1、目 录第 1 章 绪论 .31.1 课题背景 .31.1.1 胯关节运动能量收集器的设计背景 .31.1.2 能量收集装置的基本知识 .31.2 胯关节能量收集器的设计内容及需解决的问题 .31.2.1 胯关节能量收集器的设计内容 .31.2.2 胯关节能量收集器需解决的问题 .41.2.3 拟采取的技术方案及思路 .41.2.4 特色或创新之处 .51.2.5 课题的学术价值或实际应用价值 .5第 2 章 胯关节能量收集器的结构设计 .72.1 胯关节运动能量收集器的总体方案设计 .72.1.1 总体方案的原理性设计 .72.2 胯关节运动能量收集装置的各部分零件设计 .92.2.1、单向齿
2、轮的零件设计 .92.2.3、齿轮加速速机构的零件设计 .172.2.4 摇柄的设计 .182.2.5 其他齿轮的设计 .192.2.5 外壳的设计 .212.3 胯关节能量收集器各零件组装示意 .242.4 塑料零件的设计要点 .25第 3 章 胯关节能量收集器电路设计 .283.1 直流电动机的选取 .283.1.1 直流发电机的工作原理 .283.1.2 直流发电机相关参数的计算 .303.2 电路图的设计 .313.2.1 发电机稳压电路的设计 .313.2.2 发电机给手机充电电路的设计 .313.2.3 发电机给 5 号充电电池充电的电路图 .333.2.4 电池电量显示电路 .3
3、73.2.5 总电路 .38致谢 .41参考文献 .42第一章 绪论1.1 课题背景1.1.1 胯关节运动能量收集器的设计背景发电地板：东日本铁路公司发明了一种“发电地板” ，将于东京站试验。这种发电地板将人行走时产生的能量转化为可供使用的电能。 （08 年 1 月）发电地毯:研究人员在德国利用摩擦生电的原理成功发明了一种“发电”地毯。这种地毯的花纹是利用发电线圈巧妙编织的，改变了人们对于传统发电线圈的认知。刚人踩在地毯的“花纹”上时，地毯即能发电。地毯使用导线连接，可为电视，空调，热水器等用电器进行供电，也可将电能储存于蓄电池中，绿色安全，美观可靠。(08 年 3 月)发电鞋：美国的研究人员
4、发明了一种发电鞋，将可将人体运动能量转化为电能的发电装置放于运动鞋内，在人体运动时发出电量，可为 MP3，手机能随身携带的电子用电器充电。 （11 年 9 月）膝关节活动发电装置：英国研究人员研发了一种新型发电装置，该装置固定于人的小腿和大腿之上，膝关节来回摆动时带动发电装置发电，可为手机，随身听等小型用电器充电。该装置应用前景广阔，已得到了军方的研发支持。该装置设计小巧，便于携带。 （12 年 6 月） 。脚踏发电装置：美国某公共交通公司，发明了一种踏板发电装置，安放在公共场所，利用来往行人的踩踏发出电量。研究人员将踏板装于该装置上，踏板下方连一摇杆，摇杆可绕一个方向绕发电机旋转，当人踩在踏
5、板上时，摇杆被推动，从而带动发电机转子旋转发出电量。另一种设计是在踏板下按放橡皮储水器，各个储水器依次相连并连接一水轮发电机。当有重物在踏板上时，橡皮储水器被压缩，内部水高速流动，最终推动水轮发电机转子旋转，发出电量。1.1.2 能量收集装置的基本知识能量收集装置主要是将机械能、风能、热能等转化成电量储存起来为人们所使用。最常见的是把机械能转化为电能，主要是由一定机械装置将原动力元件和小型的发电装置连接起来，再通过整流电路将电量输送到蓄电池中。1.2 胯关节能量收集器的设计内容及需解决的问题1.2.1 胯关节能量收集器的设计内容如何从人的行走过程中收集能量，最为直接的是将人体运动时的机械能转换
6、成电能并储存起来。人体活动幅度比较大的关节有肩关节，肘关节，胯关节和膝关节。而与行走关系比较密切的是膝关节与跨关节。在正常行走时，胯关节的运动幅度和大腿与腰之间的肌肉力量都较膝关节的要大很多。从上述的分析中我可以肯定选择胯关节来提供能量是最合理的。人在行走过程中，胯关节的运动是有规律的来回摆动，因此，发电装置可用摆杆机构驱动。摆杆运动不能直接用在发电机上，要将其进行转化，这就是这一步要研究的内容，摆杆运动的转动角度有限不能使发电机有效的转动来产生电能，需要用齿轮将小幅度的转动转化成快速有效的运动。发电机有 3 种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。现在市场上流通的直流发电机有很多种
7、，有体积小，价格便宜，发电量充足的特点，因此选用小型的直流发电机。结合实际应用，即将发电机所发的电能有效的利用或储存。我的设计是：（1） 当手机没电时，可直接给手机充电。（2） 当手机不需充电时，可给 5 号充电电池充电。1.2.2 胯关节能量收集器需解决的问题如何从人体行走过程中获取能量，通过上述的分析，我利用胯关节运动的机械能转化成电能获取能量。摆杆机构的运动是有规律的往复摆动，无法直接应用于发电机上，要将其转化，使之能够使发电机转动发电。人行走时大腿的摆动方向是变化的，而要使发电机得到持续稳定的电流必须使发电机转子的转向一致。所以必须设计一种结构使得不论摆杆朝那股方向摆动发电机转子的转向
8、都一致。发电机也是研究的重要问题，由于此装置有体积小，动力小的特点，因此发电机要满足该特点。电路的设计必须合理，及能满足手机充电的条件，又能满足充电电池充电的条件，最好有指示灯能够显示电量。贮能电路以及转化电路也是要研究的对象，主要是如果将发电机不稳定的电流转化成稳定的电流以供人们使用。1.2.3 拟采取的技术方案及思路如何从人的行走过程中收集能量，最为直接的是将人体运动时的机械能转换成电能并储存起来。人体活动幅度比较大的关节有肩关节，肘关节，胯关节和膝关节。而与行走关系比较密切的是膝关节与跨关节。在正常行走时，胯关节的运动幅度和大腿与腰之间的肌肉力量都较膝关节的要大很多。从上述的分析中我可以
9、肯定选择胯关节来提供能量是最合理的。摆杆机构的运动是有规律的往复摆动，无法直接应用于发电机上，要将其转化，使之能够使发电机转动发电。本装置采用齿轮机构传动，并采用加速机构保证发电机的转速达到一定的要求，发出更多的电量。人行走时大腿的摆动方向是变化的，而要使发电机得到持续稳定的电流必须使发电机转子的转向一致。所以必须设计一种结构使得不论摆杆朝那股方向摆动发电机转子的转向都一致。该装置的措施是内部传动结构采用一个双单向齿轮结构，用双单向齿轮使摆杆摆动的两个方向互不影响且都能使发电机转子朝一个方向转动，从而产生比普通发电机构多于两倍的电能。选用体积小发电能力可靠的直流发电机，由于齿轮传动设计有加速机
10、构可保证电机转速从而保证发电量。1.2.4 特色或创新之处现阶段存在的或在使用阶段的能量收集装置，主要是手摇发电器，风力发电装置，较高级的有膝关节能量收集装置等。他们的缺点是不便携，没有最大程度的收集人在动时的机械能，并将其转化为电能。膝关节在走路时的弯曲幅度较小，是辅助弯曲，发出的电量比较有限。胯关节是人们在行走时运动幅度和力度最大的部位，并且将发电装置放在腰间也是比较舒适的。这是本设计的一大创新。第二大创新之处是本设计内部的动电能机械转化机构，内部传动结构采用一个双单向齿轮结构，不论摆杆朝那股方向摆动发电机转子的转向都一致。该装置的措施是内部传动结构采用一个双单向齿轮结构，用双单向齿轮使摆
11、杆摆动的两个方向互不影响且都能使发电机转子朝一个方向转动，从而产生比普通发电机构多于两倍的电能。另外，该装置的电能利用和储存方式较为实用，包括以下两方面的功能：（1） 当手机没电时，可直接给手机充电。（2） 当手机不需充电时，可给 5 号充电电池充电。1.2.5 课题的学术价值或实际应用价值实际应用：(1）在日常生活中人们散步、跑步的同时可以将人的胯关节运动的动能转化为电能储存起来，并且可以直接给手机、MP3、MP4 等日常用品的电池充电。(2)在野外考察、科研时，往往因为条件有限无法得到日常使用的交流或直流电源，特别是如果遇到紧急情况而且通信设备却电量不足，此时急需一种方便快捷的获取电能的方
12、法。这时就可以用到胯关节运动能量收集装置了，它可以为简单的通信设备充电，以满足当务之急。应用价值：（1）胯关节运动能量的收集可以缓解现在人们对电能的需求。（2）胯关节运动能量的收集可以为人们的日常生活提供便利，比如说人们可以一边散步一边听音乐而不用担心自己的 MP3 会没电。（3）胯关节运动能量收集装置最大的价值体现在当人们在野外考察探险时可以用此装置产生电能，满足在没有常用充电设备时对电能的需要。第二章 胯关节能量收集器的结构设计2.1 胯关节运动能量收集器的总体方案设计2.1.1 总体方案的原理性设计原理性结构本设计的采用齿轮传动机构，其中增速机构可保证发电机能够达到一定的转速从而发出足够
13、的电量。双单向齿轮机构可保证人在行走时无论腿向前摆动还是向后摆动都能使发电机朝一个方向转动，从而提高效率发出更多电能。该装置的齿轮机构如图 2-1 所示。人行走时，腿做往复的摆动，带动原动力齿轮来回转动，并由三个加速齿轮提升转速，传送扭矩到单向齿轮 1。当腿向前摆动时，单向齿轮 1 逆时针转动，并带动轴旋转，轴上的小齿轮与发电机上的小齿轮啮合从而带动发电机转子旋转发电机开始发电，此时单向齿轮 2 为顺时针旋转，为空转，并不带动轴旋转。当腿向后摆动时，单向齿轮 1 顺时针转动为空转，不带动轴转动，单向齿轮 2 逆时针转动开始工作，带动轴转动，发出电量来。综上所述，不论是行走时向前摆腿还是向后摆腿
14、，两个单向齿轮所在的轴总是逆时针旋转，从而保证发电机转子总是顺时针旋转。图 2-1 机构原理图7 单向齿轮 21 原动力齿轮2 加速齿轮 13 加速齿轮24 加速齿轮35 单向齿轮1发电机6 传动齿轮三维建模根据所设计的机构原理，用 ug 制作三维结构模型如图 2-2 所示图 2-2胯关节能量收集装置的放置（1）整体放置胯关节的运动过程中获得最大限度的能量，胯关节是人们在行走时运动幅度和力度最大的部位，并且将发电装置放在腰间也是比较舒适的，这样可以最大限度的获得人们行走时产生的动能，其放置方式如图 2-3 所示。图 2-3 胯关节能量收集器的放置原动力齿轮加速齿轮单向齿轮 2单向齿轮 1外壳摇
15、杆（2）连接在该装置外壳上有专供腰带穿过的腰带连接孔，在摇杆上有专供绑带穿过的孔，可借此稳固的附着于人体上，如图 2-4图 2-4传动比的计算原动力齿轮的齿数为 72，人走路时腿前后摆动的幅度大约为 60 度，因此原动力齿轮工作部分的齿数为 12。传动比 n= = =3286427531ZZ2418式中 Z1 为原动力齿轮工作部分齿数 12，Z2 为加速齿轮 1 小齿轮齿数 12，Z3为加速齿轮 1 大齿轮齿数 48，Z4 为加速齿轮 2 小齿轮齿数 12，Z5 加速齿轮 2 大齿轮齿数 48，Z6 为加速齿轮 3 小齿轮齿数 12，Z7 为加速齿轮 3 大齿轮齿数 48，Z8为单向齿轮 1 齿数 24。2.2 胯关节运动能量收集装置的各部分零件设计2.2.1 单向齿轮的零件设计双单向齿轮机构可保证人在行走时无论腿向前摆动还是向后摆动都能使发电机朝一个方向摆动，从而提高效率发出更多电能。其内部构造主要为棘轮机构。单向齿轮是该装置实现电机转子单向旋转的主要零件。主要通过棘轮系统实现单向旋转的功能。与轴是过盈配合，通过轴肩和轴套定位。1.齿轮 1 的结构设计单向齿轮 1 的齿数 24 为模数为 1 如图 2-5 所示图 2-5(1)棘爪的设计棘爪需要绕棘爪轮转动，要有一个轴以便棘爪能够转动，由弹簧使棘爪复位。如图棘爪零件图 2-6 所示。
