CN113414757A - 一种膝关节运动能量收集及利用装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种膝关节运动能量收集及利用装置，包括两个对称设置的大腿固定板、小腿固定板和棘齿固定板；两个棘齿固定板之间连接有内弧形的棘齿；小腿固定板远离小腿固定孔的一侧有一个圆孔，通过过盈配合装有一个小轴承，连接棘爪，保证棘爪转动顺滑，棘爪上装有小扭簧，保证棘爪处于工作状态。其安装于人体膝关节处，在人体行走过程中，通过大扭簧收集人体行走踢腿过程中的机械能，并将其通过扭簧装置转化为弹性势能进行存储，于人体屈膝的过程释放，助力人体行走。装置的结构简单，使用便捷；具有很强的实用性，助力人体行走，提高人体能量的利用率，从而降低人体能量消耗，有效应对全球能量危机。

Description

一种膝关节运动能量收集及利用装置
技术领域
本发明属于能量收集装置技术领域，具体涉及一种膝关节运动能量收集及利用装置。
背景技术
近年来，全球人口数量激增，而地球仅有的有限的空间与资源正被消耗殆尽，全球资源匮乏状态逐渐加剧，同时，人体行走过程中人体会消耗大量的代谢能量，一部分代谢能量会转化为人体运动消耗的机械能，而另一部分代谢能量则以热能及其他复合能量形式耗散，当人体代谢能量消耗较多时，人就会感觉到疲惫，而减少代谢能量，便能提高人的工作效率。因此，选用无动力源下肢助力外骨骼为研究对象，以人体运动时产生的机械能为收集对象，对装置机构、储能机构、以及收集能量方式进行创新设计，为助力人正常行走，减少下肢代谢能量，设计出人体关节助力能量收集装置，无论是应用在军事还是辅助康复设备中，无源外骨骼应用前景都极大。若将这些能量合理的开发利用，人类便能更好地应对全球能源危机。
发明内容
本发明的目的在于提供一种膝关节运动能量收集及利用装置，能够助力人体行走，降低人体行走中的能量消耗，提高工作效率。
本发明所采用的技术方案是：一种膝关节运动能量收集及利用装置，包括两组对称设置的大腿固定板和棘齿固定板，两组大腿固定板和棘齿固定板分别嵌套固定在六角轴两端，大腿固定板方向朝上、棘齿固定板方向朝下；两个棘齿固定板之间底部固定连接有内弧形的棘齿；六角轴上还嵌套连接有一方向朝下的小腿固定板，小腿固定板通过大轴承活动连接在六角轴上，小腿固定板设置在其中一组大腿固定板和棘齿固定板之间；小腿固定板下端与棘齿上表面形状相适应、能够绕六角轴摆动；六角轴两端通过中心紧固件固定；
六角轴中间位置还套设有一大扭簧，大扭簧一端插接在其中一个大腿固定板内侧的两个限位轴a之间、另一端插接在小腿固定板内侧的两个限位轴b之间；
小腿固定板内侧下部位置还通过小轴承活动连接有与棘齿相啮合的棘爪，棘爪上还固定连接有一小扭簧，小扭簧另一端卡接在小腿固定板上，棘爪通过棘爪定位构件进行限位，棘爪定位构件固定连接在小腿固定板上。
本发明的特点还在于，
棘爪定位构件包括连接在小腿固定板上且设有台阶孔的固定件，在固定件的台阶孔处活动连接有一下端为圆锥形凸台的限位杆，限位杆上嵌套有弹簧；
棘爪靠近小腿固定板一侧设置有凹槽，凹槽内设有一固定轴，固定轴上嵌套有小扭簧，小扭簧一端固定在棘爪上、另一端穿插卡在小腿固定板的两个限位轴c之间；限位杆下端的圆锥形凸台与棘爪上端三角凸台相贴合，保证棘爪在顺时针运动时，与棘齿啮合，逆时针转动时，与棘齿脱离。
棘齿固定板通过底部紧固件与棘齿固定连接。
靠近小腿固定板一侧的棘齿固定板下部位置还设置有一横向的挡销，挡销下部靠近棘齿端头部位设置，挡销用于对棘爪进行限位。
小轴承过盈配合内嵌在小腿固定板内。
两个大腿固定板上端通过销轴固定连接在一起。
小腿固定板上远离棘爪的一侧还开设有两个大通孔，大腿固定板的一侧也设置有两个大通孔，通过大通孔将膝关节运动能量收集及利用装置连接在膝关节绷带组件上，安装于人体膝关节处。
本发明的有益效果是：本发明一种膝关节运动能量收集及利用装置，安装于人体膝关节处，在人体行走过程中，通过扭簧与棘轮棘爪装置，收集人体行走过程中的机械能，并将其通过扭簧装置转化为弹性势能进行存储，助力人体行走，提高人体能量的利用率，降低人体能量消耗，有效应对全球能量危机；装置的结构简单，使用便捷，实用性强。
附图说明
图1为本发明一种膝关节运动能量收集及利用装置整体外观图；
图2为本发明一种膝关节运动能量收集及利用装置的整体结构示意图；
图3为本发明一种膝关节运动能量收集及利用装置的棘爪结构示意图；
图4为本发明一种膝关节运动能量收集及利用装置的内部结构示意图；
图5为本发明人体屈膝时装置运动前半个周期开始时棘爪处于棘爪定位右侧的状态的正视图(取掉零件大腿上固定板和棘齿固定板)；
图6为本发明人体屈膝时装置前半个周期开始运动后棘爪与定位销触碰后的处于棘爪定位左侧的状态的正视图(取掉零件大腿上固定板和棘齿固定板)；
图7为本发明人体屈膝时装置运动前半个周期结束后棘爪与棘齿脱离后的状态(取掉零件大腿上固定板和棘齿固定板)；
图8为本发明人体屈膝时装置运动后半个周期开始时棘爪与棘齿碰撞时的状态(取掉零件大腿上固定板和棘齿固定板)；
图9为本发明人体屈膝时装置后半个周期开始运动后棘爪与棘齿触碰后的处于棘爪定位右侧的状态(取掉零件大腿上固定板和棘齿固定板)；
图10为本发明人体屈膝时装置后半个周期结束后棘爪与棘齿脱离后的状态(取掉零件大腿上固定板和棘齿固定板)；
图11为本发明使用状态图。
图中，1.大腿固定板，2.限位轴a，3.大轴承，4.中心紧固件，5.大扭簧，6.棘齿固定板，7.小腿固定板，8.棘爪定位构件，9.弹簧，10.小扭簧，11.小轴承，12.棘爪，13.挡销，14.限位轴b，15.棘齿，16.底部紧固件，17.限位杆，18.限位轴c。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种膝关节运动能量收集及利用装置，如图1-4所示，包括两组对称设置的大腿固定板1和棘齿固定板6，两组大腿固定板1和棘齿固定板6分别嵌套固定在六角轴两端，大腿固定板1方向朝上、棘齿固定板6方向朝下；两个棘齿固定板6之间底部固定连接有内弧形的棘齿15；六角轴上还嵌套连接有一方向朝下的小腿固定板7，小腿固定板7通过大轴承3活动连接在六角轴上，小腿固定板7设置在其中一组大腿固定板1和棘齿固定板6之间；小腿固定板7下端与棘齿15上表面形状相适应、能够绕六角轴摆动；六角轴两端通过中心紧固件4固定；
六角轴中间位置还套设有一大扭簧5，大扭簧5一端插接在其中一个大腿固定板1内侧的两个限位轴a2之间、另一端插接在小腿固定板7内侧的两个限位轴b14之间；
小腿固定板7内侧下部位置还通过小轴承11活动连接有与棘齿15相啮合的棘爪12，棘爪12上还固定连接有一小扭簧10，小扭簧10另一端卡接在小腿固定板7上，棘爪12通过棘爪定位构件8进行限位，棘爪定位构件8固定连接在小腿固定板7上。
棘爪定位构件8包括连接在小腿固定板7上且设有台阶孔的固定件，在固定件的台阶孔处活动连接有一下端为圆锥形凸台的限位杆17，限位杆17上嵌套有弹簧9；
棘爪12靠近小腿固定板7一侧设置有凹槽，凹槽内设有一固定轴，固定轴上嵌套有小扭簧10，小扭簧10一端固定在棘爪12上、另一端穿插卡在小腿固定板7的两个限位轴c18之间；限位杆17下端的圆锥形凸台与棘爪12上端三角凸台相贴合，保证棘爪12在顺时针运动时，与棘齿15啮合，逆时针转动时，与棘齿15脱离。
棘齿固定板6通过底部紧固件16与棘齿15固定连接。
靠近小腿固定板7一侧的棘齿固定板6下部位置还设置有一横向的挡销13，挡销13下部靠近棘齿15端头部位设置，挡销13用于对棘爪12进行限位。
小轴承11过盈配合内嵌在小腿固定板7内。
两个大腿固定板1上端通过销轴固定连接在一起。
小腿固定板7上远离棘爪12的一侧还开设有两个大通孔，大腿固定板1的一侧也设置有两个大通孔，通过大通孔将膝关节运动能量收集及利用装置连接在膝关节绷带组件上，安装于人体膝关节处。
本发明的一种膝关节运动能量收集及利用装置的棘齿15装在两个对称的棘齿固定板6之间，底部紧固件16通过棘轮底部与棘轮固定板上对应的圆孔将棘齿15与棘齿固定板6连接；小腿固定板7上部弧状中心位置装有大轴承3，保证其顺利转动，下部装有棘爪定位构件8，使棘爪12处于受力状态，保证棘爪12能够顺利在棘齿15间滑动；棘爪定位构件8中装有弹簧9，可保证棘爪定位构件8上下活动，便于棘爪12在棘爪定位构件8左侧或右侧进行工作；小腿固定板7远离小腿固定孔的一侧有一个圆孔，通过过盈配合装有一个小轴承11，保证棘爪12转动顺滑；棘爪12上装有小扭簧10，保证棘爪12处于工作状态。
具体的，将人体从屈膝状态到腿伸直的踢腿过程定位前半周期，将人体从腿伸直状态到屈膝的抬腿过程定位后半周期。
当人体处于屈膝状态时，此时，大扭簧5处于初始不受力状态，随着踢腿动作开始变化，膝关节角度变大，此时，固定在大腿和小腿上的固定板结构会牵引着大扭簧5的角度逐渐变大，腿下落的机械能转化为大扭簧5的弹性势能；如图5，6，7所示：在此过程开始时，棘爪12通过触碰挡销13，使得棘爪12处于棘爪定位构件8的左侧，且棘爪12与棘齿15啮合，抵消人体在行走过程中，大扭簧5带给人体的阻力，使腿自然下落直至伸直状态，棘爪12与棘齿15脱离啮合状态，前半周期的运动结束；
当腿伸直时，此时，大扭簧5处于拉伸到最大角度状态，存储着弹性势能，随着屈膝动作开始变化，此时，固定在大腿和小腿上的固定板结构上的大扭簧5会给人体抬腿提供助力，将扭簧内存储的弹性势能转化为机械能助力抬腿，在此过程中，腿下落的机械能转化为扭簧的弹性势能；如图8，9，10所示：在此过程开始时，棘爪12通过触碰棘齿15的第一个齿，使棘爪12下部受力后处于棘爪定位构件8的右侧，棘爪12与棘齿15脱离啮合，保证大扭簧5顺利将弹性势能转化为机械能助力抬腿，使腿轻松上升直至屈膝状态，后半周期的运动结束。
如图11所示，本发明的一种膝关节运动能量收集及利用装置上部通过大腿固定板一侧两个并排的大通孔与大腿固定组件相连，下部通过小腿固定板靠近限位轴一侧的两个通孔，与小腿固定组件相连，实现能量利用及收集。所述的大腿固定组件和小腿固定组件为固有的零部件，不再赘述。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种膝关节运动能量收集及利用装置，其特征在于，包括两组对称设置的大腿固定板(1)和棘齿固定板(6)，两组大腿固定板(1)和棘齿固定板(6)分别嵌套固定在六角轴两端，所述大腿固定板(1)方向朝上、棘齿固定板(6)方向朝下；两个棘齿固定板(6)之间底部固定连接有内弧形的棘齿(15)；所述六角轴上还嵌套连接有一方向朝下的小腿固定板(7)，所述小腿固定板(7)通过大轴承(3)活动连接在六角轴上，所述小腿固定板(7)设置在其中一组大腿固定板(1)和棘齿固定板(6)之间；所述小腿固定板(7)下端与棘齿(15)上表面形状相适应、能够绕六角轴摆动；所述六角轴两端通过中心紧固件(4)固定；
所述六角轴中间位置还套设有一大扭簧(5)，所述大扭簧(5)一端插接在其中一个大腿固定板(1)内侧的两个限位轴a(2)之间、另一端插接在小腿固定板(7)内侧的两个限位轴b(14)之间；
所述小腿固定板(7)内侧下部位置还通过小轴承(11)活动连接有与棘齿(15)相啮合的棘爪(12)，所述棘爪(12)上还固定连接有一小扭簧(10)，所述小扭簧(10)另一端卡接在小腿固定板(7)上，所述棘爪(12)通过棘爪定位构件(8)进行限位，所述棘爪定位构件(8)固定连接在小腿固定板(7)上。
2.根据权利要求1所述的一种膝关节运动能量收集及利用装置，其特征在于，所述棘爪定位构件(8)包括连接在小腿固定板(7)上且设有台阶孔的固定件，在所述固定件的台阶孔处活动连接有一下端为圆锥形凸台的限位杆(17)，所述限位杆(17)上嵌套有弹簧(9)；
所述棘爪(12)靠近小腿固定板(7)一侧设置有凹槽，所述凹槽内设有一固定轴，所述固定轴上嵌套有小扭簧(10)，所述小扭簧(10)一端固定在棘爪(12)上、另一端穿插卡在小腿固定板(7)的两个限位轴c(18)之间；所述限位杆(17)下端的圆锥形凸台与棘爪(12)上端三角凸台相贴合，保证棘爪(12)在顺时针运动时，与棘齿(15)啮合，逆时针转动时，与棘齿(15)脱离。
3.根据权利要求1所述的一种膝关节运动能量收集及利用装置，其特征在于，所述棘齿固定板(6)通过底部紧固件(16)与棘齿(15)固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种膝关节运动能量收集及利用装置，其特征在于，靠近小腿固定板(7)一侧的棘齿固定板(6)下部位置还设置有一横向的挡销(13)，所述挡销(13)下部靠近棘齿(15)端头部位设置，所述挡销(13)用于对棘爪(12)进行限位。
5.根据权利要求1所述的一种膝关节运动能量收集及利用装置，其特征在于，所述小轴承(11)过盈配合内嵌在小腿固定板(7)内。
6.根据权利要求1所述的一种膝关节运动能量收集及利用装置，其特征在于，两个大腿固定板(1)上端通过销轴固定连接在一起。
7.根据权利要求1所述的一种膝关节运动能量收集及利用装置，其特征在于，所述小腿固定板(7)上远离棘爪(12)的一侧还开设有两个大通孔，所述大腿固定板(1)的一侧也设置有两个大通孔，通过大通孔将膝关节运动能量收集及利用装置连接在膝关节绷带组件上，安装于人体膝关节处。
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