CN108071566A - 一种膝关节发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膝关节发电装置，包括小腿绑带、小腿固定板、第一拉绳、运动转换组件、发电机和大腿绑带。本发明利用膝关节的屈伸运动，带动第一拉绳、第二拉绳产生沿绳方向运动；该运动经过运动转换组件后，被转换为高速旋转运动，进而带动发电机产生电能。本发明利用较少的传动部件，可以将膝关节高转矩低转速的运动转化为高转速低转矩的发电机旋转运动，在降低设备整体质量的同时，可减少机械能在传递过程中的损耗，提高设备发电效率，从而产生电压较高、便于收集的电能；本发明整体质心相对偏上，可以减小装置质量对人体代谢消耗的影响，而且可以穿戴在人体上，让使用者可以在步行的同时进行发电，有利于持续为用电设备提供电能。

Description

一种膝关节发电装置

技术领域

本发明涉及人体能量收集装置领域，具体地，涉及一种便携式膝关节发电装置。

背景技术

随着科技发展，各类功能强大的便携电子设备成为人们工作生活中不可或缺的一部分。然而，对于户外运动爱好者、长途跋涉的军人、遭受自然能灾害的群众等来说，为电子设备充电成为一个棘手的问题。常规的充电宝等储电设备具有储电量有限，重量大等明显的缺点。因此，就需要开发一种高效可靠的便携式发电设备为电子产品及时充电。

现有的便携式发电设备种类繁多：有手摇、按压式的手持发电设备，该类设备需要花费额外的时间和精力去操作，容易让使用者产生倦怠及厌恶情绪；有用压电材料制成的发电鞋利用人行走时的踩踏作用进行发电，但该类设备发电功率较低，不利于电能的收集利用；有与本发明同样利用关节处机械运动发电的设备，但现有设备大多采用多级的齿轮组来实现增速运动，多级齿轮组的采用使得能量在传递过程中逐层损耗从而降低发电效率，而若要减少齿轮组的数量，必然采用齿数更多的齿轮，这会导致装置体积及重量增加。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种膝关节发电装置，用以解决现有技术存在的发电功率较低、发电效率低以及体积重量大的技术问题。

本发明收集使用者行走过程中膝关节屈伸时产生的机械能，通过装置内部传动组件，驱动发电机工作产生电能。产生的电能经处理后储存到蓄电池中或直接为负载供电。

本发明提供的一种膝关节发电装置，包括小腿绑带(1)、小腿固定板(2)、第一拉绳(3)、运动转换组件(5)、发电机(6)和大腿绑带(8)；其中：

所述小腿固定板(2)设有第一拉绳(3)，其两端各通过一个拉绳张紧装置(4)和运动转换组件(5)的第二拉绳(18)的两端相连；所述拉绳张紧装置(4)用于使所述第一拉绳(3)、第二拉绳(18)在运动过程中处于张紧状态；

所述运动转换组件(5)用于将拉绳正反向的沿绳方向运动转换为正反旋转运动；所述运动转换组件(5)下端设有双层滑轮，上端设有单层滑轮；所述第二拉绳(18)一头从下部一侧向上引入，在双层滑轮的一个槽内绕一圈或更多圈后(圈数多的话，摩擦力变大，效率就降低)，向上方单层滑轮引出，上搭单层滑轮槽内后，向下在双层滑轮的另一个槽绕一圈或更多圈后，向下方另一侧引出；两个滑轮与第二拉绳(18)的组合方式，用于适应腿部较大的屈张范围；

所述发电机(6)转轴与运动转换组件(5)的转动输出部件(13)连接，用于接受该组件传来的转动机械能；所述发电机(6)用于将机械能转换为电能并输出；

所述小腿绑带(1)与小腿固定板(2)相连，并将其固定在人体小腿处；所述大腿绑带(8)与运动转换组件(5)相连，并将其固定在人体大腿上；

工作时，膝关节的屈伸运动带动所述小腿固定板(2)运动，使其相对于运动转换组件(5)做往复摆动，拉扯第一拉绳(3)及拉绳张紧装置(4)，进而拉动第二拉绳(18)产生沿绳方向运动；该沿绳方向运动经过运动转换组件(5)后，被转换为高速旋转运动，进而带动发电机(6)产生电能。

进一步的，所述运动转换组件(5)包括双层滑轮(9)、滚柱丝杆安装架(10)、连接块(11)、滚珠丝杆(12)、转动输出部件(13)、上外壳(14)、单层滑轮(15)、下外壳(16)和第二拉绳(18)；其中：

所述上外壳(14)与下外壳(16)，用于安装和封装双层滑轮(9)、滚珠丝杆安装架(10)、连接块(11)、滚珠丝杆(12)、单层滑轮(15)和转动输出部件(13)；

所述双层滑轮(9)、滚珠丝杆安装架(10)与单层滑轮(15)分别安装在外壳内的下、中、上三个部位；

所述滚珠丝杆(12)安装在滚珠丝杆安装架(10)上，滚珠丝杆(12)的螺帽通过连接块(11)与第二拉绳(18)固定连接，用于接受拉绳运动传来的机械能；滚珠丝杆(12)其螺杆接转动输出部件(13)，用于将滚珠丝杆的输出转动进行传递；

所述转动输出部件(13)与发电机(6)的转轴固定连接，用于向发电机提供机械能，带动发电机旋转发电；

工作时，第二拉绳(18)的沿绳方向运动，通过连接块(11)带动滚珠丝杆(12)的螺母做往复直线运动，进而使滚珠丝杆(12)的螺杆产生正反旋转运动，通过转动输出部件(13)传递给发电机(6)，使发电机(6)产生电能。

进一步的，还包括电能转换器(7)，其与发电机(6)输出相连，用于对产生的电能进行处理，包括整流和滤波。

进一步的，所述转动输出部件(13)为锥齿轮。

进一步的，所述大腿绑带(8)有两根，设在运动转换组件(5)的两端，使其与大腿上端和大腿下端固定。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明简单巧妙，利用较少的传动部件，在降低设备整体质量的同时，减少机械能在传递过程中的产生损耗，以提高设备整体的发电效率。

2、本发明使用的拉绳、滑轮加滚柱丝杆的传动方式，可以将膝关节高转矩低转速的运动转化为高转速低转矩的发电机旋转运动，从而产生电压较高、便于收集的电能；

3、本发明装置主要重量在上部，整体质心相对偏上，可以减小装置质量对人体代谢消耗的影响；

本发明可以穿戴在人体上，让使用者可以在步行的同时进行发电，有利于持续为用电设备提供电能。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的运动转换组件示意图；

图3为本发明的无上壳体的运动组件示意图；

图4为本发明第二钢丝绳18的绕线示意图；

图5本发明的电能变换器示意图；

图6为本发明的穿戴方法示意图；

小腿绑带1、小腿固定板2、第一钢丝绳3、两个拉绳张紧装置4、运动转换组件5、发电机6、电能转换器7、大腿绑带8、双层滑轮9、滚柱丝杆安装架10、连接块11、滚珠丝杆12、转动输出部件13、上外壳14、单层滑轮15、下外壳16、钢丝绳铝夹头17、第二钢丝绳18。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所示，一种膝关节发电装置，包括小腿绑带1、小腿固定板2、第一钢丝绳3、两个钢丝绳张紧装置4、运动转换组件5、发电机6、电能转换器7、大腿绑带8。两根第一钢丝绳3一端用利用钢丝绳铝夹头拴在小腿固定板2上，并用螺母压紧固定，另一端利用钢丝绳铝夹头栓在弹簧张紧装置4下端。运动转换组件5的第二钢丝绳18伸出运动转换组件5外，第二钢丝绳18末端利用钢丝绳铝夹头栓在钢丝绳张紧装置4的上端。所述钢丝绳张紧装置4由塑料外壳和内置弹簧组成，其弹簧提供的拉力可以使两端连接的钢丝绳在运动过程中时刻处于张紧状态。此时在装置运动过程中，可以将第一钢丝绳3、钢丝绳张紧装置4和第二钢丝绳18视为一起运动的整体。发电机6利用螺钉固定在运动转换组件5上，其转轴伸入运动转换组件5内与转动输出部件13固定连接；电能转换器7利用胶水或螺钉固定在运动转换组件5上，通过导线与发电机6输出端相连。所述小腿绑带1与小腿固定板2相连，并固定在人体小腿处；所述大腿绑带8与运动转换组件5相连，并固定在人体大腿上。

所述转动输出部件13可由一对呈90度布置锥齿轮构成。

如图2所示，本发明的运动转换组件5由双层滑轮9、滚柱丝杆安装架10、连接块11、滚珠丝杆12、转动输出部件13、上外壳14、单层滑轮15、下外壳16、钢丝绳铝夹头17、第二钢丝绳18组成。

上外壳14与下外壳16用螺钉或者胶水连为一整体外壳，其余零件均安装在外壳内。双层滑轮9与单层滑轮15的直径相同，分别用轴和轴承安装在外壳内的下和上两个部位。滚珠丝杆安装架10利用螺钉安装在外壳内中部，其方向与两个滑轮轴线所在平面平行。所述滚珠丝杆12通过轴承安装在滚珠丝杆安装架10上。转动输出部件13的一个锥齿轮与滚珠丝杆10末端固定连接，另一个锥齿轮与伸进外壳内的发电机6的转轴固定连接。第二钢丝绳18依次绕双层滑轮9的下层一圈、单层滑轮15半圈和双层滑轮9的上层一圈。第二钢丝绳18的两个绳端应露在运动转换组件5外侧与钢丝绳张紧装置4上端连接。第二钢丝绳18位于单层滑轮15和双层滑轮9的上层之间的部分与连接块11一端通过钢丝绳铝夹头17固定连接。连接块11另一端通过螺钉与滚珠丝杆12的螺母固定连接。安装完连接块11后，应保证该段钢丝绳处于直线状态且与滚珠丝杆12的螺杆平行。这样第二钢丝绳18的沿绳方向运动就可以带动滚珠丝杆12的螺母做直线运动，进而使滚珠丝杆10的螺杆产生旋转运动，该旋转运动通过转动输出部件13传递给发电机6，并使其产生电能。一般滚珠丝杆包括以下两个部件，一个叫螺帽或螺母，做直线运动；另一个部件叫螺杆，做旋转运动。

如图3所示，发电机6的输出端所连接的电能变换器7具有整流和电压变换的功能，并能将电能储存在蓄电池中或直接供给负载。

如图4所示，本发明的运动转换组件5通过大腿绑带8穿戴在人体大腿处，穿戴位置以双层滑轮9的回转轴与膝关节屈伸轴重合为最佳。小腿固定板2通过小腿绑带1穿戴在小腿上。膝关节的屈伸运动带动小腿固定板2产生绕膝关节屈伸轴的摆动。小腿固定板2的运动将带动第一钢丝绳3、钢丝绳张紧装置4和第二钢丝绳18连接后组成的整体产生沿绳方向运动。该沿绳方向运动在运动转换组件5内通过连接块11传递给滚珠丝杆12并转化为高速旋转运动。该旋转运动通过转动输出部件13传递给发电机6，使其产生电能。产生的电能由电能变换器7处理后进行储存或供给负载。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种膝关节发电装置，其特征在于，包括小腿绑带(1)、小腿固定板(2)、第一拉绳(3)、运动转换组件(5)、发电机(6)和大腿绑带(8)；其中：

所述小腿固定板(2)设有第一拉绳(3)，其两端各通过一个钢丝绳张紧装置(4)和运动转换组件(5)的第二拉绳(18)的两端相连；所述拉绳张紧装置(4)用于使所述第一拉绳(3)、第二拉绳(18)在运动过程中处于张紧状态；

所述运动转换组件(5)用于将拉绳正反向的沿绳方向运动转换为正反旋转运动；所述运动转换组件(5)下端设有双层滑轮，上端设有单层滑轮；所述第二拉绳(18)一头从下部一侧向上引入，在双层滑轮的一个槽内绕一圈或更多圈后(圈数多的话，摩擦力变大，效率就降低)，向上方单层滑轮引出，上搭单层滑轮槽内后，向下在双层滑轮的另一个槽绕一圈或更多圈后，向下方另一侧引出；两个滑轮与第二拉绳(18)的组合方式，用于适应腿部较大的屈张范围；

所述发电机(6)转轴与运动转换组件(5)的转动输出部件(13)连接，用于接受该组件传来的转动机械能；所述发电机(6)用于将机械能转换为电能并输出；

所述小腿绑带(1)与小腿固定板(2)相连，并将其固定在人体小腿处；所述大腿绑带(8)与运动转换组件(5)相连，并将其固定在人体大腿上；

工作时，膝关节的屈伸运动带动所述小腿固定板(2)运动，使其相对于运动转换组件(5)做往复摆动，拉扯第一拉绳(3)及拉绳张紧装置(4)，进而拉动第二拉绳(18)产生沿绳方向运动；该直线运动经过运动转换组件(5)后，被转换为高速旋转运动，进而带动发电机(6)产生电能。

2.根据权利要求1所述的一种膝关节发电装置，其特征在于，所述运动转换组件(5)包括双层滑轮(9)、滚柱丝杆安装架(10)、连接块(11)、滚珠丝杆(12)、转动输出部件(13)、上外壳(14)、单层滑轮(15)、下外壳(16)和第二拉绳(18)；其中：

所述上外壳(14)与下外壳(16)，用于安装和封装双层滑轮(9)、滚珠丝杆安装架(10)、连接块(11)、滚珠丝杆(12)、转动输出部件(13)和单层滑轮(15)；

所述双层滑轮(9)、滚珠丝杆安装架(10)与单层滑轮(15)分别安装在外壳内的下、中、上三个部位；

所述滚珠丝杆(12)安装在滚珠丝杆安装架(10)上，滚珠丝杆(12)的螺帽通过连接块(11)与第二拉绳(18)固定连接，用于接受拉绳运动传来的机械能；滚珠丝杆(12)的螺杆接转动输出部件(13)，用于将滚珠丝杆的输出转动进行传递；

所述转动输出部件(13)与发电机(6)的转轴固定连接，用于向发电机提供机械能，带动发电机旋转发电；

工作时，第二拉绳(18)的沿绳方向运动，通过连接块(11)带动滚珠丝杆(12)的螺母做往复直线运动，进而使滚珠丝杆(12)的螺杆产生正反旋转运动，通过转动输出部件(13)传递给发电机(6)，使发电机(6)产生电能。

3.根据权利要求1所述的一种膝关节发电装置，其特征在于，还包括电能转换器(7)，其与发电机(6)输出相连，用于对产生的电能进行处理，包括整流和滤波。

4.根据权利要求2所述一种膝关节发电装置，其特征在于，所述转动输出部件(13)为锥齿轮。

5.根据权利要求1所述一种膝关节发电装置，其特征在于，所述大腿绑带(8)有两根，设在运动转换组件(5)的两端，使其与大腿上端和大腿下端固定。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种膝关节发电装置，其特征在于，所述拉绳为钢丝绳。