一种基于双向滚珠丝杠传动的膝关节发电装置及其应用制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于双向滚珠丝杠传动的膝关节发电装置，属于人体膝关节发电领域。该发电装置利用绳驱动装置将人体运动时膝关节的旋转运动转化为绳子的直线运动，再通过双向滚珠丝杠将直线运动转化为旋转运动，直接作用于电机上，整个过程将人体生物能转化为机械能再转化为电能实现发电。本发明专利技术的发电装置能满足在高速跑步和低速行走时正常运行发电的要求，具备长期高效稳定的性能，能实现在不同人群身上的穿戴，穿戴较为简便，同时装置整体较为轻便，对人体行走的代谢损耗较少。

A knee joint power generation device based on bidirectional ball screw drive and its application

The invention discloses a knee joint power generation device based on bidirectional ball screw transmission, which belongs to the field of human knee joint power generation. The power generation device converts the rotation of knee joint into linear motion of rope by rope driving device, and then transforms linear motion into rotary motion by bi-directional ball screw, which acts directly on the motor. The whole process converts human biological energy into mechanical energy and then into electrical energy to realize power generation. The power generation device of the invention can meet the requirements of normal operation of power generation when running at high speed and walking at low speed, has long-term high efficiency and stable performance, can be worn on different groups of people, and is relatively simple to wear, while the overall device is lighter and has less metabolic loss for human walking.

【技术实现步骤摘要】
一种基于双向滚珠丝杠传动的膝关节发电装置及其应用
本专利技术属于人体膝关节发电领域，更具体地，涉及一种能将人体膝关节运动的能量收集转化为电能的发电装置。
技术介绍
当今科技迅猛发展，人们对各种电子设备的依赖和需求程度越来越高，特别对于野外行军作战的军人，或是在户外探险或遭受自然灾害的群体，他们一方面缺乏电源，另一方面人体处于不断行走状态，如何寻求充足的电源以满足他们在野外较长时间的通讯生存和作战要求是一个亟需解决的问题。传统的发电方式有太阳能发电或风力发电，但这类放电方式受自然天气影响较大，太阳能发电无法满足夜晚发电需求，而风力发电对地域和气候有较高的要求。因而我们需要开发出与人体相关的便携式发电设备，现有的装置中，美国研发出一种压力发电鞋，利用人体走路的压力进行发电，该专利技术简便实用有效，但发电效率较低，难以满足现实需求。以色列的研发人员专利技术了一种背包发电装置，利用脚踝部位与髋关节部位之间走路时的循环变动产生电能，该装置发电功率较高，但整体装置重量大，运行时对人体代谢能量消耗大，因而实用性差。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于双向滚珠丝杠传动的膝关节发电装置，其目的在于，基于双向滚珠丝杠传动对发电装置的结构进行改进，提出一种适合人体穿戴、轻便的挠性传动发电方案，能有效提高装置的发电功率，同时减轻对人体的体能损耗，由此解决现有膝关节发电装置发电效率低、重量大、对人体代谢消耗大的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于双向滚珠丝杠传动的膝关节发电装置，包括：底板、小腿板、左右旋丝杠、右旋螺母、左旋螺母、发电机、联轴器、第一导轨连接件、第二导轨连接件、第三导轨连接件、第四导轨连接件、定滑轮、第一钢丝绳、第二钢丝绳以及两个光滑轴；两个光滑轴和左右旋丝杠互相平行且均固定于底板上，两个光滑轴分别位于左右旋丝杠两侧；发电机固定于底板上且通过联轴器连接左右旋丝杠上端；底板下端与小腿板上端枢接，定滑轮设于底板与小腿板的枢接部；左右旋丝杠包括上下分布的左旋螺纹段和右旋螺纹段，左旋螺母设于左旋螺纹段上，右旋螺母设于右旋螺纹段上；第一导轨连接件和第三导轨连接件均与左旋螺母固连，且分别设于两个光滑轴上；第二导轨连接件和第四导轨连接件均与右旋螺母固连，且分别设于两个光滑轴上；第一钢丝绳上端固定于第一导轨连接件上，下端经过定滑轮后固定于小腿板上；第二钢丝绳上端固定于第四导轨连接件上，下端经过定滑轮后固定于小腿板上；第一钢丝绳和第二钢丝绳中的至少一个绕定滑轮一周。进一步地，定滑轮为双层滑轮件，第一钢丝绳、第二钢丝绳各占一层。进一步地，还包括关节连接件，小腿板通过关节连接件与底板枢接；小腿板上设有阵列式安装孔，关节连接件上端与底板枢接，下端通过与阵列式安装孔的不同孔配合固定，适应不同的小腿长度。进一步地，定滑轮、关节连接件和小腿板可拆卸地连接，以通过调整连接处的层叠顺序，适应不同粗细的小腿。进一步地，还包括小腿固定侧板、大腿固定侧板；小腿固定侧板安装于小腿板上，大腿固定侧板安装于底板上，小腿固定侧板和大腿固定侧板上均设有用于安装绑带的孔槽。进一步地，还包括滚珠轴承，第一导轨连接件、第二导轨连接件、第三导轨连接件、第四导轨连接件均与对应的光滑轴通过滚珠轴承连接。进一步地，双层滑轮件与关节连接件固连或一体成型。本专利技术还提供了如前所述的膝关节发电装置的应用，用于人体肘关节、动物关节或者具有铰链式结构的机器上进行发电。总体而言，本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本专利技术利用绳驱动装置将人体运动时膝关节的旋转运动转化为绳子的直线运动，再通过双向滚珠丝杠将直线运动转化为旋转运动，直接作用于电机上，整个过程将人体生物能转化为机械能再转化为电能实现发电，结构简单轻便，实用性好；2、双向滚珠丝杠副能将钢丝绳作用于螺母上的轴向运动转化为丝杠的旋转运动，左右两端固连钢丝绳分别交替作用于左右旋螺母上，由于双向滚珠丝杠副的特性，使得拉扯端的钢丝绳都只需要单向拉动便能驱动丝杠旋转；3、按照本专利技术的装置，通过更换不同半径的定滑轮即可改变每个运动周期中绳子固定端的位移量，从而改变相应的传动比，进而改变发电功率；4、按照本专利技术的装置，通过改变双向滚珠丝杠的导程能改变发电装置的传动比，从而改变发电效率；5、本专利技术的发电装置能满足在高速跑步和低速行走时正常运行发电的要求，具备长期高效稳定的性能，能实现在不同人群身上的穿戴，穿戴较为简便，同时装置整体较为轻便，对人体行走的代谢损耗较少。附图说明图1显示的是本专利技术专利的整体图；图2显示的是本专利技术专利穿戴在人体右腿上并进行运行的实施图，需要说明的是，装置同样适合左腿穿戴，只要丝杠行程足够，便能满足左右腿互换；图3显示的是钢丝绳在双层滑轮件18中的绕线方式。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：发电机1、联轴器2、光滑轴3、第一钢丝绳夹线头4、第一导轨连接件5、左右旋丝杠6、第二导轨连接件7、第一钢丝绳8、钢丝绳固定夹线头9、连接座10、大腿固定侧板11、第三导轨连接件12、底板13、第二钢丝绳夹线头14、第四导轨连接件15、丝杠支撑座16、第二钢丝绳17、双层滑轮件18、关节连接件19、小腿板20、小腿固定侧板21、人体大腿22、右旋螺母23、人体小腿24、左旋螺母25、左旋螺纹段26、右旋螺纹段27。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。双向滚珠丝杠副包括左旋螺纹段26和右旋螺纹段27组成的左右旋丝杠6、右旋螺母23、左旋螺母24三个部分。滚珠丝杠利用导轨光滑轴3进行传动导轨，光滑轴3包括两根相同的光滑轴，通过第一导轨连接件5、第二导轨连接件7、第三导轨连接件12、第四导轨连接件15和相应的轴承与丝杠进行连接，实现平滑导轨功能，第一导轨连接件5、第二导轨连接件7、第三导轨连接件12和第四导轨连接件15结构相同，有一个大径孔和一个小径孔，大径孔为安装滚动轴承的孔，轴承在光滑轴3上滑动保证丝杠螺母的轴向平稳运行，第一导轨连接件5和第四导轨连接件15上的小径孔用于安装第一钢丝绳夹线头4和第二钢丝绳夹线头14，安装时，第一钢丝绳8穿过第二导轨连接件7，再用第一导轨连接件5夹住第一钢丝绳8的末端，第一钢丝绳夹线头4的直径大于第一导轨连接件5上的小径孔，第一钢丝绳8和第二钢丝绳17的另一末端以同样的方式固定在小腿板20的凸台上，实现第一钢丝绳8和第一钢丝绳17的张紧。当第一钢丝绳8位于钢丝绳固定夹线头9一端有力的作用时，第一钢丝绳夹线头4将收到拉力作用，推动第一导轨连接件5往下运动，进而推动双向滚珠丝杠的转动，同样地，当第二钢丝绳17位于钢丝绳固定夹线头9一端有力的作用时，第二钢丝绳夹线头14将收到拉力作用，推动第二导轨连接件15往下运动，进而推动双向滚珠丝杠的转动。双向滚珠丝杠副6与发电机1通过连接座10和相应轴承进行定位，保证能够同轴，并通过联轴器2进行轴端固连，丝杠的另一端通过丝杠支撑座16和相应轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双向滚珠丝杠传动的膝关节发电装置，其特征在于，包括：底板(13)、小腿板(20)、左右旋丝杠(6)、右旋螺母(23)、左旋螺母(25)、发电机(1)、联轴器(2)、第一导轨连接件(5)、第二导轨连接件(7)、第三导轨连接件(12)、第四导轨连接件(15)、定滑轮(18)、第一钢丝绳(8)、第二钢丝绳(17)以及两个光滑轴(3)；两个光滑轴(3)和左右旋丝杠(6)互相平行且均固定于底板(13)上，两个光滑轴(3)分别位于左右旋丝杠(6)两侧；发电机(1)固定于底板上且通过联轴器(2)连接左右旋丝杠(6)上端；底板(13)下端与小腿板(20)上端枢接，定滑轮(18)设于底板(13)与小腿板(20)的枢接部；左右旋丝杠(6)包括上下分布的左旋螺纹段(26)和右旋螺纹段(27)，左旋螺母(25)设于左旋螺纹段(26)上，右旋螺母(23)设于右旋螺纹段(27)上；第一导轨连接件(5)和第三导轨连接件(12)均与左旋螺母(25)固连，且分别设于两个光滑轴(3)上；第二导轨连接件(7)和第四导轨连接件(15)均与右旋螺母(23)固连，且分别设于两个光滑轴(3)上；第一钢丝绳(8)上端固定于第一导轨连接件(5)上，下端经过定滑轮(18)后固定于小腿板(20)上；第二钢丝绳(17)上端固定于第四导轨连接件(15)上，下端经过定滑轮(18)后固定于小腿板(20)上；第一钢丝绳(8)和第二钢丝绳(17)中的至少一个绕定滑轮(18)一周。...

【技术特征摘要】
1.一种基于双向滚珠丝杠传动的膝关节发电装置，其特征在于，包括：底板(13)、小腿板(20)、左右旋丝杠(6)、右旋螺母(23)、左旋螺母(25)、发电机(1)、联轴器(2)、第一导轨连接件(5)、第二导轨连接件(7)、第三导轨连接件(12)、第四导轨连接件(15)、定滑轮(18)、第一钢丝绳(8)、第二钢丝绳(17)以及两个光滑轴(3)；两个光滑轴(3)和左右旋丝杠(6)互相平行且均固定于底板(13)上，两个光滑轴(3)分别位于左右旋丝杠(6)两侧；发电机(1)固定于底板上且通过联轴器(2)连接左右旋丝杠(6)上端；底板(13)下端与小腿板(20)上端枢接，定滑轮(18)设于底板(13)与小腿板(20)的枢接部；左右旋丝杠(6)包括上下分布的左旋螺纹段(26)和右旋螺纹段(27)，左旋螺母(25)设于左旋螺纹段(26)上，右旋螺母(23)设于右旋螺纹段(27)上；第一导轨连接件(5)和第三导轨连接件(12)均与左旋螺母(25)固连，且分别设于两个光滑轴(3)上；第二导轨连接件(7)和第四导轨连接件(15)均与右旋螺母(23)固连，且分别设于两个光滑轴(3)上；第一钢丝绳(8)上端固定于第一导轨连接件(5)上，下端经过定滑轮(18)后固定于小腿板(20)上；第二钢丝绳(17)上端固定于第四导轨连接件(15)上，下端经过定滑轮(18)后固定于小腿板(20)上；第一钢丝绳(8)和第二钢丝绳(17)中的至少一个绕定滑轮(18)一周。2.如权利要求1所述的一种基于双向滚珠丝杠传动的膝关节发电装置，其特征在于，定滑轮(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊蔡华，黄忠葵，范军，陈文斌，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42