1．目的及意义
运动过程中臀部的垂直运动会导致负重背包每走一步都加速，这给穿着者带来了巨大的峰值力，增加了代谢能的消耗。同时背着沉重背包行走会增加肌肉骨骼受伤的风险，尤其是在脚踝、膝盖、肩关节和腰椎等易受伤的部位。在这些损伤中，最常见的涉及下肢(脚水泡、跖骨疼痛、应力性骨折和膝盖疼痛)和下背部(下背部疼痛、痉挛、椎间盘撕裂/突出和椎管狭窄)。特别是上身肌肉来支撑背包负荷，也会导致身体疲劳的增加，从而进一步降低人体性能。如果负重行走作为日常工作的一部分定期进行，背痛可能会成为慢性疾病，并造成医疗费用的财务负担。背包瘫痪是最常见的损伤之一，由于背包肩带对上臂臂丛神经C5和C7神经根的过度压迫，导致手臂瘫痪。

国内外的几项研究表明，使用固定框架背包以及第二脊柱可以减轻肩膀上的压力，减轻下背痛。肩部的应力可以通过将载荷部分转移到臀部上来减小，即使其有效性取决于具体的背包型号。肩部压力的降低不仅可以减少导致背包瘫痪的肩部不适和神经压迫，还可以减少脊柱上的压力，因为背包的刚性结构充当了将负荷转移到下体的替代路径。然而，在有些情况下，大量的货物必须携带在背包外面(例如，带有标准装备和防弹插件的军用战术背心)。在这些情况下，需要一种更耐磨的解决方案来将负荷从肩膀转移到骨盆。尽管背负式负重带来许多不利影响，但仍无法获得良好的工程设计，减轻人体负重时肌肉疲劳和受伤风险的有效性有待证明。所以，设计一款能有效降低背包负重行走的能量消耗和肌肉损伤的风险，增强负重能力的动力背包很有意义。

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2. 研究的基本内容与方案

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研究内容：

结合负重行走减小代谢能的原理，设计混合动力背包的硬件电路部分，完成电路原理图设计和PCB设计，电路焊接与调试，使用电机调控负载的运动，使用上位机采集调试数据并发送参数。

研究目标：

结合人体负重行走质心运动规律，设计减小代谢能消耗的混合动力背包电路与控制算法。

技术方案：

使用两个传感器，一个安装在人体腰部，一个安装在负载上，根据人体负重行走的加速度信息，通过控制电路与控制算法使电机带动负载做加速度跟随运动：

1.研究人体负重行走运动规律，通过传感器采集数据。

2. 设计电路与控制算法处理传感器数据，生成随加速度信息而变化的PWM到电机驱动器，控制电机的运动， 同时检测负载上的传感器的加速度数据，反馈到控制系统。

3. 参考文献

[1] Park, J.,Stegall, P., Zanotto, D., Vashista, V., Jin, X., and
Agrawal, S., 2013, “Design of the second spine: A secondary pathway to transferloads from the shoulders to the pelvis,” in Proceeding of the IDETC/CIE 2013,DETC2013-12795

[2] Park, J,Jin, X., and Agrawal, S., 2015, “Second Spine: Upper
Body Assistive Device for Human Load Carriage,” Journal of
Mechanisms Robotics 7(1), 011012