一种基于电磁感应的能量可回收等速肌力训练装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于电磁感应的能量可回收等速肌力训练装置，属于传感器技术领域。该装置包括一个等速训练仪和一种特制的能量回收电路。等速训练仪与座椅固连在一起，人可以坐在座椅上通过屈腿和伸腿操控执行机构(executing agency)移动，能量回收电路与等速训练仪相连接。等速训练仪的核心是能大范围的随着人的肌力变化而不断变化，从而能使关节快速稳定在指定角速度的制动装置。能量回收电路的核心是建立动态/反接电能再生的数学模型，并基于此提出混合电能再生方案，利用动态电能再生/反接电能再生各自特点，满足制动扭矩前提下，实现能量高效利用。该电路在等速训练仪工作的过程中，将本将耗散的能量回收储存在超级电容器中，并能达到百分之百的能量回收效率，大幅提高了能量利用效率。大幅提高了能量利用效率。大幅提高了能量利用效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电磁感应的能量可回收等速肌力训练装置


[0001]此设计属于传感器
，能在下肢康复设备工作的过程中，将等速训练中人体的机械能转化为电能储存在电容中，实现能量的回收利用，涉及一种基于电磁感应的能量可回收等速肌力训练装置。

技术介绍

[0002]等速训练技术被认为是评估肌肉最准确、最客观技术之一，同时也是训练肌肉最安全、最高效的技术之一。它是指无论使用者使用多大的力，肌肉的运动始终在一定速度下匀速运行。
[0003]如今等速设备已经在神经科、骨科等方面做出了巨大贡献。随着医疗水平的不断提高，人们可以借助可穿戴机器人设备来协助治疗，辅助康复机器人越来越普及。可穿戴机器人设备通常需要电能，如果我们能在其工作的过程中收集机械能，并将其转换为电能，直接为这些设备充电，将显著提高能量的利用效率。
[0004]对于能量的回收利用，有几项研究集中于在早期和中期站立阶段添加弹簧以储存能量，并在后期站立阶段释放能量以推动截肢者，也有利用具有50N
·
m 附加扭矩的碳纤维钢板弹簧结构，在早期支撑阶段收集机械能，并在后期支撑阶段释放收集的能量等等方式。以上方式增加额外的机械结构可能导致代谢成本支出增加。因此，本文介绍了如何在没有额外机械结构的情况下利用大量电能。
[0005]等速技术和能量回收技术的结合可以减少治疗成本，促进医疗事业的发展。

技术实现思路

[0006]本专利技术以等速训练仪为主体，在使用过程中，将其视为发电机发电，通过一定电路回收部分能量储存在电容中，提高能量利用率。本文所指的基于电磁感应的能量可回收等速肌力训练装置，包括座椅、等速训练仪以及能量回收装置。
[0007]等速训练仪与座椅固连在一起，人可以坐在座椅上通过屈腿和伸腿操控执行机构(executing agency)移动，能量回收电路与等速训练仪相连接。
[0008]等速训练仪的核心是能大范围的随着人的肌力变化而不断变化，从而能使关节快速稳定在指定角速度的制动装置。
[0009]等量回收装置：根据电磁感应理论，开发了电动势(EMF)。根据预定义的占空比打开/关闭的六个场效应管用作EMF逆变器。反向电流流入超级电容器。为了提高能源效率，建立了两级再生方法。设置低压侧再生是为了避免在降压电路的传输中浪费能量。设置高压侧再生是为了确保超级电容器的电压超过额定电压时的安全。对于使用等速训练仪的人，总功率等于电池功率加上持续的低端再生功率加上离散的高端再生功率。
[0010]核心电路介绍如下：
[0011]其重点内容是建立动态/反接电能再生的数学模型，并基于此提出混合电能再生方案，采用的研究方法和可行性方案如下：
[0012]动态电能方法可提供高效电能再生，但动态能量再生方法速度与电机扭矩具有正相关性，当电机转速增大时对应电机扭矩也会相应增大，相反当电机转速减小时对应电机扭矩也会相应减小。动态电能再生方案很难处理低转速大扭矩情况，而本项目采用的反接电能再生方案，通过主动电流控制可有效解决低转速大扭矩问题，动态/反接电能再生原理如附图2所示。
[0013]首先，针对动态电能再生方法进行理论分析，可首先为其建立常微分方程，当低侧MOSFET(S2、S4)处于ON状态时，常微分方程如下，
[0014][0015]当低侧MOSFET(S2、S4)处于OFF状态时，常微分方程如下，
[0016][0017][0018]同理，可建立反接电能再生常微分方程，
[0019]当MOSFET(S2、S3)处于ON时，常微分方程如下，
[0020][0021]当MOSFET(S2、S3)处于OFF时，常微分方程如下，
[0022][0023]根据动态/反接电能再生常微分方程，假设流过电感电流同时简化方程将R
a
＝R
b
＝R
s1
‑
s6
＝0，U
FD1
‑
FD4
＝0，可推导出E
b
‑
E
a
与ON/OFF时间占比的关系，验证其电能再生方案正确性。根据常微分方程建立模型实现仿真实验，验证其控制策略可行性，并分析其影响因素。
[0024]根据动态/反接电能再生理论分析，研究动态电能再生/反接电能再生高效切换。动态电能再生能量利用效率较高，但在低速转动情况下，动态电能再生难以实现较大制动力矩。反接电能再生在低速转动情况下，可实现不超过其最大堵转力矩制动力矩，但因为需要接入外部能量源，能效利用效率较低。本项目利用动态电能再生/反接电能再生各自特点，满足制动扭矩前提下，实现能量高效利用。本项目结合前后关键步态事件进行步态相位估计，参考正常人生物力学特征，进行力矩/转速估计，建立能量再生决策模型，根据决策模型，确定采用动态电能再生或者反接电能再生或者混合电能再生(动态+反接交替)控制策略。
[0025]如附图1所示，本文所涉及的专利技术由等速训练仪和能量回收电路组成，等速训练仪主要由电机、电源组件和执行机构组成。它能够在帮助人体完成康复训练的同时实现能量的回收利用。
[0026]对于能量的完全回收或许有着更广泛的应用范围和广阔的发展前景。由以上说明
可知，这种能量回收方式和扭矩有关，因此这项专利技术可以应用到很多种领域，我们只需将某种机器的实际工作将扭矩联系起来。例如健身房的各种器材、工业中应用的各种机器、公路上被压到的斑马线、新能源汽车、电动车的能量回收，汽车、火车等刹车时也可以回收耗散的能量，甚至可以应用于发电，例如水力发电、火力发电等等。
[0027]许多物体的停止过程都可以应用这种电路，在满足制动扭矩前提下实现能量高效利用。
[0028]大部分内燃机汽车在减速、制动过程中都会向外界以热能的形式耗散能量，而如果将上述电路与内燃机汽车结合，就可以将这部分能量利用动态电能再生/ 反接电能再生各自特点储存在超级电容器内部，并将其应用于启动等功能。内燃机汽车由于摩擦、碰撞产生的能量不可忽视，将其回收可大幅提高能量利用效率。工程机械也可同理应用。工程机械中的摩擦、碰撞既会损失能量，也会使机器老化、损坏，这部分能量在工程机械中的总驱动能量占比很高。此外还有特种设备例如电梯等等。
附图说明：
[0029]图1为本专利技术中基于电磁感应的能量可回收等速肌力训练装置的基本结构示意图；
[0030]图2为能量回收电路中动态/反接电能再生原理示意图；
[0031]一种基于电磁感应的能量可回收等速肌力训练装置，其原理为：使用者主动发力使等速训练仪以一定速度运动，超级电容器通过人体动力学从电磁感应中获取电能。收集的能量按层次供应给等速训练仪，实现能量的回收利用，提高能量的利用率。通过理论分析，本专利技术能实现能量百分之百的回收利用，对节能有很重要的意义。
[0032]本专利技术将等速训练仪与电磁感应结合，在没有额外机械结构的情况下回收了本将耗散的能量，理论上能达到百分之百的回收效率，既实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁感应的能量可回收等速肌力训练装置，其特征在于，该装置包括一个等速训练仪和一个能量回收电路。等速训练仪工作时，能量回收电路回收本将以热能形式耗散的能量，储存在超级电容内部，实现能量的回收利用。2.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应的能量可回收等速肌力训练装置，其特征在于，等速训练仪与座椅固连在一起，人可以坐在座椅上通过屈腿和伸腿操控执行机构(executing agency)移动，能量回收电路与等速训练仪相连接。3.根据权利要求1所述的一种基于光通路的柔性可拉伸可穿戴传感器，其特征在于，动态电能方法可提供高效电能再生，但动态能量再生方法速度...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯仰刚，张家驹，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：