時(shí)，因?yàn)槿梭w的背部在負(fù)重后無法保證完全垂直，負(fù)載會(huì)產(chǎn)生偏置力。裝置中的微控制器通過控制MOS管的通斷狀態(tài),調(diào)節(jié)電機(jī)的阻尼大小。這就像是給背包裝了個(gè)“智能剎車系統(tǒng)”，防止負(fù)載撞擊到滑軌限位，如圖1（c）和（d）所示。

系統(tǒng)的工作細(xì)節(jié)體現(xiàn)在多個(gè)方面：負(fù)載連接板固定在皮帶上，電機(jī)通過皮帶傳動(dòng)改變負(fù)載運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示。同時(shí)，通過PWM調(diào)制占空比實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)阻尼。

圖2 可調(diào)阻尼裝置

系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了智能保護(hù)機(jī)制：在高制動(dòng)功率狀態(tài)下，通過降低PWM占空比來降低電機(jī)的制動(dòng)功率，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行，如圖2（b）所示。

為了確保負(fù)載不會(huì)因偏置力而產(chǎn)生額外的加速度，并保持負(fù)載在中心位置附近移動(dòng)，需要提供適當(dāng)?shù)淖枘崃c來平衡偏置力，如圖2（c）所示。

研究團(tuán)隊(duì)還提出了一種基于負(fù)載相對(duì)位置和相對(duì)速度的變阻尼控制策略。簡(jiǎn)單來說，就是當(dāng)使用者背著包走路時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)判斷負(fù)載的位置和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，自動(dòng)調(diào)整阻尼力，讓背包始終保持在最佳位置。

具體來說: 當(dāng)負(fù)載偏離中位向上時(shí)，若相對(duì)速度也為上，則電機(jī)產(chǎn)生阻尼力阻礙負(fù)載運(yùn)動(dòng)，當(dāng)負(fù)載相對(duì)速度向下時(shí)，無阻尼，在人行走的周期運(yùn)動(dòng)后，負(fù)載將回復(fù)到中位附近。當(dāng)負(fù)載偏離中位向下時(shí)，控制方式與之類似。

為了進(jìn)一步提升性能，團(tuán)隊(duì)還引入強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法來優(yōu)化阻尼力輸出，減少阻尼力對(duì)使用者的影響。

測(cè)試結(jié)果如圖3所示。圖3（a）表示變阻尼和固定阻尼下的負(fù)載位移。（b）表示變阻尼和固定阻尼下的負(fù)載慣性力。變阻尼的負(fù)載位移幅度最小，不僅能快速返回初始位置，而且比固定阻尼系數(shù)為3的峰值加速垂直力小34%。

圖3 變阻尼和固定阻尼情況下的測(cè)試結(jié)果

▍數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)：這個(gè)背包到底有多強(qiáng)？

實(shí)驗(yàn)室里的理論再完美，也要經(jīng)過真實(shí)場(chǎng)景的考驗(yàn)。為了評(píng)估該背包的減負(fù)性能，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了負(fù)重行走實(shí)驗(yàn)，如圖4所示。分別記錄了測(cè)試者的能量消耗和負(fù)載的位移變化。

圖4 人體實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。在無阻尼狀態(tài)下，負(fù)載將緩慢向下移動(dòng)，達(dá)到極限，迅速反彈，并在重復(fù)的循環(huán)中繼續(xù)向下移動(dòng)。然而，使用可調(diào)阻尼裝置，負(fù)載不會(huì)達(dá)到極限。

圖5 人體實(shí)驗(yàn)結(jié)果

這表明可調(diào)阻尼裝置有效地解決了負(fù)載與恒力機(jī)構(gòu)之間的不匹配問題，提高了負(fù)載運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

那么，變阻尼懸浮背包可以比普通背包省力多少？

數(shù)據(jù)顯示，變阻尼準(zhǔn)恒力懸浮背包（CQFB）將普通背包(OB)的代謝率從11.4±0.8 W/kg降低到10.1±0.6 W/kg！與普通背包(OB)相比降低了11.4%，與恒力懸浮背包(CFSB)相比降低了3.8%。

同時(shí)，負(fù)載與滑軌限位的持續(xù)碰撞可能會(huì)損壞背包。測(cè)試者更喜歡變阻尼準(zhǔn)恒力懸浮背包（CQFB）。原因很簡(jiǎn)單——沒人喜歡背著一個(gè)老是撞來撞去的背包走路。這也突顯了可調(diào)節(jié)阻尼裝置的重要性。

更厲害的是，這個(gè)系統(tǒng)還能根據(jù)走路速度自動(dòng)調(diào)節(jié)。測(cè)試顯示，走得越快，系統(tǒng)的減震效果反而越明顯！

研究測(cè)試了一名測(cè)試者在三種速度下的負(fù)載慣性力：

測(cè)試結(jié)果如圖6所示，CQFB在三個(gè)速度下都能有效降低負(fù)載加速度，慣性力的減少程度隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加而增加。當(dāng)負(fù)載接近滑軌中間位置附近，可調(diào)阻尼裝置對(duì)負(fù)載的加速力影響較小。

圖6不同行走速度下兩種背包的負(fù)載慣性力

最讓人驚喜的是垂直加速度的降低。在快步走的情況下，比普通背包的上下晃動(dòng)減少了整整85%。這意味著什么？就是背包基本不會(huì)劇烈晃動(dòng)，大大減輕了對(duì)身體的沖擊。

表1 峰值加速度垂直力的百分比減少

此外，當(dāng)使用者彎腰時(shí)，該系統(tǒng)會(huì)動(dòng)態(tài)調(diào)整負(fù)載的運(yùn)動(dòng)，以防止其與滑軌末端發(fā)生碰撞。

▍未來更多可能：背包還要變得更強(qiáng)！

研究團(tuán)隊(duì)的腦洞可不止于此。他們已經(jīng)在規(guī)劃下一步的升級(jí)：讓這個(gè)背包變得更聰明，能夠適應(yīng)更廣泛的運(yùn)動(dòng)模式，例如跳躍。

更有意思的是，團(tuán)隊(duì)還打算給背包加入能量回收功能。通過電機(jī)發(fā)電模式，把運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量回收利用，用來調(diào)節(jié)背包的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

想象一下，這項(xiàng)技術(shù)未來可能被運(yùn)用到更多場(chǎng)景: 戶外運(yùn)動(dòng)、物流運(yùn)輸、軍事裝備...潛力無限。

從實(shí)驗(yàn)室里的原型機(jī)，到可能改變未來出行方式的智能裝備，這個(gè)不用充電的智能懸浮背包正在一步步駛?cè)氍F(xiàn)實(shí)賽道。

看來，在哈工大科研團(tuán)隊(duì)的努力下，“背包革命”已經(jīng)悄然打響（doge）

本文來源：機(jī)械人大講堂

論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10753097

40萬+機(jī)械工程師都在看↓↓↓

關(guān)注上方公眾號(hào)，回復(fù)關(guān)鍵詞，免費(fèi)領(lǐng)取海量資料??！

1. 回復(fù)【動(dòng)圖】領(lǐng)取10000+個(gè)機(jī)械動(dòng)圖及視頻包

2. 回復(fù)【CAD】領(lǐng)取800GAutoCAD全套視頻教程

3. 回復(fù)【UG】領(lǐng)取800G的UGNX全套視頻教程

4. 回復(fù)【SW】領(lǐng)取800G的Solidworks全套教程

5. 回復(fù)【機(jī)械設(shè)計(jì)】領(lǐng)取800G（非標(biāo)）機(jī)械設(shè)計(jì)資料