CN109209792B - 一种基于双向滚珠丝杠传动的膝关节发电装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双向滚珠丝杠传动的膝关节发电装置，属于人体膝关节发电领域。该发电装置利用绳驱动装置将人体运动时膝关节的旋转运动转化为绳子的直线运动，再通过双向滚珠丝杠将直线运动转化为旋转运动，直接作用于电机上，整个过程将人体生物能转化为机械能再转化为电能实现发电。本发明的发电装置能满足在高速跑步和低速行走时正常运行发电的要求，具备长期高效稳定的性能，能实现在不同人群身上的穿戴，穿戴较为简便，同时装置整体较为轻便，对人体行走的代谢损耗较少。

Description

一种基于双向滚珠丝杠传动的膝关节发电装置及其应用

技术领域

本发明属于人体膝关节发电领域，更具体地，涉及一种能将人体膝关节运动的能量收集转化为电能的发电装置。

背景技术

当今科技迅猛发展，人们对各种电子设备的依赖和需求程度越来越高，特别对于野外行军作战的军人，或是在户外探险或遭受自然灾害的群体，他们一方面缺乏电源，另一方面人体处于不断行走状态，如何寻求充足的电源以满足他们在野外较长时间的通讯生存和作战要求是一个亟需解决的问题。

传统的发电方式有太阳能发电或风力发电，但这类放电方式受自然天气影响较大，太阳能发电无法满足夜晚发电需求，而风力发电对地域和气候有较高的要求。因而我们需要开发出与人体相关的便携式发电设备，现有的装置中，美国研发出一种压力发电鞋，利用人体走路的压力进行发电，该发明简便实用有效，但发电效率较低，难以满足现实需求。以色列的研发人员发明了一种背包发电装置，利用脚踝部位与髋关节部位之间走路时的循环变动产生电能，该装置发电功率较高，但整体装置重量大，运行时对人体代谢能量消耗大，因而实用性差。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于双向滚珠丝杠传动的膝关节发电装置，其目的在于，基于双向滚珠丝杠传动对发电装置的结构进行改进，提出一种适合人体穿戴、轻便的挠性传动发电方案，能有效提高装置的发电功率，同时减轻对人体的体能损耗，由此解决现有膝关节发电装置发电效率低、重量大、对人体代谢消耗大的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于双向滚珠丝杠传动的膝关节发电装置，包括：底板、小腿板、左右旋丝杠、右旋螺母、左旋螺母、发电机、联轴器、第一导轨连接件、第二导轨连接件、第三导轨连接件、第四导轨连接件、定滑轮、第一钢丝绳、第二钢丝绳以及两个光滑轴；

两个光滑轴和左右旋丝杠互相平行且均固定于底板上，两个光滑轴分别位于左右旋丝杠两侧；发电机固定于底板上且通过联轴器连接左右旋丝杠上端；底板下端与小腿板上端枢接，定滑轮设于底板与小腿板的枢接部；

左右旋丝杠包括上下分布的左旋螺纹段和右旋螺纹段，左旋螺母设于左旋螺纹段上，右旋螺母设于右旋螺纹段上；第一导轨连接件和第三导轨连接件均与左旋螺母固连，且分别设于两个光滑轴上；第二导轨连接件和第四导轨连接件均与右旋螺母固连，且分别设于两个光滑轴上；

第一钢丝绳上端固定于第一导轨连接件上，下端经过定滑轮后固定于小腿板上；第二钢丝绳上端固定于第四导轨连接件上，下端经过定滑轮后固定于小腿板上；第一钢丝绳和第二钢丝绳中的至少一个绕定滑轮一周。

进一步地，定滑轮为双层滑轮件，第一钢丝绳、第二钢丝绳各占一层。

进一步地，还包括关节连接件，小腿板通过关节连接件与底板枢接；小腿板上设有阵列式安装孔，关节连接件上端与底板枢接，下端通过与阵列式安装孔的不同孔配合固定，适应不同的小腿长度。

进一步地，定滑轮、关节连接件和小腿板可拆卸地连接，以通过调整连接处的层叠顺序，适应不同粗细的小腿。

进一步地，还包括小腿固定侧板、大腿固定侧板；小腿固定侧板安装于小腿板上，大腿固定侧板安装于底板上，小腿固定侧板和大腿固定侧板上均设有用于安装绑带的孔槽。

进一步地，还包括滚珠轴承，第一导轨连接件、第二导轨连接件、第三导轨连接件、第四导轨连接件均与对应的光滑轴通过滚珠轴承连接。

进一步地，双层滑轮件与关节连接件固连或一体成型。

本发明还提供了如前所述的膝关节发电装置的应用，用于人体肘关节、动物关节或者具有铰链式结构的机器上进行发电。

总体而言，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、本发明利用绳驱动装置将人体运动时膝关节的旋转运动转化为绳子的直线运动，再通过双向滚珠丝杠将直线运动转化为旋转运动，直接作用于电机上，整个过程将人体生物能转化为机械能再转化为电能实现发电，结构简单轻便，实用性好；

2、双向滚珠丝杠副能将钢丝绳作用于螺母上的轴向运动转化为丝杠的旋转运动，左右两端固连钢丝绳分别交替作用于左右旋螺母上，由于双向滚珠丝杠副的特性，使得拉扯端的钢丝绳都只需要单向拉动便能驱动丝杠旋转；

3、按照本发明的装置，通过更换不同半径的定滑轮即可改变每个运动周期中绳子固定端的位移量，从而改变相应的传动比，进而改变发电功率；

4、按照本发明的装置，通过改变双向滚珠丝杠的导程能改变发电装置的传动比，从而改变发电效率；

5、本发明的发电装置能满足在高速跑步和低速行走时正常运行发电的要求，具备长期高效稳定的性能，能实现在不同人群身上的穿戴，穿戴较为简便，同时装置整体较为轻便，对人体行走的代谢损耗较少。

附图说明

图1显示的是本发明专利的整体图；

图2显示的是本发明专利穿戴在人体右腿上并进行运行的实施图，需要说明的是，装置同样适合左腿穿戴，只要丝杠行程足够，便能满足左右腿互换；

图3显示的是钢丝绳在双层滑轮件18中的绕线方式。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

发电机1、联轴器2、光滑轴3、第一钢丝绳夹线头4、第一导轨连接件5、左右旋丝杠6、第二导轨连接件7、第一钢丝绳8、钢丝绳固定夹线头9、连接座10、大腿固定侧板11、第三导轨连接件12、底板13、第二钢丝绳夹线头14、第四导轨连接件15、丝杠支撑座16、第二钢丝绳17、双层滑轮件18、关节连接件19、小腿板20、小腿固定侧板21、人体大腿22、右旋螺母23、人体小腿24、左旋螺母25、左旋螺纹段26、右旋螺纹段27。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

双向滚珠丝杠副包括左旋螺纹段26和右旋螺纹段27组成的左右旋丝杠6、右旋螺母23、左旋螺母24三个部分。滚珠丝杠利用导轨光滑轴3进行传动导轨，光滑轴3包括两根相同的光滑轴，通过第一导轨连接件5、第二导轨连接件7、第三导轨连接件12、第四导轨连接件15和相应的轴承与丝杠进行连接，实现平滑导轨功能，第一导轨连接件5、第二导轨连接件7、第三导轨连接件12和第四导轨连接件15结构相同，有一个大径孔和一个小径孔，大径孔为安装滚动轴承的孔，轴承在光滑轴3上滑动保证丝杠螺母的轴向平稳运行，第一导轨连接件5和第四导轨连接件15上的小径孔用于安装第一钢丝绳夹线头4和第二钢丝绳夹线头14，安装时，第一钢丝绳8穿过第二导轨连接件7，再用第一导轨连接件5夹住第一钢丝绳8的末端，第一钢丝绳夹线头4的直径大于第一导轨连接件5上的小径孔，第一钢丝绳8和第二钢丝绳17的另一末端以同样的方式固定在小腿板20的凸台上，实现第一钢丝绳8和第一钢丝绳17的张紧。当第一钢丝绳8位于钢丝绳固定夹线头9一端有力的作用时，第一钢丝绳夹线头4将收到拉力作用，推动第一导轨连接件5往下运动，进而推动双向滚珠丝杠的转动，同样地，当第二钢丝绳17位于钢丝绳固定夹线头9一端有力的作用时，第二钢丝绳夹线头14将收到拉力作用，推动第二导轨连接件15往下运动，进而推动双向滚珠丝杠的转动。双向滚珠丝杠副6与发电机1通过连接座10和相应轴承进行定位，保证能够同轴，并通过联轴器2进行轴端固连，丝杠的另一端通过丝杠支撑座16和相应轴承进行支撑，连接座10和支撑座16固定在底板13上。

双层滑轮件18安装在底板13上，具有一个旋转副功能，双层滑轮件18类似由两个定滑轮叠加而成，如图3所示为第一钢丝绳8和第一钢丝绳17在双层滑轮件18上的绕线方式的侧面图，第一钢丝绳8经过双层滑轮件18的下层(左侧)槽内，完整绕过下层槽一圈后向下通过钢丝绳固定夹线头9进行固定，第二钢丝绳17经过双层滑轮件18的上层(右侧)槽内，完整绕过上层槽一圈后向下通过钢丝绳固定夹线头9进行固定。双层滑轮件18上有两个孔，用于与关节连接件19进行固连，以直接传递小腿产生的动力，关节连接件19作用是连接位于大腿上的底板13和位于小腿上的小腿板20，使用时小腿板20安装在人体小腿上。大腿固定侧板11安装在底板13上，具有一个旋转副，能进行一定的旋转，大腿固定侧板11上的孔槽用于安装绑带，使其固定在人体的大腿上，小腿固定侧板21安装在小腿板20上。进一步地，可以使小腿固定侧板21活动地连接小腿板20，例如能够绕连接处进行一定的旋转，以适用于不同腿粗的人穿戴，在其他实施例中(未图示)，也可以直接通过调节绑带松紧、长度来适应不同的腿粗。小腿固定侧板21上的孔槽用于安装绑带，使其固定在人体的小腿上。

图2所示为本发明的第一实施方式，发电装置通过大腿固定侧板11、大腿固定侧板21和绑带固定在人体右腿的大腿和小腿上。人体行走时，右腿做屈膝运动，人体小腿带动小腿板20顺时针转动，带动了双层滑轮件18进行顺时针旋转，由于第二钢丝绳17的下部固定座在钢丝绳固定夹线头9上不能移动，第二钢丝绳17开始被进一步缠绕在双层滑轮件18中，由于第二钢丝绳17的上部固定点第二钢丝绳夹线头14固定在与右旋螺母23相连的第四导轨连接件15上，当第二钢丝绳17被缠绕后，将会拉动右旋螺母23向下运动，进而驱动整根左右旋丝杠6的旋转，左右旋丝杠的旋转将通过联轴器2带动发电机1转动，进而产生电量进行发电。同时左右旋丝杠6的旋转将带动左旋螺母25的移动，由于左旋螺母25的螺纹段左旋螺母25与右旋螺母23的螺纹段右旋螺母23相反，左旋螺母25的运动方向与右旋螺母23的运动方向相反，向上运动。左旋螺母25向上移动拉动第一钢丝绳夹线头4，进而拉动第一钢丝绳8向上拉伸，使得由于双层滑轮件18顺时针旋转而出现了松弛的第一钢丝绳8不断被拉紧。如图2为右腿膝关节屈膝到一定角度的状态，与位于站立初始状态的图1相比，左旋螺母25向上移动，右旋螺母23向下移动，同时第一钢丝绳8在双层滑轮件18中的缠绕圈数小于1圈，而第二钢丝绳17在双层滑轮件18中的缠绕圈数大于1圈。

当人腿完成屈膝运动时，开始进入膝关节的伸展运动阶段。人体小腿带动小腿板20逆时针转动，带动了双层滑轮件18进行逆时针旋转，第一钢丝绳8在双层滑轮件18的旋转下开始缠绕在滑轮槽内，同时第二钢丝绳17开始减少缠绕接触面，第一钢丝绳8的缠绕拉动第一钢丝绳夹线头4往下运动，进而拉动左旋螺母25向下运动，进而驱动整根左右旋丝杠6的旋转，左右旋丝杠的旋转将通过联轴器2带动发电机1转动，进而产生电量进行发电，同时左右旋丝杠6的旋转将带动右旋螺母23向上移动，并拉动第二钢丝绳夹线头14，进而拉动第二钢丝绳17向上拉伸，使得由于双层滑轮件18顺时针旋转而出现了松弛的第一钢丝绳8不断被拉紧。经过一定的运动过程回到图一所以的站立初始状态，底板13的对称中轴线与小腿板20的对称中轴线成同一条直线，第一钢丝绳8和第二钢丝绳17在双层滑轮件18中的缠绕圈数均为1圈。以上实施方式为人体运动一个步态周期的说明

进一步的，本发明装置能同样适用于左腿的穿戴，能实现左右腿的互换。当穿戴在左腿进行屈膝运动时，小腿板将相对图一状态进行逆时针旋转，带动第一钢丝绳8向下移动并促使发电机产生电量，当穿戴在左腿进行伸展运动时，小腿板相对将进行顺时针转动，带动第二钢丝绳17向下移动并促使发电机产生电量。更进一步地说明，只要左旋螺纹段26和右旋螺纹段27的行程足够大，

本发明装置便能满足左右腿的互换使用。当膝关节连续运动时，本发明装置将不断循环往复产生电量，进一步的，由于屈膝运动与伸展运动时丝杠的旋向不同，本发明装置产生的电压为交流电压，

进一步的，为保证本发明专利的正常运行，需保证第一钢丝绳8、第二钢丝绳17的中心线到左右旋丝杠6的中心线的距离等于缠绕在双层滑轮件18中钢丝绳到圆心的距离，

进一步的，本发明装置能根据需要对发电量进行改变，更进一步的说明，能够根据需要改变本发明专利的传动比，通过增大双层滑轮件18的槽孔直径能增大本发明装置的传动比，进而增大每个步态周期的发电功率，进而增大装置的发电功率，

进一步的，通过选择不同导程的双向滚珠丝杠也能改变装置的传动比进而改变发电功率，增大双向滚珠丝杠的导程将会增大装置的传动比，并增大装置的发电功率，

进一步的，底板13与小腿板20通过关节连接件19进行固连，对于不同的人有不同粗细的腿型，可通过选择关节连接件19在底板13和小腿板20上的安装面来调整底板13与小腿板20之间的平面差，以适应不同腿粗的人穿戴，进一步的说明，如图1为正常腿粗人群使用的安装方式，将关节连接件19安装在双层滑轮件18的下表面上，另一端安装在小腿板20的下表面上，对于腿粗的人群，可在安装时将关节连接件19安装在双层滑轮件的上表面上，同时另一端安装在小腿板20的下表面上，对于大小腿粗差别较大的人群，可以加上垫片进行调节，

进一步的，本发明专利并不局限于人体膝关节的使用，对于人体其他活动关节，如肘关节，也同样能应用发电，将装置按照在其他有铰链式结构的机器或动物关节上同样能够实现相同的效果。

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 (8)

1.一种基于双向滚珠丝杠传动的膝关节发电装置，其特征在于，包括：底板(13)、小腿板(20)、左右旋丝杠(6)、右旋螺母(23)、左旋螺母(25)、发电机(1)、联轴器(2)、第一导轨连接件(5)、第二导轨连接件(7)、第三导轨连接件(12)、第四导轨连接件(15)、定滑轮(18)、第一钢丝绳(8)、第二钢丝绳(17)以及两个光滑轴(3)；

两个光滑轴(3)和左右旋丝杠(6)互相平行且均固定于底板(13)上，两个光滑轴(3)分别位于左右旋丝杠(6)两侧；发电机(1)固定于底板上且通过联轴器(2)连接左右旋丝杠(6)上端；底板(13)下端与小腿板(20)上端枢接，定滑轮(18)设于底板(13)与小腿板(20)的枢接部；

左右旋丝杠(6)包括上下分布的左旋螺纹段(26)和右旋螺纹段(27)，左旋螺母(25)设于左旋螺纹段(26)上，右旋螺母(23)设于右旋螺纹段(27)上；第一导轨连接件(5)和第三导轨连接件(12)均与左旋螺母(25)固连，且分别设于两个光滑轴(3)上；第二导轨连接件(7)和第四导轨连接件(15)均与右旋螺母(23)固连，且分别设于两个光滑轴(3)上；

第一钢丝绳(8)上端固定于第一导轨连接件(5)上，下端经过定滑轮(18)后固定于小腿板(20)上；第二钢丝绳(17)上端固定于第四导轨连接件(15)上，下端经过定滑轮(18)后固定于小腿板(20)上；第一钢丝绳(8)和第二钢丝绳(17)中的至少一个绕定滑轮(18)一周。

2.如权利要求1所述的一种基于双向滚珠丝杠传动的膝关节发电装置，其特征在于，定滑轮(18)为双层滑轮件，第一钢丝绳(8)、第二钢丝绳(17)各占一层。

3.如权利要求2所述的一种基于双向滚珠丝杠传动的膝关节发电装置，其特征在于，还包括关节连接件(19)，小腿板(20)通过关节连接件(19)与底板(13)枢接；小腿板(20)上设有阵列式安装孔，关节连接件(19)上端与底板(13)枢接，下端通过与阵列式安装孔的不同孔配合固定，适应不同的小腿长度。

4.如权利要求3所述的一种基于双向滚珠丝杠传动的膝关节发电装置，其特征在于，定滑轮(18)、关节连接件(19)和小腿板(20)可拆卸地连接，以通过调整连接处的层叠顺序，适应不同粗细的小腿。

5.如权利要求3所述的一种基于双向滚珠丝杠传动的膝关节发电装置，其特征在于，双层滑轮件与关节连接件(19)固连或一体成型。

6.如权利要求1～5任意一项所述的一种基于双向滚珠丝杠传动的膝关节发电装置，其特征在于，还包括小腿固定侧板(21)、大腿固定侧板(11)；小腿固定侧板(21)安装于小腿板(20)上，大腿固定侧板(11)安装于底板(13)上，小腿固定侧板(21)和大腿固定侧板(11)上均设有用于安装绑带的孔槽。

7.如权利要求1～5任意一项所述的一种基于双向滚珠丝杠传动的膝关节发电装置，其特征在于，还包括滚珠轴承，第一导轨连接件(5)、第二导轨连接件(7)、第三导轨连接件(12)、第四导轨连接件(15)均与对应的光滑轴(3)通过滚珠轴承连接。

8.一种如权利要求1～7任意一项所述的基于双向滚珠丝杠传动的膝关节发电装置的应用，其特征在于，用于佩戴至人体肘关节、动物关节或者具有铰链式结构的机器上进行发电。

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