CN113572307A - 一种用于能量收集的下肢外骨骼 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于能量收集的下肢外骨骼，包括发电机、增速机、离合器、大腿杆件和小腿杆件；所述大腿杆件的靠近膝盖的一端设置有导电摩擦环，所述小腿杆件的靠近膝盖的一端设置有导电摩擦片，当所述大腿杆件相对于所述小腿杆件运动到特定位置时，所述导电摩擦环和导电摩擦片接合；所述的离合器用于在所述的导电摩擦环和所述的导电摩擦片结合后，使所述的小腿杆件不能相对于所述的增速机的输出轴运动；而此时人的大腿和小腿相对运动，会通过所述的增速机带动所述的发电机运动，产生电能；所述的离合器还进一步用于在所述的导电摩擦环和所述的导电摩擦片分离后，使所述的发电机停止发电。

Description

一种用于能量收集的下肢外骨骼
技术领域
本发明涉及可再生能源领域，具体涉及一种能够回收人体能量的下肢外骨骼。
背景技术
随着科技的发展，移动电子设备具有广泛的应用。然而，这些设备的移动供电问题一直是个相当大的挑战。目前的方法是通过手摇式发电机等设备进行人力发电，但是这会额外消耗人的生物能，使人产生劳累感。因此，有必要寻找一种新的移动发电方法，在不额外消耗人的生物能的同时还能发电。
发明内容
因此，本发明提供了一种用于能量收集的下肢外骨骼，其通过大腿杆件和小腿杆件分别和人的大腿和小腿相连接，通过控制离合器来控制发电机在膝关节运动的特定时期接入和断开，发电机接入会产生电能，并对膝关节产生电阻尼力，帮助膝关节减速，进而降低生物能消耗。
本发明的具体技术方案是：
一种用于能量收集的下肢外骨骼，包括：发电机、增速机、离合器、大腿杆件和小腿杆件；所述发电机的输入端与所述的增速机连接，通过所述的增速机带动所述的发电机运动并产生电能；所述增速机的输出轴通过第一轴承和所述大腿杆件连接，所述增速机的输出轴通过第二轴承和所述小腿杆件连接；所述的大腿杆件和人的大腿固定连接；所述的小腿杆件和人的小腿固定连接；所述大腿杆件的靠近膝盖的一端设置有导电摩擦环，所述小腿杆件的靠近膝盖的一端设置有导电摩擦片，当所述大腿杆件相对于所述小腿杆件运动到特定位置时，所述导电摩擦环和导电摩擦片接合；所述的离合器用于在所述的导电摩擦环和所述的导电摩擦片结合后，使所述的小腿杆件不能相对于所述的增速机的输出轴运动；而此时人的大腿和小腿相对运动，会通过所述的增速机带动所述的发电机运动，产生电能；所述的离合器还进一步用于在所述的导电摩擦环和所述的导电摩擦片分离后，使所述的发电机停止发电。
优选地，所述的离合器包括电池、推拉电磁铁、齿轮和齿轮卡；所述的齿轮卡安装所述推拉电磁铁的推杆上；所述导电摩擦环通过导线和所述电池的一极相连，所述电池的另一极通过导线和所述推拉电磁铁的电源端一极相连，所述推拉电磁铁的电源端另一极通过导线和所述导电摩擦片相连；当所述导电摩擦环和所述导电摩擦片结合后，所述的电池接入所述的推拉电磁铁，电池向推拉电磁铁供电，使得所述的推拉电磁铁将所述的齿轮卡推入所述齿轮的齿轮槽中。
所述的齿轮通过键和所述增速机的输出轴连接，当所述的齿轮卡被推入所述齿轮的齿轮槽中时，所述的小腿杆件不能相对于所述增速机的输出轴运动；而此时人的大腿和小腿相对运动，会通过所述的增速机带动所述的发电机运动，产生电能。
所述的导电摩擦环和所述的导电摩擦片分离后，所述的推拉电磁铁失电复位，所述的齿轮卡离开所述齿轮的齿轮槽，所述的发电机停止发电。
具体而言，所述增速机的输出轴通过第一轴承和所述的大腿杆件连接，所述增速机的输出轴还通过第二轴承和所述的小腿杆件连接；当所述的齿轮卡和所述齿轮的齿轮槽分离时，所述的小腿杆件能够相对所述的大腿杆件自由转动；所述的大腿杆件和所述的小腿杆件之间设置有第一轴套，所述的第一轴套用于分隔所述的大腿杆件和所述的小腿杆件；所述的小腿杆件和所述的齿轮之间设置有第二轴套，所述的第二轴套用于分隔所述的小腿杆件和所述的齿轮。
所述增速机的输出轴的末端连接有卡环，所述的卡环用于起锁定作用，防止所述的大腿杆件和所述的小腿杆件在所述增速机的输出轴上做轴向运动。
具体而言，所述导电摩擦环的位置和长度与膝关节做负功时的关节角有关；当膝关节在行走摆动相开始做负功时，所述的导电摩擦环开始和所述的导电摩擦片接合；当膝关节在行走摆动相结束做负功时，所述的导电摩擦环结束和所述的导电摩擦片接合。
所述的推拉电磁铁通过推拉电磁铁座安装固定在小腿杆件上；所述的电池固定在所述的小腿杆件上。
优选地，所述发电机的输出端和一个二极管连接，当膝关节处于伸腿运动且所述的导电摩擦环和所述的导电摩擦片接合时，所述的二极管导通发电机发电产生的电流；当膝关节处于曲腿运动而所述的导电摩擦环和所述的导电摩擦片接合时，所述的二极管隔断发电机发电产生的电流，从而确保所述的下肢外骨骼在合适的步态时机发电，消除不正确发电时机产生的电阻尼对膝关节运动的影响。
进一步优选地，所述的用于能量收集的下肢外骨骼还包括大腿魔术贴和小腿魔术贴，所述的大腿魔术贴用于将所述的大腿杆件与人的大腿固定连接；所述的小腿魔术贴用于将所述的小腿杆件与人的小腿固定连接。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
本发明所述的用于能量收集的下肢外骨骼能够利用安装在大腿杆件的导电摩擦环和安装在小腿杆件的导电摩擦片在特定运动时期的接触和分离，实现步态相位开关的作用，进而控制发电机是否发电。当发电时机合适，如膝关节做负功时，本发明所述的用于能量收集的下肢外骨骼可以收集膝关节运动的耗散动能进行发电，并辅助膝关节相关肌肉做负功，降低生物能消耗。
附图说明
图1是本发明所述的用于能量收集的下肢外骨骼的整体结构示意图。
图2是本发明所述的用于能量收集的下肢外骨骼的剖面示意图。
图3是本发明所述的用于能量收集的下肢外骨骼穿戴在人腿上的示意图。
图中：1-发电机；2-增速机；3-导电摩擦环；4-大腿杆件；5-导电摩擦片；6-电池；7-小腿杆件；8-推拉电磁铁；9-齿轮卡；10-齿轮；11-卡环； 12-推拉电磁铁座；13-二极管；14-第一轴承；15-第二轴承；16-第一轴套； 17-第二轴套；18-大腿魔术贴；19-小腿魔术贴。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。
如图1、图2和图3所示，一种用于能量收集的下肢外骨骼，包括发电机1、增速机2、导电摩擦环3、导电摩擦片5、离合器、大腿杆件4、小腿杆件7、大腿魔术贴18和小腿魔术贴19等。所述离合器包括电池6、推拉电磁铁8、齿轮10 和齿轮卡9。
所述大腿魔术贴18和小腿魔术贴19将所述大腿杆件4和所述小腿杆件 7分别和人的大腿和小腿固定连接。所述大腿杆件4靠近膝盖的一端设置有所述的导电摩擦环3，所述小腿杆件7靠近膝盖的一端设置有导电摩擦片5，当所述大腿杆件4相对于所述小腿杆件7运动到特定位置时，所述导电摩擦环3和导电摩擦片5接合。
所述导电摩擦环3通过导线和固定在所述小腿杆件7的电池6的一极相连，所述电池6的另一极通过导线和所述推拉电磁铁8的电源端一极相连，所述推拉电磁铁8的电源端另一极通过导线和所述导电摩擦片5相连。当所述导电摩擦环3和所述导电摩擦片5结合后，电池6接入推拉电磁铁8，电池向推拉电磁铁供电，使得推拉电磁铁8将安装在其推杆上的齿轮卡9推入所述齿轮10的齿轮槽中，使得小腿杆件和增速机的输出轴固定连接。由于增速机的固定端和大腿杆件固定连接，膝关节将经由增速机带动发电机发电。直到导电摩擦环和导电摩擦片分离，齿轮卡和齿轮分离，发电机停止发电。发电产生的阻尼力代替下肢肌肉做功，从而减少人运动时的生物能支出。
所述推拉电磁铁8通过推拉电磁铁座12安装固定在小腿杆件7上。
所述齿轮10通过键和增速机2的输出轴连接，当所述齿轮卡9被推入所述齿轮10的齿轮槽中时，所述小腿杆件7不能相对于所述增速机2的输出轴运动。而此时人的大腿和小腿相对运动，会通过增速机2带动发电机1运动，产生电能。
所述导电摩擦环3和所述导电摩擦片5分离后，推拉电磁铁8失电复位，所述齿轮卡9离开所述齿轮10的齿轮槽，发电机停止发电。
具体而言，所述增速机2的输出轴通过第一轴承14和所述大腿杆件4 连接，通过第二轴承15和所述小腿杆件7连接。当齿轮卡9和齿轮10的齿轮槽分离时，所述小腿杆件7可相对所述大腿杆件4自由转动。所述第一轴套16用于分隔所述大腿杆件4和小腿杆件7，所述第二轴套17用于分割所述小腿杆件7和齿轮10。所述卡环11连接在所述增速机2的输出轴的末端，起锁定作用，防止大腿杆件4和小腿杆件7在增速机2的输出轴上的轴向运动。
具体而言，所述的导电摩擦环3的位置和长度与膝关节做负功时的关节角有关。当膝关节在行走摆动相开始做负功时，所述导电摩擦环3开始和所述导电摩擦片5接合；当膝关节在行走摆动相结束做负功时，所述导电摩擦环3结束和所述导电摩擦片5接合。
具体而言，所述发电机1的输出端和一个二极管13连接，当膝关节处于伸腿运动且导电摩擦环3和导电摩擦片5接合时，所述二极管13导通发电机发电产生的电流；当膝关节处于曲腿运动而导电摩擦环3和导电摩擦片5接合时，所述二极管13隔断发电机发电产生的电流。如此确保下肢外骨骼在合适的步态时机发电，消除不正确发电时机产生的电阻尼对膝关节运动的影响。
根据上述说明书的揭示和指导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于能量收集的下肢外骨骼，其特征在于，所述的下肢外骨骼包括发电机、增速机、离合器、大腿杆件和小腿杆件；所述发电机的输入端与所述的增速机连接，通过所述的增速机带动所述的发电机运动并产生电能；所述增速机的输出轴通过第一轴承和所述大腿杆件连接，所述增速机的输出轴通过第二轴承和所述小腿杆件连接；所述的大腿杆件和人的大腿固定连接；所述的小腿杆件和人的小腿固定连接；所述大腿杆件的靠近膝盖的一端设置有导电摩擦环，所述小腿杆件的靠近膝盖的一端设置有导电摩擦片，当所述大腿杆件相对于所述小腿杆件运动到特定位置时，所述导电摩擦环和导电摩擦片接合；所述的离合器用于在所述的导电摩擦环和所述的导电摩擦片结合后，使所述的小腿杆件不能相对于所述的增速机的输出轴运动；而此时人的大腿和小腿相对运动，会通过所述的增速机带动所述的发电机运动，产生电能；所述的离合器还进一步用于在所述的导电摩擦环和所述的导电摩擦片分离后，使所述的发电机停止发电。
2.根据权利要求1所述的用于能量收集的下肢外骨骼，其特征在于，所述的离合器包括电池、推拉电磁铁、齿轮和齿轮卡；所述的齿轮卡安装所述推拉电磁铁的推杆上；所述的导电摩擦环通过导线和所述电池的一极相连，所述电池的另一极通过导线和所述推拉电磁铁的电源端一极相连，所述推拉电磁铁的电源端另一极通过导线和所述导电摩擦片相连；当所述导电摩擦环和所述导电摩擦片结合后，所述的电池接入所述的推拉电磁铁，电池向推拉电磁铁供电，使得所述的推拉电磁铁将所述的齿轮卡推入所述齿轮的齿轮槽中。
3.根据权利要求2所述的用于能量收集的下肢外骨骼，其特征在于，所述的齿轮通过键和所述增速机的输出轴连接，当所述的齿轮卡被推入所述齿轮的齿轮槽中时，所述的小腿杆件不能相对于所述增速机的输出轴运动；而此时人的大腿和小腿相对运动，会通过所述的增速机带动所述的发电机运动，产生电能。
4.根据权利要求3所述的用于能量收集的下肢外骨骼，其特征在于，所述的导电摩擦环和所述的导电摩擦片分离后，所述的推拉电磁铁失电复位，所述的齿轮卡离开所述齿轮的齿轮槽，所述的发电机停止发电。
5.根据权利要求4所述的用于能量收集的下肢外骨骼，其特征在于，所述增速机的输出轴通过第一轴承和所述的大腿杆件连接，所述增速机的输出轴还通过第二轴承和所述的小腿杆件连接；当所述的齿轮卡和所述齿轮的齿轮槽分离时，所述的小腿杆件能够相对所述的大腿杆件自由转动；所述的大腿杆件和所述的小腿杆件之间设置有第一轴套，所述的第一轴套用于分隔所述的大腿杆件和所述的小腿杆件；所述的小腿杆件和所述的齿轮之间设置有第二轴套，所述的第二轴套用于分隔所述的小腿杆件和所述的齿轮。
6.根据权利要求1所述的用于能量收集的下肢外骨骼，其特征在于，所述增速机的输出轴的末端连接有卡环，所述的卡环用于起锁定作用，防止所述的大腿杆件和所述的小腿杆件在所述增速机的输出轴上做轴向运动。
7.根据权利要求1所述的用于能量收集的下肢外骨骼，其特征在于，所述导电摩擦环的位置和长度与膝关节做负功时的关节角有关；当膝关节在行走摆动相开始做负功时，所述的导电摩擦环开始和所述的导电摩擦片接合；当膝关节在行走摆动相结束做负功时，所述的导电摩擦环结束和所述的导电摩擦片接合。
8.根据权利要求2所述的用于能量收集的下肢外骨骼，其特征在于，所述的推拉电磁铁通过推拉电磁铁座安装固定在小腿杆件上；所述的电池固定在所述的小腿杆件上。
9.根据权利要求1所述的用于能量收集的下肢外骨骼，其特征在于，所述发电机的输出端和一个二极管连接，当膝关节处于伸腿运动且所述的导电摩擦环和所述的导电摩擦片接合时，所述的二极管导通发电机发电产生的电流；当膝关节处于曲腿运动而所述的导电摩擦环和所述的导电摩擦片接合时，所述的二极管隔断发电机发电产生的电流，从而确保所述的下肢外骨骼在合适的步态时机发电，消除不正确发电时机产生的电阻尼对膝关节运动的影响。
10.根据权利要求1所述的用于能量收集的下肢外骨骼，其特征在于，所述的用于能量收集的下肢外骨骼还包括大腿魔术贴和小腿魔术贴，所述的大腿魔术贴用于将所述的大腿杆件与人的大腿固定连接；所述的小腿魔术贴用于将所述的小腿杆件与人的小腿固定连接。
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