CN112796966A - 易穿戴柔顺关节运动发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种易穿戴柔顺关节运动发电机，包括调制发电机、柔顺牵引套和松紧调节装置，调制发电机、松紧调节装置分别穿戴固定在人体关节上、下部位，柔顺牵引套穿戴于人体关节部位，松紧调节装置通过柔顺牵引套内嵌的高强度线与调制发电机连接，柔顺牵引套及高强度线在人体关节弯曲时松弛，在人体关节伸展时张紧并牵引驱动调制发电机以带动调制发电机发电；本发明同现有技术相比，其设计符合人体工程学，可以便捷地穿戴和使用；采用柔顺牵引机制，通过柔顺牵引套收集关节运动的机械能，具有较高驱动力，并且关节部位无刚性约束、无硬物摩擦，不仅不影响人体舒适性和运动灵活性，还增强关节肌肉的支撑力，保护关节。
Description
[技术领域]
本发明涉及人体运动能量采集技术领域，具体地说是一种易穿戴柔顺关节运动发电机。
[背景技术]
人体在进行日常活动时会产生大量的能量消散在环境之中。从人体运动俘获生物机械能量，取代传统电池或延长传统电池寿命，为便携式和可穿戴微小机电系统供电，具备灵活、节能环保、可持续的优势，在人机交互、人体健康监测、人体理疗、特种作业装备、信息化集成单兵装备等领域均具有广阔的应用前景。
目前，主要有三种人体运动能量采集方式：脚踏、关节运动和质心运动。其中，脚踏能量采集装置通常集成在鞋底，可以产生较大压力和输出功率，但需要考虑鞋而增加的体积和质量，以免影响人体运动的舒适性和安全性。大多数人体运动都依赖于关节运动，膝关节经常被用于采集人体运动能量。膝关节驱动力大，可以产生高功率。但是，机械部件通常需要设置在膝关节上，会对人体运动有一定约束影响其灵活性，长时间穿戴和摩擦会损伤身体。基于质心运动的人体运动能量采集可以设置在人体耐受部位，如肩膀、臀部等。但是，质心运动产生激励大小与质量有关。基于质心运动的人体运动能量采集装置需要很大的质量才能产生较大的功率，可能对人体造成很大的负担。虽然人体运动能量采集的研究很多，但不能兼顾高功率输出和人体舒适性，更缺乏人体穿戴便捷的考虑。
[发明内容]
本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种易穿戴柔顺关节运动发电机，具有较高驱动力，并且关节部位无刚性约束、无硬物摩擦，不仅不影响人体舒适性和运动灵活性，还增强关节肌肉的支撑力，保护关节。
为实现上述目的设计一种易穿戴柔顺关节运动发电机，包括调制发电机1、柔顺牵引套2和松紧调节装置3，所述调制发电机1、松紧调节装置3分别穿戴固定在人体关节上、下部位，所述柔顺牵引套2穿戴于人体关节部位，所述松紧调节装置3通过柔顺牵引套2内嵌的高强度线4与调制发电机1连接，所述松紧调节装置3用于调节柔顺牵引套2及内嵌的高强度线4的张紧程度，所述柔顺牵引套2及高强度线4在人体关节弯曲时松弛，在人体关节伸展时张紧并牵引驱动调制发电机1以带动调制发电机1发电。
进一步地，所述调制发电机1包括上固定套5、发电机底板6、发电机前盖7、转动盘8、棘轮9、驱动组件10和发电组件11，所述调制发电机1通过上固定套5穿戴固定在人体关节上部位，所述上固定套5固定连接发电机底板6，所述发电机底板6前端罩设有发电机前盖7，且与发电机前盖7固定连接，所述发电机底板6上安装有转动盘8，所述转动盘8内腔设有棘轮9，所述发电机前盖7内侧安装有驱动组件10，所述棘轮9与驱动组件10啮合连接，所述驱动组件10与柔顺牵引套2内嵌的高强度线4连接，所述发电机前盖7与转动盘8对应设置有发电组件11。
进一步地，所述转动盘8内嵌有滚珠12，所述发电组件11内嵌有压电叠堆13，所述滚珠12、压电叠堆13均沿圆周阵列布置，所述滚珠12随转动盘8滚压对应设置的压电叠堆13，所述压电叠堆13受到滚压力产生变形从而因压电效应而发电。
进一步地，所述驱动组件10包括增速齿轮14、单向驱动轮15、棘爪16和复位弹簧17，所述增速齿轮14上设置有线轮并与高强度线4连接，所述增速齿轮14与复位弹簧17一端固定连接，所述增速齿轮14与单向驱动轮15上设置的小齿轮啮合连接，且增速齿轮14的齿数大于小齿轮齿数，所述单向驱动轮15两端设有棘爪16，所述棘爪16与棘轮9啮合连接。
进一步地，所述松紧调节装置3包括下固定套18、松紧调节装置底板19、调节旋钮20、松紧调节装置前盖21和弹性压紧片22，所述松紧调节装置3通过下固定套18穿戴固定在人体关节下部位，所述下固定套18与松紧调节装置底板19固定连接，所述松紧调节装置底板19上设置有弹性压紧片22，所述松紧调节装置底板19前侧设有松紧调节装置前盖21，所述调节旋钮20安装于松紧调节装置前盖21上，所述调节旋钮20受到弹性压紧片22的弹性力。
进一步地，所述调节旋钮20与松紧调节装置前盖21接触表面设有凹凸纹，所述凹凸纹用于增加摩擦力。
进一步地，所述上固定套5和下固定套18均为松紧度可调节式固定套，并调节松紧度从而穿戴固定在人体关节上下部位。
进一步地，所述调制发电机1上设有牵引线孔23，所述高强度线4穿过牵引线孔23与增速齿轮14的线轮固定连接并再绕线轮若干圈。
进一步地，所述调制发电机1采用电磁感应发电或摩擦纳米发电。
进一步地，所述转动盘8内嵌圆周阵列永磁体，所述发电组件10内嵌圆周阵列发电线圈，所述调制发电机1通过永磁体和发电线圈电磁感应发电。
本发明同现有技术相比，结构新颖、简单，设计合理，采用柔顺牵引机制，通过柔顺牵引套收集关节运动的机械能，具有较高驱动力，并且关节部位无刚性约束、无硬物摩擦，不仅不影响人体舒适性和运动灵活性，还增强关节肌肉的支撑力，保护关节；而且，本发明设计了升频和单向旋转机构，减少传统往复运动机构复位的机械能量损失，提高机电转换效率；此外，本发明设计符合人体工程学，可以便捷地穿戴和使用，克服了目前人体能量采集装置高功率输出和人体舒适性不能兼顾的缺点，值得推广应用。
[附图说明]
图1为本发明用于膝关节能量采集的应用示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明调制发电机的爆炸结构示意图；
图4为本发明发电组件的结构示意图；
图5为本发明的滚压压电发电示意图；
图6为本发明驱动组件的结构示意图；
图7为本发明松紧调节装置的爆炸结构示意图；
图8为本发明同时用于四肢关节能量采集的应用示意图；
图中：1、调制发电机 2、柔顺牵引套 3、松紧调节装置 4、高强度线 5、上固定套6、发电机底板 7、发电机前盖 8、转动盘 9、棘轮 10、驱动组件 11、发电组件 12、滚珠 13、压电叠堆 14、增速齿轮 15、单向驱动轮 16、棘爪 17、复位弹簧 18、下固定套 19、松紧调节装置底板 20、调节旋钮 21、松紧调节装置前盖 22、弹性压紧片 23、牵引线孔。
[具体实施方式]
下面结合附图对本发明作以下进一步说明：
如附图1和附图2所示，本发明提供了一种易穿戴柔顺关节运动发电机，包括调制发电机1、柔顺牵引套2和松紧调节装置3，调制发电机1、松紧调节装置3分别穿戴固定在人体关节上、下部位，柔顺牵引套2穿戴于人体关节部位，松紧调节装置3通过柔顺牵引套2内嵌的高强度线4与调制发电机1连接，松紧调节装置3用于调节柔顺牵引套2及内嵌的高强度线4的张紧程度，柔顺牵引套2及高强度线4在人体关节弯曲时松弛，在人体关节伸展时张紧并牵引驱动调制发电机1以带动调制发电机1发电。
如附图3和附图4所示，调制发电机1包括上固定套5、发电机底板6、发电机前盖7、转动盘8、棘轮9、驱动组件10和发电组件11，调制发电机1通过上固定套5穿戴固定在人体关节上部位，上固定套5固定连接发电机底板6，发电机底板6前端罩设有发电机前盖7，且与发电机前盖7固定连接，发电机底板6上安装有转动盘8，转动盘8内腔设有棘轮9，发电机前盖7内侧安装有驱动组件10，棘轮9与驱动组件10啮合连接，驱动组件10与柔顺牵引套2内嵌的高强度线4连接，发电机前盖7与转动盘8对应设置有发电组件11；调制发电机1上设有牵引线孔23，高强度线4穿过牵引线孔23与增速齿轮14的线轮固定连接并再绕线轮若干圈。
如附图5所示，转动盘8内嵌有滚珠12，发电组件11内嵌有压电叠堆13，滚珠12、压电叠堆13均沿圆周阵列布置，滚珠12随转动盘8滚压对应设置的压电叠堆13，压电叠堆13受到滚压力产生变形从而因压电效应而发电。
如附图6所示，驱动组件10包括增速齿轮14、单向驱动轮15、棘爪16和复位弹簧17，增速齿轮14上设置有线轮并与高强度线4连接，增速齿轮14与复位弹簧17一端固定连接，增速齿轮14与单向驱动轮15上设置的小齿轮啮合连接，且增速齿轮14的齿数大于小齿轮齿数，单向驱动轮15两端设有棘爪16，棘爪16与棘轮9啮合连接。
如附图7所示，松紧调节装置3包括下固定套18、松紧调节装置底板19、调节旋钮20、松紧调节装置前盖21和弹性压紧片22，松紧调节装置3通过下固定套18穿戴固定在人体关节下部位，下固定套18与松紧调节装置底板19固定连接，松紧调节装置底板19上设置有弹性压紧片22，松紧调节装置底板19前侧设有松紧调节装置前盖21，调节旋钮20安装于松紧调节装置前盖21上，调节旋钮20受到弹性压紧片22的弹性力；调节旋钮20与松紧调节装置前盖21接触表面设有凹凸纹增加摩擦力；上固定套5和下固定套18均为松紧度可调节式固定套，可以调节松紧度从而穿戴固定在人体关节上下部位。
如附图8所示，调制发电机1不仅可以装备于人体膝关节，还可装备于人体四肢，增大输出功率。
使用时，将本发明所述的装置穿戴在上肢或下肢，使得调制发电机在上关节，松紧调节装置在下关节，柔顺牵引套处于基本张紧状态，调紧上固定套5和下固定套18使得调制发电机和松紧调节装置固定在上下关节；柔顺牵引套2及内嵌的高强度线4的张紧程度可以通过松紧调节装置3进一步调节，按压调节旋钮20，使之脱离松紧调节装置前盖21，从而可以旋转改变高强度线4的工作长度。人体走动、跑动或其他关节运动时，柔顺牵引套2及内嵌的高强度线4会随之松弛和张紧，当关节伸展时，柔顺牵引套2及内嵌的高强度线4张紧拉动增速齿轮14转动，增速齿轮14带动单向驱动轮15上小齿轮以更高频率转动，单向驱动轮15两端的棘爪16单向驱动棘轮9；当关节弯曲，增速齿轮14在复位弹簧17的作用下反向复位，尽管也使得单向驱动轮15反向转动，但单向驱动轮15两端的棘爪16会与棘轮9滑开，不产生反向作用力，单向驱动避免往复驱动导致的换向能量损失，有利于能量积蓄；棘轮9转动即转动盘8转动，转动盘8内嵌的滚珠随之滚压对应设置的压电叠堆，圆周阵列的滚珠进一步提升了激励频率，并且滚压的方式减小了摩擦力，也具有比较稳定的滚压力，压电叠堆受到滚压力产生变形从而因为压电效应而发电，圆周阵列的压电叠堆通过并联或串联可以直接使用或存储后备用。
本发明应用于对电磁比较敏感的工况，比如信息化集成单兵装备、身体植入或穿戴特殊医疗器件等，如果对电磁不敏感，调制发电机1也可以采用其他机电转换机制，如电磁感应、摩擦纳米发电，比如将所述转动盘7内嵌圆周阵列永磁体，发电组件10对应的内嵌圆周阵列发电线圈，使得调制发电机1通过永磁体和发电线圈电磁感应发电。
本发明针对目前人体能量采集装置高功率输出和人体舒适性不能兼顾的缺点，通过柔顺牵引套牵引关节驱动，不仅具有较大驱动力及较高功率输出，还克服了传统关节驱动对关节束缚大、摩擦损伤大的缺点，并且容易穿戴，柔顺牵引套还可以增强关节肌肉的支撑力从而保护关节。本发明设计符合人体工程学，可以便捷地穿戴和使用；采用柔顺牵引机制，通过柔顺牵引套收集关节运动的机械能，具有较高驱动力，并且关节部位无刚性约束、无硬物摩擦，不仅不影响人体舒适性和运动灵活性，还增强关节肌肉的支撑力，保护关节；设计了升频和单向旋转机构，减少传统往复运动机构复位的机械能量损失，提高机电转换效率；采用滚珠滚压压电发电方式可以应用于对电磁比较敏感的工况，圆周阵列滚珠进一步提升了激励频率，并且滚压的方式减小了摩擦力，也具有比较稳定的滚压力。
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种易穿戴柔顺关节运动发电机，其特征在于：包括调制发电机(1)、柔顺牵引套(2)和松紧调节装置(3)，所述调制发电机(1)、松紧调节装置(3)分别穿戴固定在人体关节上、下部位，所述柔顺牵引套(2)穿戴于人体关节部位，所述松紧调节装置(3)通过柔顺牵引套(2)内嵌的高强度线(4)与调制发电机(1)连接，所述松紧调节装置(3)用于调节柔顺牵引套(2)及内嵌的高强度线(4)的张紧程度，所述柔顺牵引套(2)及高强度线(4)在人体关节弯曲时松弛，在人体关节伸展时张紧并牵引驱动调制发电机(1)以带动调制发电机(1)发电。
2.如权利要求1所述的易穿戴柔顺关节运动发电机，其特征在于：所述调制发电机(1)包括上固定套(5)、发电机底板(6)、发电机前盖(7)、转动盘(8)、棘轮(9)、驱动组件(10)和发电组件(11)，所述调制发电机(1)通过上固定套(5)穿戴固定在人体关节上部位，所述上固定套(5)固定连接发电机底板(6)，所述发电机底板(6)前端罩设有发电机前盖(7)，且与发电机前盖(7)固定连接，所述发电机底板(6)上安装有转动盘(8)，所述转动盘(8)内腔设有棘轮(9)，所述发电机前盖(7)内侧安装有驱动组件(10)，所述棘轮(9)与驱动组件(10)啮合连接，所述驱动组件(10)与柔顺牵引套(2)内嵌的高强度线(4)连接，所述发电机前盖(7)与转动盘(8)对应设置有发电组件(11)。
3.如权利要求2所述的易穿戴柔顺关节运动发电机，其特征在于：所述转动盘(8)内嵌有滚珠(12)，所述发电组件(11)内嵌有压电叠堆(13)，所述滚珠(12)、压电叠堆(13)均沿圆周阵列布置，所述滚珠(12)随转动盘(8)滚压对应设置的压电叠堆(13)，所述压电叠堆(13)受到滚压力产生变形从而因压电效应而发电。
4.如权利要求2或3所述的易穿戴柔顺关节运动发电机，其特征在于：所述驱动组件(10)包括增速齿轮(14)、单向驱动轮(15)、棘爪(16)和复位弹簧(17)，所述增速齿轮(14)上设置有线轮并与高强度线(4)连接，所述增速齿轮(14)与复位弹簧(17)一端固定连接，所述增速齿轮(14)与单向驱动轮(15)上设置的小齿轮啮合连接，且增速齿轮(14)的齿数大于小齿轮齿数，所述单向驱动轮(15)两端设有棘爪(16)，所述棘爪(16)与棘轮(9)啮合连接。
5.如权利要求4所述的易穿戴柔顺关节运动发电机，其特征在于：所述松紧调节装置(3)包括下固定套(18)、松紧调节装置底板(19)、调节旋钮(20)、松紧调节装置前盖(21)和弹性压紧片(22)，所述松紧调节装置(3)通过下固定套(18)穿戴固定在人体关节下部位，所述下固定套(18)与松紧调节装置底板(19)固定连接，所述松紧调节装置底板(19)上设置有弹性压紧片(22)，所述松紧调节装置底板(19)前侧设有松紧调节装置前盖(21)，所述调节旋钮(20)安装于松紧调节装置前盖(21)上，所述调节旋钮(20)受到弹性压紧片(22)的弹性力。
6.如权利要求5所述的易穿戴柔顺关节运动发电机，其特征在于：所述调节旋钮(20)与松紧调节装置前盖(21)接触表面设有凹凸纹，所述凹凸纹用于增加摩擦力。
7.如权利要求5所述的易穿戴柔顺关节运动发电机，其特征在于：所述上固定套(5)和下固定套(18)均为松紧度可调节式固定套，并调节松紧度从而穿戴固定在人体关节上下部位。
8.如权利要求5所述的易穿戴柔顺关节运动发电机，其特征在于：所述调制发电机(1)上设有牵引线孔(23)，所述高强度线(4)穿过牵引线孔(23)与增速齿轮(14)的线轮固定连接并再绕线轮若干圈。
9.如权利要求1所述的易穿戴柔顺关节运动发电机，其特征在于：所述调制发电机(1)采用电磁感应发电或摩擦纳米发电。
10.如权利要求2所述的易穿戴柔顺关节运动发电机，其特征在于：所述转动盘(8)内嵌圆周阵列永磁体，所述发电组件10内嵌圆周阵列发电线圈，所述调制发电机(1)通过永磁体和发电线圈电磁感应发电。
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