CN115253153A - 一种基于电磁感应的能量可回收等速肌力训练装置 - Google Patents
一种基于电磁感应的能量可回收等速肌力训练装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115253153A CN115253153A CN202210874730.9A CN202210874730A CN115253153A CN 115253153 A CN115253153 A CN 115253153A CN 202210874730 A CN202210874730 A CN 202210874730A CN 115253153 A CN115253153 A CN 115253153A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- energy
- speed
- training instrument
- constant
- regeneration
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000011084 recovery Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 title claims abstract description 14
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 title claims abstract description 13
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 claims abstract description 37
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 claims abstract description 33
- 238000012549 training Methods 0.000 claims abstract description 29
- 230000003189 isokinetic effect Effects 0.000 claims abstract description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 4
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims abstract description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims 2
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 4
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 abstract description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 4
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005021 gait Effects 0.000 description 2
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 241000283070 Equus zebra Species 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 210000003141 lower extremity Anatomy 0.000 description 1
- 230000002503 metabolic effect Effects 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000399 orthopedic effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
- A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
- A63B21/00—Exercising apparatus for developing or strengthening the muscles or joints of the body by working against a counterforce, with or without measuring devices
- A63B21/005—Exercising apparatus for developing or strengthening the muscles or joints of the body by working against a counterforce, with or without measuring devices using electromagnetic or electric force-resisters
- A63B21/0051—Exercising apparatus for developing or strengthening the muscles or joints of the body by working against a counterforce, with or without measuring devices using electromagnetic or electric force-resisters using eddy currents induced in moved elements, e.g. by permanent magnets
- A63B21/0052—Exercising apparatus for developing or strengthening the muscles or joints of the body by working against a counterforce, with or without measuring devices using electromagnetic or electric force-resisters using eddy currents induced in moved elements, e.g. by permanent magnets induced by electromagnets
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/32—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from a charging set comprising a non-electric prime mover rotating at constant speed
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Physical Education & Sports Medicine (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Rehabilitation Tools (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于电磁感应的能量可回收等速肌力训练装置，属于传感器技术领域。该装置包括一个等速训练仪和一种特制的能量回收电路。等速训练仪与座椅固连在一起，人可以坐在座椅上通过屈腿和伸腿操控执行机构(executing agency)移动，能量回收电路与等速训练仪相连接。等速训练仪的核心是能大范围的随着人的肌力变化而不断变化，从而能使关节快速稳定在指定角速度的制动装置。能量回收电路的核心是建立动态/反接电能再生的数学模型，并基于此提出混合电能再生方案，利用动态电能再生/反接电能再生各自特点，满足制动扭矩前提下，实现能量高效利用。该电路在等速训练仪工作的过程中，将本将耗散的能量回收储存在超级电容器中，并能达到百分之百的能量回收效率，大幅提高了能量利用效率。
Description
技术领域
此设计属于传感器技术领域，能在下肢康复设备工作的过程中，将等速训练中人体的机械能转化为电能储存在电容中，实现能量的回收利用，涉及一种基于电磁感应的能量可回收等速肌力训练装置。
背景技术
等速训练技术被认为是评估肌肉最准确、最客观技术之一，同时也是训练肌肉最安全、最高效的技术之一。它是指无论使用者使用多大的力，肌肉的运动始终在一定速度下匀速运行。
如今等速设备已经在神经科、骨科等方面做出了巨大贡献。随着医疗水平的不断提高，人们可以借助可穿戴机器人设备来协助治疗，辅助康复机器人越来越普及。可穿戴机器人设备通常需要电能，如果我们能在其工作的过程中收集机械能，并将其转换为电能，直接为这些设备充电，将显著提高能量的利用效率。
对于能量的回收利用，有几项研究集中于在早期和中期站立阶段添加弹簧以储存能量，并在后期站立阶段释放能量以推动截肢者，也有利用具有50N·m 附加扭矩的碳纤维钢板弹簧结构，在早期支撑阶段收集机械能，并在后期支撑阶段释放收集的能量等等方式。以上方式增加额外的机械结构可能导致代谢成本支出增加。因此，本文介绍了如何在没有额外机械结构的情况下利用大量电能。
等速技术和能量回收技术的结合可以减少治疗成本，促进医疗事业的发展。
发明内容
本发明以等速训练仪为主体，在使用过程中，将其视为发电机发电，通过一定电路回收部分能量储存在电容中，提高能量利用率。本文所指的基于电磁感应的能量可回收等速肌力训练装置，包括座椅、等速训练仪以及能量回收装置。
等速训练仪与座椅固连在一起，人可以坐在座椅上通过屈腿和伸腿操控执行机构(executing agency)移动，能量回收电路与等速训练仪相连接。
等速训练仪的核心是能大范围的随着人的肌力变化而不断变化，从而能使关节快速稳定在指定角速度的制动装置。
等量回收装置：根据电磁感应理论，开发了电动势(EMF)。根据预定义的占空比打开/关闭的六个场效应管用作EMF逆变器。反向电流流入超级电容器。为了提高能源效率，建立了两级再生方法。设置低压侧再生是为了避免在降压电路的传输中浪费能量。设置高压侧再生是为了确保超级电容器的电压超过额定电压时的安全。对于使用等速训练仪的人，总功率等于电池功率加上持续的低端再生功率加上离散的高端再生功率。
核心电路介绍如下：
其重点内容是建立动态/反接电能再生的数学模型，并基于此提出混合电能再生方案，采用的研究方法和可行性方案如下：
动态电能方法可提供高效电能再生，但动态能量再生方法速度与电机扭矩具有正相关性，当电机转速增大时对应电机扭矩也会相应增大，相反当电机转速减小时对应电机扭矩也会相应减小。动态电能再生方案很难处理低转速大扭矩情况，而本项目采用的反接电能再生方案，通过主动电流控制可有效解决低转速大扭矩问题，动态/反接电能再生原理如附图2所示。
首先，针对动态电能再生方法进行理论分析，可首先为其建立常微分方程，当低侧MOSFET(S2、S4)处于ON状态时，常微分方程如下，
当低侧MOSFET(S2、S4)处于OFF状态时，常微分方程如下，
同理，可建立反接电能再生常微分方程，
当MOSFET(S2、S3)处于ON时，常微分方程如下，
当MOSFET(S2、S3)处于OFF时，常微分方程如下，
根据动态/反接电能再生常微分方程，假设流过电感电流
同时简化方程将Ra＝Rb＝Rs1-s6＝0，UFD1-FD4＝0，
可推导出Eb-Ea与ON/OFF时间占比的关系，验证其电能再生方案正确性。根据常微分方程建立模型实现仿真实验，验证其控制策略可行性，并分析其影响因素。
根据动态/反接电能再生理论分析，研究动态电能再生/反接电能再生高效切换。动态电能再生能量利用效率较高，但在低速转动情况下，动态电能再生难以实现较大制动力矩。反接电能再生在低速转动情况下，可实现不超过其最大堵转力矩制动力矩，但因为需要接入外部能量源，能效利用效率较低。本项目利用动态电能再生/反接电能再生各自特点，满足制动扭矩前提下，实现能量高效利用。本项目结合前后关键步态事件进行步态相位估计，参考正常人生物力学特征，进行力矩/转速估计，建立能量再生决策模型，根据决策模型，确定采用动态电能再生或者反接电能再生或者混合电能再生(动态+反接交替)控制策略。
如附图1所示，本文所涉及的发明由等速训练仪和能量回收电路组成，等速训练仪主要由电机、电源组件和执行机构组成。它能够在帮助人体完成康复训练的同时实现能量的回收利用。
对于能量的完全回收或许有着更广泛的应用范围和广阔的发展前景。由以上说明可知，这种能量回收方式和扭矩有关，因此这项发明可以应用到很多种领域，我们只需将某种机器的实际工作将扭矩联系起来。例如健身房的各种器材、工业中应用的各种机器、公路上被压到的斑马线、新能源汽车、电动车的能量回收，汽车、火车等刹车时也可以回收耗散的能量，甚至可以应用于发电，例如水力发电、火力发电等等。
许多物体的停止过程都可以应用这种电路，在满足制动扭矩前提下实现能量高效利用。
大部分内燃机汽车在减速、制动过程中都会向外界以热能的形式耗散能量，而如果将上述电路与内燃机汽车结合，就可以将这部分能量利用动态电能再生/ 反接电能再生各自特点储存在超级电容器内部，并将其应用于启动等功能。内燃机汽车由于摩擦、碰撞产生的能量不可忽视，将其回收可大幅提高能量利用效率。工程机械也可同理应用。工程机械中的摩擦、碰撞既会损失能量，也会使机器老化、损坏，这部分能量在工程机械中的总驱动能量占比很高。此外还有特种设备例如电梯等等。
附图说明：
图1为本发明中基于电磁感应的能量可回收等速肌力训练装置的基本结构示意图；
图2为能量回收电路中动态/反接电能再生原理示意图；
一种基于电磁感应的能量可回收等速肌力训练装置，其原理为：使用者主动发力使等速训练仪以一定速度运动，超级电容器通过人体动力学从电磁感应中获取电能。收集的能量按层次供应给等速训练仪，实现能量的回收利用，提高能量的利用率。通过理论分析，本发明能实现能量百分之百的回收利用，对节能有很重要的意义。
本发明将等速训练仪与电磁感应结合，在没有额外机械结构的情况下回收了本将耗散的能量，理论上能达到百分之百的回收效率，既实现了帮助患者康复的功能，又达到了节能的目的。
Claims (4)
1.一种基于电磁感应的能量可回收等速肌力训练装置，其特征在于，该装置包括一个等速训练仪和一个能量回收电路。等速训练仪工作时，能量回收电路回收本将以热能形式耗散的能量，储存在超级电容内部，实现能量的回收利用。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应的能量可回收等速肌力训练装置，其特征在于，等速训练仪与座椅固连在一起，人可以坐在座椅上通过屈腿和伸腿操控执行机构(executing agency)移动，能量回收电路与等速训练仪相连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于光通路的柔性可拉伸可穿戴传感器，其特征在于，动态电能方法可提供高效电能再生，但动态能量再生方法速度与电机扭矩具有正相关性，当电机转速增大时对应电机扭矩也会相应增大，相反当电机转速减小时对应电机扭矩也会相应减小。动态电能再生方案很难处理低转速大扭矩情况，而本项目采用的反接电能再生方案，通过主动电流控制可有效解决低转速大扭矩问题。
4.根据权利要求1所述的一种基于光通路的柔性可拉伸可穿戴传感器，其特征在于，工作原理为：使用者主动发力使等速训练仪以一定速度运动，超级电容器通过人体动力学从电磁感应中获取电能。收集的能量按层次供应给等速训练仪，实现能量的回收利用，提高能量的利用率。通过理论分析，本发明能实现能量百分之百的回收利用，对节能有很重要的意义。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210874730.9A CN115253153A (zh) | 2022-07-22 | 2022-07-22 | 一种基于电磁感应的能量可回收等速肌力训练装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210874730.9A CN115253153A (zh) | 2022-07-22 | 2022-07-22 | 一种基于电磁感应的能量可回收等速肌力训练装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115253153A true CN115253153A (zh) | 2022-11-01 |
Family
ID=83770070
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210874730.9A Pending CN115253153A (zh) | 2022-07-22 | 2022-07-22 | 一种基于电磁感应的能量可回收等速肌力训练装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115253153A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117504239A (zh) * | 2024-01-04 | 2024-02-06 | 北京航空航天大学 | 自供电等速训练下肢肌力康复机器人 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0418995A1 (en) * | 1989-09-21 | 1991-03-27 | Isuzu Motors Limited | Energy recovery system for motor vehicle |
| CN1077925A (zh) * | 1992-04-30 | 1993-11-03 | 赵杰 | 智能型电动轿车的控制系统 |
| US20020177929A1 (en) * | 2001-03-27 | 2002-11-28 | General Electric Company | Hybrid energy power management system and method |
| CN1626370A (zh) * | 2003-12-08 | 2005-06-15 | 上海汇众汽车制造有限公司 | 电机蓄能式主动悬架 |
| CN103241126A (zh) * | 2013-05-13 | 2013-08-14 | 江苏大学 | 一种电动汽车制动能量回收系统 |
| CN103754203A (zh) * | 2014-01-08 | 2014-04-30 | 同济大学 | 一种带机械式失效保护的电子液压制动系统 |
| CN203694524U (zh) * | 2014-01-07 | 2014-07-09 | 中国石油大学(华东) | 一种新型带能量回收装置的健腹轮 |
| CN204684572U (zh) * | 2015-06-12 | 2015-10-07 | 南京信息工程大学 | 一种手指肌力康复训练球 |
| CN209075956U (zh) * | 2018-07-23 | 2019-07-09 | 华北电力大学（保定） | 一种储能式健身车电磁阻尼器实验装置 |
| CN110957925A (zh) * | 2019-12-17 | 2020-04-03 | 武汉合康动力技术有限公司 | 一种车载隔离型应急双向dcdc系统 |
| CN111939525A (zh) * | 2020-09-01 | 2020-11-17 | 广州一康医疗设备实业有限公司 | 一种等速肌力训练系统及其控制方法 |
-
2022
- 2022-07-22 CN CN202210874730.9A patent/CN115253153A/zh active Pending
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0418995A1 (en) * | 1989-09-21 | 1991-03-27 | Isuzu Motors Limited | Energy recovery system for motor vehicle |
| CN1077925A (zh) * | 1992-04-30 | 1993-11-03 | 赵杰 | 智能型电动轿车的控制系统 |
| US20020177929A1 (en) * | 2001-03-27 | 2002-11-28 | General Electric Company | Hybrid energy power management system and method |
| CN1626370A (zh) * | 2003-12-08 | 2005-06-15 | 上海汇众汽车制造有限公司 | 电机蓄能式主动悬架 |
| CN103241126A (zh) * | 2013-05-13 | 2013-08-14 | 江苏大学 | 一种电动汽车制动能量回收系统 |
| CN203694524U (zh) * | 2014-01-07 | 2014-07-09 | 中国石油大学(华东) | 一种新型带能量回收装置的健腹轮 |
| CN103754203A (zh) * | 2014-01-08 | 2014-04-30 | 同济大学 | 一种带机械式失效保护的电子液压制动系统 |
| CN204684572U (zh) * | 2015-06-12 | 2015-10-07 | 南京信息工程大学 | 一种手指肌力康复训练球 |
| CN209075956U (zh) * | 2018-07-23 | 2019-07-09 | 华北电力大学（保定） | 一种储能式健身车电磁阻尼器实验装置 |
| CN110957925A (zh) * | 2019-12-17 | 2020-04-03 | 武汉合康动力技术有限公司 | 一种车载隔离型应急双向dcdc系统 |
| CN111939525A (zh) * | 2020-09-01 | 2020-11-17 | 广州一康医疗设备实业有限公司 | 一种等速肌力训练系统及其控制方法 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117504239A (zh) * | 2024-01-04 | 2024-02-06 | 北京航空航天大学 | 自供电等速训练下肢肌力康复机器人 |
| CN117504239B (zh) * | 2024-01-04 | 2024-04-02 | 北京航空航天大学 | 自供电等速训练下肢肌力康复机器人 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Pany et al. | Bidirectional DC-DC converter fed drive for electric vehicle system | |
| US20120168242A1 (en) | Regenerative braking method | |
| CN103313894B (zh) | 混合动力车辆及其控制方法 | |
| WO2006036930A1 (en) | System and method for reducing wheel slip and wheel locking in an electric vehicle | |
| CN115253153A (zh) | 一种基于电磁感应的能量可回收等速肌力训练装置 | |
| Feng et al. | Energy regeneration from electromagnetic induction by human dynamics for lower extremity robotic prostheses | |
| CN103241126A (zh) | 一种电动汽车制动能量回收系统 | |
| Kivanc et al. | On regenerative braking capability of BLDC motor | |
| Yang et al. | An electric gearshift with ultracapacitors for the power train of an electric vehicle with a directly driven wheel motor | |
| Arof et al. | Series motor four quadrants drive DC chopper | |
| Ren et al. | Harvesting the negative work of an active exoskeleton robot to extend its operating duration | |
| Zhang et al. | Research on regenerative braking energy recovery system of electric vehicles | |
| CN105626400B (zh) | 汽车轮胎内安装压力发电 | |
| CN113572307B (zh) | 一种用于能量收集的下肢外骨骼 | |
| CN201761374U (zh) | 一种新型自动双供清洁能源电动汽车 | |
| Abhale et al. | Review on regenerative braking methodology in electric vehicle | |
| Abraham et al. | Experimental Validation of a Constant Torque Variable Deceleration Regenerative Braking System for a Brushless DC Motor | |
| Liew et al. | Energy Regeneration System for Quasi-Direct Drive Actuated Knee Exoskeleton | |
| CN216682166U (zh) | 一种用于能量收集并能够降低生物能消耗的下肢外骨骼 | |
| CN210437178U (zh) | 混合动力电传动系统及轨道工程车 | |
| CN101041334A (zh) | 电动自行车 | |
| Azizi et al. | Motor and Regenerative Braking Operations for an Electric Vehicle using Field Oriented Control | |
| CN218003948U (zh) | 电动汽车复合能源系统制动能量回收实验台 | |
| CN108437777A (zh) | 一种电动车轮毂磁助力发电机装置 | |
| Ghaderi et al. | Power and propulsion systems design for an autonomous omni-directional mobile robot |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20221101 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |