膝关节驱动的可穿戴式人体发电装置的设计与研究

发布时间：2020-03-29 15:34

【摘要】：人体发电装置是一种可再生的有效电能供应源,本文基于对人体运动机理的探究,针对人体发电装置存在的惯性大、代谢消耗多、发电量小等研究难题,设计了一种轻质量的膝关节发电装置,通过实验对比分析了单向区间发电与全区间发电模式,验证了区间发电装置设计的必要性和合理性。本文在完成轻量化设计的同时最大程度降低了装置惯性力带来的影响,在消耗更低代谢能量的情况下输出更大的电量,使得本设计更具实用价值,也为被动外骨骼的设计提供了实例指导。本论文的主要工作包括:1)基于下肢运动实验,分析运动过程中膝关节生物力学特征与正负功的作用情况,为区间发电建立理论支撑,并对发电装置设计存在的惯性和质量问题进行了探究,提出轻量化设计以及减低外骨骼惯性的指导思想。2)基于能量收集器与人体运动发电设计要求,提出“绳轮+滚珠丝杠副”传动模型的轻量化设计思路,并设计出了全区间发电装置与单向区间发电装置,以及基于左右旋滚珠丝杠副的发电装置,实现了高功率密度膝关节发电装置的设计。3)对设计的模型进行动力学建模分析,分别建立了基于逆传动运动方程的滚珠丝杠副传动模型,以及基于动量守恒方程的绳轮传动模型,根据模型分析,提出了减少人体代谢能消耗的最优参数设计方法,最终通过测试实验验证参数选择的有效性。4)设计了钢丝绳拉力实验,从力学角度揭示单向区间发电的必要性,并提出最佳的发电实验方案,通过单向区间发电与全区间发电实验揭示了电机惯性作用与装置惯性力矩对发电装置的重要影响。
【图文】：

的代谢功率表示穿戴装置发电行走与不穿戴装置正常行走的越低说明该装置发电时对人体的额外能量消耗越小，TCOH人体的整体能量消耗越小，TCOH 更能体现发电装置给人体出功率的关系，对于装置整体性能而言是更合理的衡量指标研究现状挂式背包发电装置L.C.等人研发的能量收集背包的原理是利用行走过程中负重进行驱动进而产生电能[18]。如图 1.1 所示，该发电装置通过齿移动负载的齿轮运动转化为发电机的旋转运动。其中受垂直上下移动载荷，弹簧用于恢复移动载荷的运动。当受试者背 5.6km/h 的速度行走时，该发电装置的最大输出功率为 5.6W引力场中的垂直运动产生能源。因此，，假如运动本身需要较有意义的，但对于一般情况的负重行走而言，由于整体质量代谢消耗极大。

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文（2）齿轮发电装置Donelan J.M.等人设计了一种只采集膝关节机械能的可穿戴式膝关节发电装置7][20]，如图 1.2 所示，该发电装置通过连杆机构和齿轮系将膝关节的低速转动和矩特性转化为发电机的高速转动和低扭矩。该装置能量通过三级齿轮实现，传达到 113，但装置的整体发电效率仅为 75%左右。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM61

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本文编号：2606171