CN105003401B - 人体腿部运动能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了人体腿部运动能量收集装置，包括外壳、所述外壳上固定有发电机和电位计，所述发电机的转子上固定有工作齿轮，在外壳的内侧底部转动连接有第一转轴，所述第一转轴上固定有摆杆和扇形齿轮，所述摆杆自由端位于外壳的外侧，所述扇形齿轮位于外壳的内侧，所述电位计的角度滑动片与摆杆固定连接，在扇形齿轮和工作齿轮之间设有用于加速的齿轮变速箱，本装置对运动能量的收集具有选择性，只在小腿下落阶段进行能量的收集，否则该能量也会白白地浪费掉，此时收集电能不需要人体额外做功，增加了人体的舒适度，本装置整体结构比较紧凑，使用寿命比较长。
Description
技术领域
本发明属于运动能量收集技术领域，尤其是涉及人体腿部运动能量收集装置。
背景技术
作为我们生活环境中最常见的能量形式之一的生物运动能是由人体或其他动物在步行、奔跑等运动时所产生的，这些能量往往很难被收集利用而耗散在外部环境之中。如果这种形式的能量能够被收集储存并有效利用，其将替代我们现在所依赖的便携式电源，可以为手机等便携电子设备充电，方便了人们的出行。由于人体腿部在步行、奔跑等过程中时刻处于周期往复摆动状态，其运动历程比人体其他关节的运动时间长，含有的运动能量较多，而且小腿在运动过程比较平稳、可预测性强、运动力矩大，基于以上这些优点，在人体膝关节处收集腿部的运动能量是最佳之选，在收集运动能量时为了尽量减少人体的不适感，开发一种结构紧凑、效率高、重量轻的人体腿部运动能量收集装置具有重要的实际应用价值。
发明内容
本发明目的是为解决人体在步行、奔跑等运动时腿部运动能量收集难的问题，而提供了一种体腿部运动能量收集装置，其在解决腿部运动能量收集难题的同时还解决了能量选择性收集的问题。
本发明为解决上述问题所采取的技术方案是：
人体腿部运动能量收集装置，包括外壳、所述外壳上固定有发电机和电位计，所述发电机的转子上固定有工作齿轮，在外壳的内侧底部转动连接有第一转轴，所述第一转轴上固定有摆杆和扇形齿轮，所述摆杆自由端位于外壳的外侧，所述扇形齿轮位于外壳的内侧，所述电位计的角度滑动片与摆杆固定连接，在扇形齿轮和工作齿轮之间设有用于加速的齿轮变速箱。
优选的，所述齿轮变速箱包括第二转轴、第三转轴，所述第二转轴和第三转轴均与外壳内侧转动连接，所述第二转轴上固定有第一小齿轮和第一大齿轮，所述第三转轴上固定有第二小齿轮和第二大齿轮，所述第一小齿轮直径小于第一大齿轮直径，所述第一大齿轮直径大于第二小齿轮直径，所述第二小齿轮直径小于第二大齿轮直径，所述第二大齿轮直径大于工作齿轮直径，所述扇形齿轮与第一小齿轮啮合连接，所述第一大齿轮与第二小齿轮啮合连接，所述第二大齿轮与工作齿轮啮合连接。
优选的，在所述第二转轴与第一小齿轮之间或第二转轴与第一大齿轮之间安装有滚柱轴承离合器。
优选的，在所述第三转轴与第二小齿轮之间或第三转轴与第二大齿轮之间安装有滚柱轴承离合器。
优选的，在所述扇形齿轮与第一转轴之间安装有滚柱轴承离合器。
优选的，所述齿轮变速箱的传动比为108。
优选的，所述扇形齿轮的圆心角为80°至140°。
优选的，所述外壳、第一小齿轮和第二小齿轮均由铝合金材料制作。
优选的，所述第一大齿轮和第二大齿轮均由玻璃纤维增强的尼龙材料制作。
优选的，所述外壳设有外壳盖，所述外壳的内侧底部固定有组装块，所述组装块包括电能存储器、电位计控制器。
本发明所具有的有益效果为：经过齿轮变速箱的加速作用将人体行走时的大扭矩低转速运动能转化成小扭矩高转速的机械能，从而变成了发电机能够利用的能量形式，通过在转轴与齿轮之间安装滚柱轴承离合器和发电机对电能存储器进行充电的精确控制这两种方式，实现了对运动能量收集的有效选择，在小腿下落阶段进行能量的收集，收集电能时不需要人体额外做功，最大程度上保证了人体的舒适度；最后本装置在遵循人机工学设计要求的同时选择合适的材料，其整体结构比较紧凑，使用寿命比较长。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为图1内部侧视结构示意图；
图3为数字开关的控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
如图1和图2所示，本装置包括外壳1、发电机15，所述外壳1设有外壳盖，所述发电机15固定在外壳1的底部，所述发电机15的转子9上固定有工作齿轮10，在外壳1的内侧底部转动连接有第一转轴13，所述第一转轴13上固定有摆杆6和扇形齿轮8，所述摆杆6自由端位于外壳1的外侧，所述扇形齿轮8位于外壳1的内侧，所述第二转轴5与第一小齿轮4之间安装有滚柱轴承离合器，所述第一转轴13的顶端部安装有电位计7，所述电位计7的角度滑动片与摆杆6固定连接，在扇形齿轮8和工作齿轮10之间设有用于加速的齿轮变速箱，所齿轮变速箱包括第二转轴5、第三转轴11，所述第二转轴5和第三转轴11均与外壳1转动连接，所述第二转轴5上固定有第一小齿轮4和第一大齿轮3，所述第三转轴11上固定有第二小齿轮14和第二大齿轮12，所述第一小齿轮4直径小于第一大齿轮直径3，所述第一大齿轮3直径大于第二小齿轮14直径，所述第二小齿轮14直径小于第二大齿轮12直径，所述第二大齿轮12直径大于工作齿轮10直径，所述扇形齿轮8与第一小齿轮4啮合连接，所述第一大齿轮3与第二小齿轮14啮合连接，所述第二大齿轮12与工作齿轮10啮合连接；所述外壳1的内底部固定有组装块2，所述组装块2包括电能存储器、电位计控制器16，所述电能存储器与发电机15之间安装有数字开关17，所述数字开关17由电位计控制器16控制其接通与断开。
本发明的工作原理为：人体行走时小腿有个摆动过程，当小腿抬起时人体对小腿做功，为了减少人体的额外负担，此时不宜收集能量，而当小腿下落摆动时，此时人体肌肉做负功，用于减缓小腿速度，此时比较适宜收集运动能量发电而不需要人体再额外做功；使用固定带将本装置的外壳1绑缚在大腿上，将摆杆6绑缚在小腿上，使第一转轴13位于人体膝关节处，人体大腿与小腿之间的夹角与摆杆6的摆角互补；在人体行走或奔跑过程中小腿落下时将带动摆杆6一起摆动，从而使得摆杆6带动扇形齿轮8一起绕着第一转轴13转动，扇形齿轮8的转动带动第一小齿轮4转动，然后第一小齿轮4以相同的角速度带动第一大齿轮3转动，第一大齿轮3带动第二小齿轮14转动从而第二大齿轮12以较大的线速度带动工作齿轮10转动进行发电，发电机15将电能存储在电能存储器里备用；当小腿抬起摆动时，摆杆6反向转动，由于第二转轴5与第一小齿轮4之间安装有滚柱轴承离合器，此时摆杆6的反向转动不会带动第一小齿轮4的转动，不进行发电；这样发电机15的转子9也具有单方向性，不会两个方向交替变换，减小了齿轮组传动过程中的互相冲击磨损。
电位计7和电位计控制器16均为现有技术，如图3所示为数字开关17的控制原理图，电位计控制器16由低功耗32位嵌入式微处理器与***通信接口构成，微处理器中运行控制算法软件，所述电位计7可以测得摆杆6的摆角，然后将此角度信息转化为数字信号或者模拟信号传输给电位计控制器16对此角度进行数值微分得到摆杆6的角速度，当摆杆6的角度达到某一角度值，并且摆杆6的角速度也达到某一角速度值时，电位计控制器16根据已设计好的控制算法发出控制脉冲来控制数字开关17的接通，从而发电机15对电能存储器进行充电，否则数字开关17断开发电机15与电能存储器断开，从而最大程度上保证人体的舒适程度，上述某一角度值和某一角速度值是由本装置控制***根据使用者的行走、快走、跑步数据计算后确定的。
本实施例中的外壳1、外壳盖、第一小齿轮4和第二小齿轮14均由铝合金材料制作，第一大齿轮3和第二大齿轮12均由玻璃纤维增强的尼龙材料制作，这样有效减轻了本装置的重量；三级齿轮组的传动比为108，即发电机15的转子9的转速是扇形齿轮8转速的108倍；外壳1底部长和宽分别为：90毫米和72毫米；扇形齿轮8的张角为110°。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.人体腿部运动能量收集装置，其特征在于，包括外壳、所述外壳上固定有发电机和电位计，所述发电机的转子上固定有工作齿轮，在外壳的内侧底部转动连接有第一转轴，所述第一转轴上固定有摆杆和扇形齿轮，所述摆杆自由端位于外壳的外侧，所述扇形齿轮位于外壳的内侧，所述电位计的角度滑动片与摆杆固定连接，在扇形齿轮和工作齿轮之间设有用于加速的齿轮变速箱；在扇形齿轮与第一转轴之间安装有滚柱轴承离合器；所述外壳设有外壳盖，所述外壳的内侧底部固定有组装块，所述组装块包括电能存储器、电位计控制器，所述电能存储器与发电机之间安装有数字开关； 其中，电位计用于监测摆杆的摆角，并将此摆角的角度信息转化为数字信号或者模拟信号传输给电位计控制器；电位计控制器用于对摆角的角度进行数值微分得到摆杆的角速度，然后根据摆角的角度和角速度信息控制数字开关的接通与断开；数字开关用于控制发电机与电能存储器的接通与断开。
2.根据权利要求1所述的人体腿部运动能量收集装置，其特征在于，所述齿轮变速箱包括第二转轴、第三转轴，所述第二转轴和第三转轴均与外壳内侧转动连接，所述第二转轴上固定有第一小齿轮和第一大齿轮，所述第三转轴上固定有第二小齿轮和第二大齿轮，所述第一小齿轮直径小于第一大齿轮直径，所述第一大齿轮直径大于第二小齿轮直径，所述第二小齿轮直径小于第二大齿轮直径，所述第二大齿轮直径大于工作齿轮直径，所述扇形齿轮与第一小齿轮啮合连接，所述第一大齿轮与第二小齿轮啮合连接，所述第二大齿轮与工作齿轮啮合连接。
3.根据权利要求2所述的人体腿部运动能量收集装置，其特征在于，在所述第二转轴与第一小齿轮之间或第二转轴与第一大齿轮之间安装有滚柱轴承离合器。
4.根据权利要求2所述的人体腿部运动能量收集装置，其特征在于，在所述第三转轴与第二小齿轮之间或第三转轴与第二大齿轮之间安装有滚柱轴承离合器。
5.根据权利要求1所述的人体腿部运动能量收集装置，其特征在于，所述齿轮变速箱的传动比为108。
6.根据权利要求1所述的人体腿部运动能量收集装置，其特征在于，所述扇形齿轮的圆心角为80°至140°。
7.根据权利要求2所述的人体腿部运动能量收集装置，其特征在于，所述外壳、第一小齿轮和第二小齿轮均由铝合金材料制作。
8.根据权利要求2所述的人体腿部运动能量收集装置，其特征在于，所述第一大齿轮和第二大齿轮均由玻璃纤维增强的尼龙材料制作。
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