[发明专利]一种悬浮发电缓冲背架及结构参数优化方法

说明书

本发明公开了一种悬浮发电缓冲背架及结构参数优化方法，缓冲背架包括背板，与背板相连的框架，通过滑动模块与框架相连的负重板，弹性绳，第一检测单元，第二检测单元，夹紧模块，驱动模块；发电模块、用于对背架的刚度和阻尼控制进行控制的装置；以及以背负重量、步频、步幅、刚度、阻尼为设计变量，以发电功率、人体所受冲击载荷优化目标，通过优化算法计算出最佳刚度和阻尼，并且得出最佳刚度和阻尼分别对应的绳长及电流大小，控制驱动模块转动角度以及调整磁流变阻器电流的控制模块；方法通过确定设计变量和优化目标获得相对最佳方案，达到最佳的回收能量、减少冲击的效果。

技术领域

本发明属于人体穿戴技术领域，特别是一种悬浮发电缓冲背架及结构参数优化方法。

背景技术

近些年来可穿戴电子设备迅速发展，广泛应用于日常生活、科研或军事活动中。但是由于电池存储能量的限制，严重制约了穿戴设备的使用和推广。同时在户外活动时，人体背负着重物长时间运动，很容易导致人体肩部等运动部位疲劳损伤，进而影响人体健康。目前太阳能发电技术有着明显的缺陷，无法在夜晚和阴暗地方发电、必须置于高强度光照发电，而人体无法承受过度光照，由于光伏电池的使用，导致结构复杂，不便使用。所以需要同时考虑背架缓冲和发电两种相互冲突的性能，对背架参数进行多目标优化。

中国专利CN201910574533.3申请公开了一种基于运动感知的自控悬浮背架及最佳有效长度的获取方法，该背架包括主体框架、悬浮单元、缓冲单元、检测单元、控制单元、夹紧单元、驱动单元，框架通过缓冲单元与悬浮单元连接，缓冲单元穿过夹紧单元，检测单元将运动的参数传入控制单元，然后控制单元通过驱动单元控制夹紧单元，改变缓冲单元的性能，其中缓冲单元包括弹性绳和滑轮组，检测单元包括拉压力传感器、加速度传感器，夹紧单元包括主动轮、从动轮，驱动单元为舵机。上述背架在使用过程中，通过传感器获取运动过程中的状态，动态调整缓冲单元的弹性绳有效工作长度，从而改善使用者在背负大负载运动时肩部所受冲击。但是悬浮背架在运动过程中负重板会随着背包的伸缩而运动，造成了运动者会浪费多余的体力，而且背架在运动过程所产生的能量没有收集，导致能量的浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种悬浮发电缓冲背架及结构参数优化方法，以达到最佳的回收能量、减少冲击的效果。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种悬浮发电缓冲背架，包括背板，与背板相连的框架，通过滑动模块与框架相连的负重板，用于牵引负重板的弹性绳，用于测量背负重量以及测量非有效工作段弹性绳拉力的第一检测单元，用于检测垂直方向加速度、步频数据的第二检测单元，用于夹紧弹性绳并将弹性绳分为有效工作段和非有效工作段的夹紧模块，用于驱动夹紧模块转动以改变弹性绳有效工作段绳长的驱动模块；

所述第二检测单元还用于获取步幅数据，还包括随负重板上下移动以进行发电的发电模块，以及以背负重量、步频、步幅、刚度、阻尼为设计变量，以发电功率、人体所受冲击载荷优化目标，通过优化算法计算出最佳刚度和阻尼，并且得出最佳刚度和阻尼分别对应的绳长及电流大小，控制驱动模块转动角度以及调整磁流变阻器电流的控制模块。

一种悬浮发电缓冲背架及结构参数优化方法，包括以下步骤：

步骤1、建立悬浮发电缓冲背架结构参数多目标优化模型，确定设计变量和优化目标；

以背负重量、步频、步幅、刚度、阻尼为设计变量，以发电功率、人体所受冲击载荷优化目标；

步骤2、采用I遗传算法对悬浮发电缓冲背架多目标优化问题进行优化，获得pareto最优前端解集；

步骤3、采用熵权法确定各个优化目标的客观权重；

步骤4、对pareto最优解集进行贴近度排序获得相对最佳方案。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：