CN112231972A - 一种悬浮发电缓冲背架及结构参数优化方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种悬浮发电缓冲背架及结构参数优化方法

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：

(1)本方法实现了悬浮发电背架对于不同步态参数自适应调整***刚度阻尼，满足了悬浮发电背架“减小冲击载荷、增大发电功率”的性能要求，其性能更加符合实际需求。

(2)本发明算法通过采用快速支配排序、拥挤算子、精英策略、熵权法、广义逆矩阵的改进，提高了算法的收敛速度及鲁棒性、减少了由于主观因素影响太强而造成的决策失误、解决了由于协方差导致过于放大属性指标的影响。

附图说明

图1为悬浮发电缓冲背架正视图。

图2为悬浮发电缓冲背架后视图。

图3为悬浮发电缓冲背架侧视图。

图4为夹紧模块结构示意图。

图5为悬浮发电缓冲背架工作原理框图。

图6为悬浮发电背架多目标优化方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

实施例1

结合图1-图3，本实施例的一种悬浮发电缓冲背架包括背板1、支撑架2、负重板5、框架13、蓄电池7、驱动模块8、加速度传感器10、磁流变阻器11、第一拉压力传感器19、第二拉压力传感器12、夹紧模块16、微型发电机65；

所述背板1一侧设有框架13，另一侧设有肩垫15，用于与人体背部的缓冲；背板1上下、左右两侧分别通过L形支撑板17与框架13连接，背板1根据人体工学设计成弧形结构；所述框架13左右两侧均设有滑动导轨3，所述滑动导轨3上下端分别通过支撑架2固定支撑在框架13上；所述滑块14与滑动导轨3配合，可沿滑动导轨3上下滑动；所述负重板5与滑块14连接；所述磁流变阻器11通过第一拉压力传感器19与负重板5相连，所述弹性绳4与一端磁流变阻器11连接，另一端穿过滑轮组9、夹紧模块16后与第二拉压力传感器12连接；所述第二拉压力传感器12与框架13相连；所述第一拉压力传感器19用于测量负重板5背负重量，所述第二拉压力传感器12用于获取在第二拉压力传感器12与夹紧模块16之间的非有效工作段弹性绳4的拉力；所述框架13上设有加速度传感器10，所述加速度传感器10用于获取垂直方向加速度、步频、幅度数据，并将数据传入控制模块；所述驱动模块8固定在框架13上，用于驱动设置在框架13上的夹紧模块16正反转，以控制整个背架的刚度和阻尼；所述控制模块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，通过驱动驱动模块8转动对应的角度以及pwm调整对应的电流给磁流变阻器11实现对背架的刚度和阻尼控制。

所述微型发电机65通过电机固定座64固定在负重板5上，所述微型发电机65输出轴与单向轴62连接，单向轴62上设有齿轮63，齿轮63与框架13上的齿条61啮合，传动方向平行于滑块14滑动方向；所述微型发电机65通过稳压电路与固定在框架13上的蓄电池7电连接，用于对蓄电池7充电，蓄电池7用于对控制模块、驱动模块8供电。考虑到齿轮63的上下运动，会造成发电机65产生方向相反的电流。本装置采用单向轴62，当负重板5上的微型发电机65相对于背架向上运动时，单向轴62与齿轮63锁死，导致齿轮63驱动发电机运动，当负重板5上的微型发电机相对于背架向下运动时，单向轴62自由转动，从而齿轮63与发电机分离。所以采用单向轴62，不仅可以保证发电机转动的方向单向，还可以使发电机在反向的时候利用惯性持续转动，提高发电机的发电功率。

所述滑轮组9包括设置在第一拉压力传感器19与夹紧模块16之间的多个滑轮、设置在第二拉压力传感器12与夹紧模块16之间的多个滑轮；多个滑轮通过连接件与框架13相连；通过滑轮组9可增加弹性绳4的有效工作长度，有效工作长度越大负载在竖直方向上相对于地面的振动幅度越小，对人肩背部冲击越小。

结合图4，所述夹紧模块16包括主动轮18、从动轮20；所述主动轮18与驱动模块8相连；所述从动轮20的转轴与主动轮18的转轴平行；所述主动轮18与从动轮20之间设有间隙，用于弹性绳4的穿过，并通过设置间隙大小以夹紧弹性绳4；通过主动轮18与从动轮20之间的摩擦力拉动弹性绳4。主动轮18和从动轮20均设有滚花，以增大与弹性绳4的摩擦力。驱动模块8控制主动轮18正反转，以改变弹性绳4的有效工作长度，使弹性绳4的有效工作长度始终处于背架允许范围内的最大长度，从而减小背包振动幅度以及负载对人体的冲击。

所述弹性绳4作为重要缓冲机构，所述控制模块对其刚度系数的计算按照下面公式计算得到：

式中：k₀为绳刚度；k为单位绳刚度；l₀为绳长度；当获得最佳的刚度，通过上式计算得到对应绳子长度，通过驱动装置的步进电机转动对应角度，带动带滚花的滚轮，通过摩擦力改变绳长，从而得到对应的弹性绳长度。

所述磁流变阻器中，采用双曲线正切模型，通过实验测得磁流变阻器的电流-阻尼的关系，将变化的参数进行函数的拟合，得到如下的函数：

c_p＝a₃I³+a₂I²+a₁I+a₀ (2)

其中，c_p为磁流变阻器的阻尼，I为输入磁流变阻器的电流，a₀、a₁、a₂、a₃为拟合函数值。由于本***阻尼c由绳阻尼与磁流变阻器的阻尼组成，即c＝c_p+c_l，其中c_l为绳阻尼。由于绳长改变对绳阻尼影响较小，因此只需考虑磁流变阻器的阻尼变化即可。当磁流变阻器不通电时，磁流变阻液呈现流动状态，阻尼值最小，当磁流变阻器通电饱和时，磁流变阻液呈固态状态，阻尼值最大，所以通电流大小通过改变磁流变阻液的流通特性，进而改变了***阻尼大小。

本发明的悬浮发电背架工作过程如下：首先背包与负重板5连接，第一拉压力传感器19获取人体背负重量，当人运动时，负重板5会通过滑块14相对于固定在框架13的滑动导轨3产生上下滑动，固定在负重板5上的微型发电机65与固定在框架13上的齿条61啮合转动，同时将微型发电机65得到的电能通过稳压电路储存在蓄电池7中，加速度传感器10获取相应的步频、步幅、加速度，第二拉压力传感器12获取非工作段弹性绳4的拉力，将数据传入控制模块，控制模块通过优化算法(计算过程同实施例2，此处不再赘述)计算出最佳刚度和阻尼，并且得出对应的绳长及电流大小，通过驱动所述驱动模块8(可采用步进电机)转动对应的角度，从而实现主动轮转动对应的角度控制实际工作的绳长，以及pwm调整对应的电流给磁流变阻器11实现对背架的刚度和阻尼控制，并且实现减少对人体肩部冲击载荷和增大发电功率的目的。

实施例2

基于上述自控悬浮发电背架，本发明还提出了一种悬浮发电缓冲背架及结构参数优化方法，步骤如下：

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m、步频b、步幅Y、刚度k、阻尼c为设计变量，以发电功率N、人体所受冲击载荷F_T优化目标。

定义设计变量为X＝(x₁，x₂，x₃，x₄，x₅)＝(m，b，Y，k，c)，令ω＝2πx₂,其中ω为运动的时候的步行频率。本实例中g为重力常数，其中g＝9.8m/s²。

根据自发电缓冲背架要实现减轻人体受力的性能要求，结合绳子的自身的材料特性以及***的阻尼特性。根据实际要求，对悬浮发电缓冲背架提出下列要求：

(1)背负负载在缓冲条件下产生的冲击载荷的峰值F_T小于无缓冲条件下产生的冲击载荷峰值F。

(2)根据弹性绳的材料特性以及***的阻尼特性，刚度k范围在[k₁，k₂]，阻尼c范围在[c₁,c₂]。

则悬浮发电缓冲背架多目标参数优化模型的优化目标为：

其中f₁(x)为发电功率N，f₂(x)为人体所受冲击载荷F_T。

悬浮发电缓冲背架多目标参数优化模型的约束条件为：

悬浮发电缓冲背架多目标参数优化的数学模型为：

步骤2、采用NSGA-II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，具体步骤如下：

2.1、初始化种群M、迭代次数t，随机产生大小为N个个体的父代种群P_t，t＝0。

2.2、计算种群个体的适应度。

2.3、通过非支配排序和拥挤度，计算出每个个体的等级和拥挤度大小，对P_t的每个个体进行排序。

2.4、采用二进制锦标赛法选择种群P_t中的个体，并且进行模拟二项式交叉和多项式变异得到子代种群Q_t。

2.5、合并父代种群P_t和子代种群Q_t为一个2N个个体的种群A_t。

2.6、通过非支配排序计算个体等级、拥挤度计算拥挤度大小，对A_t的每个个体进行降序排序，并且修剪种群A_t，选择前面N个个体构成P_t。

2.7、如果迭代次数没有到达指定值，则令t＝t+1，转回步骤204)，否则输出pareto最优前端解集{x_ij}。

步骤3、采用熵权法确定各个优化目标的客观权重；

3.1、对正向化后的{x_ij}初始决策矩阵据采用极差变化法进行标准化，得到规范化决策矩阵。

其中i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n。其中x_ij表示第i个方案、第j个优化目标的数值，max{x_ij}、min{x_ij}表示所该目标函数的最大值和最小值，m为待选方案数、n为优化目标数；

3.2、计算各个指标的信息熵

其中，p＝1/Inm是调节系数，

是对y_ij规范化处理的结果；

3.3、计算对应指标的权系数如下：

并且其对应的权重矩阵

w_j是第j个指标对应的权重，w_j∈[0,1]，且

步骤4、基于广义加权马氏距离的TOPSIS法的策略对pareto最优解集进行贴近度排序获得相对最佳方案，具体步骤如下：

4.1、通过极差变换法将原始据矩阵标准化得到决策矩阵{y_ij}。正负理想解分别为v_j ⁺＝(1,1,...,1)和v_j ^-＝(1,1,...,1)。

4.2、计算决策矩阵{y_ij}的协方差矩阵Σ，并且采用奇异值分解法计算Moore-Penrose广义逆矩阵Σ⁺。

4.3、求解正负广义加权马氏距离：

决策矩阵{y_ij}到正理想距离的距离为：

决策矩阵{y_ij}到负理想距离的距离为：

其中y_i为第i个方案的目标函数矩阵。

4.4、计算对应方案的贴近度，并对方案排序，对应方案的贴近度为：

4.5、根据C_i大小进行排序，C_i值反映了方案的相对优劣，C_i越大，方案越好，反之，越差。

基于上述优化方法，背架上的传感器将检测到的步频、步幅、背负重量传入控制模块中，通过上述优化方法的到得到一组最优的参数(各方案中贴近度最大的一组)，即最佳的刚度和阻尼，同时控制模块通过公式1及公式2算得对应的最佳绳长和电流；所述控制模块将最佳绳长与实际绳长对比，通过驱动所述驱动模块8(可采用步进电机)带动主动轮转动对应的角度，调整到最佳绳长，即改变了背架刚度；控制模块通过输出相应的pwm信号控制磁流变阻器的最佳电流，同时也改变了背架阻尼。并且负重板上的微型发电机通过齿轮沿着框架上的齿条上下滑动，微型发电机单向转动产生电能，并且经过稳压电路给蓄电池充电。从而实现了减少对人体肩部冲击载荷和增大发电功率的目的。

Claims (9)

1.一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；其特征在于，

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。

2.根据权利要求1所述的悬浮发电缓冲背架，其特征在于，所述控制模块对弹性绳刚度系数的计算按照下面公式计算得到：

式中：k₀为绳刚度；k为单位绳刚度；l₀为绳长度。

3.根据权利要求1所述的悬浮发电缓冲背架，其特征在于，所述控制模块得到电流与阻尼关系，通过以下公式得到：

c_p＝a₃I³+a₂I²+a₁I+a₀

其中，c_p为磁流变阻器的阻尼，I为输入磁流变阻器的电流，a₀、a₁、a₂、a₃为拟合函数值系数。

4.根据权利要求1所述的悬浮发电缓冲背架，其特征在于，发电模块包括发电机、单向轴、齿轮、齿条；所述发电机固定在负重板上，所述发电机输出轴与单向轴连接，单向轴上设有齿轮，齿轮与框架上的齿条啮合，传动方向平行于滑动模块滑动方向；所述发电机通过稳压电路与蓄电池电连接，用于对蓄电池充电。

5.根据权利要求1所述的悬浮发电缓冲背架，其特征在于，所述夹紧模块包括主动轮、从动轮；所述主动轮与驱动模块相连；；所述主动轮与从动轮用以夹紧弹性绳。

6.根据权利要求1所述的悬浮发电缓冲背架，其特征在于，所述主动轮和从动轮均设有滚花。

7.根据权利要求1所述的悬浮发电缓冲背架，其特征在于，所述背板另一侧设有肩垫。

8.一种悬浮发电缓冲背架及结构参数优化方法，其特征在于，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。

9.根据权利要求8所述的悬浮发电缓冲背架及结构参数优化方法，其特征在于，悬浮发电缓冲背架多目标参数优化模型的优化目标为：

其中f₁(x)为发电功率N，f₂(x)为人体所受冲击载荷F_T；(x₁，x₂，x₃，x₄，x₅)＝(m，b，Y，k，c)，m为背负重量、b为步频、Y为步幅、k为刚度、c为阻尼。

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