基于人体膝关节和踝关节驱动的发电装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及基于人体膝关节和踝关节驱动的发电装置，属于人体发电装置技术领域。包括发电机构、膝绳、踝绳、大腿支架、小腿支架、小腿支架连杆、脚踝连杆；发电机构包括发电机、蜗轮蜗杆机构、第一输入机构、第二输入机构和过渡传动机构；过渡传动机构包括一对齿轮和过渡齿轮；过渡传动机构分别传动连接着第一输入机构和第二输入机构，蜗轮蜗杆机构的蜗杆轴连接着发电机的输入轴；发电机构通过小腿支架连杆连接着小腿支架；膝绳的一端连接着大腿支架，另一端绕设在第一输入机构的第一滑轮上；踝绳的一端绕设在第二滑轮上，另一端连接着脚踝连杆。本发明专利技术采集了人体行走时膝踝关节产生的负功、降低了新陈代谢消耗，实现了人在行走时随时获取电能。

【技术实现步骤摘要】
基于人体膝关节和踝关节驱动的发电装置
本专利技术属于人体发电装置
，具体涉及一种基于人体膝踝关节驱动的发电装置及其控制方法。技术背景随着社会的不断进步，各种可穿戴电子设备、外骨骼和假肢等迅速发展，而这些设备的电能持续供应是困扰人们的一个问题。当用户需要长时间持续工作或进行户外工作时无法得到及时充电，对于执行户外任务的军人来说，持续的电能供应是其顺利完成任务的重要保障；而为了不影响用户野外活动的灵活性，用户所携带电源的体积和重量都要尽可能的减小，但现有的电池能量密度低、充电时间长、寿命短，无法满足需要。因此，研究人员为便携式设备探索着可持续的能量供应来解决这些问题。研究表明，人体脂肪内存储着丰富的能量，脂肪内的能量密度远远超过电池，一个中等身材的人在脂肪中储存的能量大约相当于一个1000kg的电池，故人体是一个巨大的能量库，基于从人体运动中获取能量的采集器逐渐用于为便携式设备供电。人体正常行走时膝关节大约产生67W的功率辅助行走，其中超过一半的功率执行负功，通过采集人体行走时产生的功率，产生的电能完全能够满足便携式设备的电能需求。目前，国内关于实现人体发电的装置主要是双向采集关节的运动，同时采集了人体的正功和负功。一种膝关节发电装置，其采用滚珠丝杆结构，通过拉绳将膝关节的旋转运动转化丝杠螺母的直线运动，进而转化为滚珠丝杠的高速旋转运动，最终实现发电机发电的功能，一方面，该装置对人体膝关节处正功的大量采集会增加新陈代谢的消耗；另一方面，双向采集时发电机需要持续的正转和反转，发电机转子的惯性容易对人体产生冲击，影响正常行走时的步态。因此，需要研究新型的人体发电装置，可以在人体正常行走时仅采集人体产生的负功，且不会影响人体的正常步态和增加人体新陈代谢的消耗。
技术实现思路
为了实现采集人体行走时膝踝关节处产生的负功、辅助膝踝关节运动、降低人体行走时新陈代谢的消耗和高效发电等功能，本专利技术提供了一种基于人体膝关节和踝关节驱动的发电装置。基于人体膝关节和踝关节驱动的发电装置包括发电机构3、膝绳1、踝绳2、大腿支架25、小腿支架26、小腿支架连杆27、脚踝连杆28；所述发电机构3包括发电机23、蜗轮蜗杆机构、第一输入机构、第二输入机构和过渡传动机构；过渡传动机构包括一对齿轮和过渡齿轮16；过渡传动机构分别传动连接着第一输入机构和第二输入机构，蜗轮蜗杆机构的蜗杆轴通过联轴器22连接着发电机23的输入轴；发电机构3通过小腿支架连杆27连接着小腿支架26；所述膝绳1的一端固定连接着大腿支架25，膝绳1的另一端固定绕设在第一输入机构的第一滑轮7上；所述踝绳2的一端固定绕设在第二输入机构的第二滑轮12上，踝绳2的另一端固定连接着脚踝连杆28；使用时，大腿支架25固定在人体的大腿上，小腿支架26固定在人体的小腿上，脚踝连杆28固定在人脚的鞋跟上。进一步的具体技术方案如下：所述发电机构3的第一输入机构包括第一输入轴4、第一输入齿轮5、棘轮棘爪机构6、第一滑轮7和第一扭簧8；所述第一输入齿轮5、棘轮棘爪机构6的棘轮61、第一滑轮7和第一扭簧8依次套设在第一输入轴4上；所述第二输入机构包括第二输入轴9、第二输入齿轮10、单向传动机构11、第二滑轮12、直线压缩弹簧14和第二扭簧13，所述单向传动机构11包括齿形圆盘111和齿槽圆盘112；所述第二输入齿轮10、单向传动机构11的齿形圆盘111和齿槽圆盘112、第二滑轮12、直线压缩弹簧14和第二扭簧13的内圈依次套设在第二输入轴9上。所述过渡传动机构的一对齿轮为主动齿轮17和从动齿轮19；从动齿轮19和蜗轮20同轴固定设于第二传动轴18上，主动齿轮17和过渡齿轮16同轴固定设于第一传动轴15上；所述过渡齿轮16分别与第一输入齿轮5和第二输入齿轮10啮合。所述棘轮棘爪机构6包括棘轮61、一对棘爪62、一对压缩扭簧63和壳体64；所述壳体64为带有翻边的环状壳体，壳体64的轴向侧面和相邻的第一滑轮7的轴向端面固定连接，一对棘爪62对称活动设于壳体64内，压缩扭簧63的一端固定连接着棘爪62，压缩扭簧63的另一端固定连接着壳体64内壁。所述第一扭簧8包括同心的内圈81和外圈82，内圈81和外圈82之间均布设有八个柔性体83。第一扭簧8轴向一侧面的外圈82上均布开设有外圈卡扣84，第一扭簧8轴向另一侧面的内圈81上均布开设有内圈卡扣85；第一扭簧8通过内圈卡扣85固定连接着发电机构3的外壳24、通过外圈卡扣84固定连接着相邻的第一滑轮7轴向端面。每个柔性体83由一个以上的S弯依次连接构成。所述齿槽圆盘112内嵌式固定连接在第二滑轮12一侧端面上；所述齿形圆盘111的一侧轴向端面上均布设有四个弧形齿，齿槽圆盘112包括外环圈、内环圈和若干齿状叶片，若干齿状叶片均布连接在外环圈和内环圈之间；齿形圆盘111的弧形齿和齿槽圆盘112的单个齿状叶片结构相同，齿形圆盘111和齿槽圆盘112啮合时，齿形圆盘111上的四个弧形齿恰好嵌入到齿槽圆盘112上对应的齿状叶片内，直线压缩弹簧14一端固定连接着发电机构3的外壳24，另一端固定在第二滑轮12的另一端面；直线压缩弹簧14的弹力挤压第二滑轮12使齿槽圆盘112和齿形圆盘111保持啮合状态。与现有技术相比较，本专利技术的有益技术效果体现在以下方面：本专利技术设计有两个输入机构，每个输入机构上均设计有单向传动机构，在人体正常行走时，该发电装置可有效的采集膝关节作伸展运动和踝关节作背屈运动时人体产生的负功，减小了人体新陈代谢能的损失，将人体的生物能转化为发电机电能，实现了人在正常行走时就可以随时随地的获取电能。本专利技术在两个输入机构上均设计有扭簧，其分别用于储存从人体膝关节与踝关节中采集的负功和保持膝绳与踝绳的张紧，扭簧的弹性势能在支撑后期释放时可以为踝关节跖屈运动提供正功，同时，设计的扭簧可以实现在摆动后期辅助小腿摆动减速的效果，所以该发电装置可以通过回收的能量降低人体在行走时对人体正功的需求，从而减小了人体的新陈代谢，有助于缓解人的疲劳感。本专利技术设计有大腿支架、小腿支架和小腿支架连杆，穿戴方便，结构紧凑，不会受到外界环境条件的限制，节能环保，适用于士兵野外训练或长时间野外工作的用户，同时不会影响使用者的正常步态。本专利技术用于回收人体运动时摆动阶段膝关节伸展和站立阶段踝关节背屈时产生的负功，实现发电和辅助行走的功能。由生物力学分析知，膝关节和踝关节是产生负功最多的关节，仅膝关节可产生67W的功率，且负功占比高达90％，而肌肉将新陈代谢能转化为正功的峰值效率为25％，肌肉执行负功的峰值转化效率为120％，所以，仅采集膝踝关节处的负功可以显著降低新陈代谢消耗。根据生物力学分析知，站立阶段踝关节背屈角度约为10°，而摆动阶段踝关节背屈角度仅3°左右，所以，可以通过调整踝绳的长度避免采集摆动阶段踝关节背屈时产生的正功。本专利技术的第一输入机构和第二输入机构上分别设计由棘轮棘爪机构和单向传动机构，其均只能实现单向传动，从而避免膝关节和踝关节运动时的相互本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于人体膝关节和踝关节驱动的发电装置，其特征在于：包括发电机构（3）、膝绳（1）、踝绳（2）、大腿支架（25）、小腿支架（26）、小腿支架连杆（27）、脚踝连杆（28）；/n所述发电机构（3）包括发电机（23）、蜗轮蜗杆机构、第一输入机构、第二输入机构和过渡传动机构；过渡传动机构包括一对齿轮和过渡齿轮（16），过渡传动机构分别传动连接着第一输入机构和第二输入机构，蜗轮蜗杆机构的蜗杆轴通过联轴器（22）连接着发电机（23）的输入轴；/n发电机构（3）通过小腿支架连杆（27）连接着小腿支架（26）；/n所述膝绳（1）的一端固定连接着大腿支架（25），膝绳（1）的另一端固定绕设在第一输入机构的第一滑轮（7）上；/n所述踝绳（2）的一端固定绕设在第二输入机构的第二滑轮（12）上，踝绳（2）的另一端固定连接着脚踝连杆（28）；/n使用时，大腿支架（25）固定在人体的大腿上，小腿支架（26）固定在人体的小腿上，脚踝连杆（28）固定在人脚的鞋跟上。/n

【技术特征摘要】
1.基于人体膝关节和踝关节驱动的发电装置，其特征在于：包括发电机构（3）、膝绳（1）、踝绳（2）、大腿支架（25）、小腿支架（26）、小腿支架连杆（27）、脚踝连杆（28）；
所述发电机构（3）包括发电机（23）、蜗轮蜗杆机构、第一输入机构、第二输入机构和过渡传动机构；过渡传动机构包括一对齿轮和过渡齿轮（16），过渡传动机构分别传动连接着第一输入机构和第二输入机构，蜗轮蜗杆机构的蜗杆轴通过联轴器（22）连接着发电机（23）的输入轴；
发电机构（3）通过小腿支架连杆（27）连接着小腿支架（26）；
所述膝绳（1）的一端固定连接着大腿支架（25），膝绳（1）的另一端固定绕设在第一输入机构的第一滑轮（7）上；
所述踝绳（2）的一端固定绕设在第二输入机构的第二滑轮（12）上，踝绳（2）的另一端固定连接着脚踝连杆（28）；
使用时，大腿支架（25）固定在人体的大腿上，小腿支架（26）固定在人体的小腿上，脚踝连杆（28）固定在人脚的鞋跟上。


2.根据权利要求1所述的基于人体膝关节和踝关节驱动的发电装置，其特征在于：所述发电机构（3）的第一输入机构包括第一输入轴（4）、第一输入齿轮（5）、棘轮棘爪机构（6）、第一滑轮（7）和第一扭簧（8）；所述第一输入齿轮（5）、棘轮棘爪机构（6）的棘轮（61）、第一滑轮（7）和第一扭簧（8）依次套设在第一输入轴（4）上；
所述第二输入机构包括第二输入轴（9）、第二输入齿轮（10）、单向传动机构（11）、第二滑轮（12）、直线压缩弹簧14和第二扭簧（13），所述单向传动机构（11）包括齿形圆盘（111）和齿槽圆盘（112）；所述第二输入齿轮（10）、单向传动机构（11）的齿形圆盘（111）和齿槽圆盘（112）、第二滑轮（12）、直线压缩弹簧14和第二扭簧（13）的内圈依次套设在第二输入轴（9）上。


3.根据权利要求2所述的基于人体膝关节和踝关节驱动的发电装置，其特征在于：所述过渡传动机构的一对齿轮为主动齿轮（17）和从动齿轮（19）；从动齿轮（19）和蜗轮（20）同轴固定设于第二传动轴（18）上，主动齿轮（17）和过渡齿轮（16）同轴固定设于...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈兵，郑成旺，王兵，訾斌，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34