【摘要】：人體發(fā)電裝置是一種可再生的有效電能供應(yīng)源,本文基于對人體運動機理的探究,針對人體發(fā)電裝置存在的慣性大、代謝消耗多、發(fā)電量小等研究難題,設(shè)計了一種輕質(zhì)量的膝關(guān)節(jié)發(fā)電裝置,通過實驗對比分析了單向區(qū)間發(fā)電與全區(qū)間發(fā)電模式,驗證了區(qū)間發(fā)電裝置設(shè)計的必要性和合理性。本文在完成輕量化設(shè)計的同時最大程度降低了裝置慣性力帶來的影響,在消耗更低代謝能量的情況下輸出更大的電量,使得本設(shè)計更具實用價值,也為被動外骨骼的設(shè)計提供了實例指導(dǎo)。本論文的主要工作包括:1)基于下肢運動實驗,分析運動過程中膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特征與正負功的作用情況,為區(qū)間發(fā)電建立理論支撐,并對發(fā)電裝置設(shè)計存在的慣性和質(zhì)量問題進行了探究,提出輕量化設(shè)計以及減低外骨骼慣性的指導(dǎo)思想。2)基于能量收集器與人體運動發(fā)電設(shè)計要求,提出“繩輪+滾珠絲杠副”傳動模型的輕量化設(shè)計思路,并設(shè)計出了全區(qū)間發(fā)電裝置與單向區(qū)間發(fā)電裝置,以及基于左右旋滾珠絲杠副的發(fā)電裝置,實現(xiàn)了高功率密度膝關(guān)節(jié)發(fā)電裝置的設(shè)計。3)對設(shè)計的模型進行動力學(xué)建模分析,分別建立了基于逆?zhèn)鲃舆\動方程的滾珠絲杠副傳動模型,以及基于動量守恒方程的繩輪傳動模型,根據(jù)模型分析,提出了減少人體代謝能消耗的最優(yōu)參數(shù)設(shè)計方法,最終通過測試實驗驗證參數(shù)選擇的有效性。4)設(shè)計了鋼絲繩拉力實驗,從力學(xué)角度揭示單向區(qū)間發(fā)電的必要性,并提出最佳的發(fā)電實驗方案,通過單向區(qū)間發(fā)電與全區(qū)間發(fā)電實驗揭示了電機慣性作用與裝置慣性力矩對發(fā)電裝置的重要影響。
【圖文】：

的代謝功率表示穿戴裝置發(fā)電行走與不穿戴裝置正常行走的越低說明該裝置發(fā)電時對人體的額外能量消耗越小，TCOH人體的整體能量消耗越小，TCOH 更能體現(xiàn)發(fā)電裝置給人體出功率的關(guān)系，對于裝置整體性能而言是更合理的衡量指標研究現(xiàn)狀掛式背包發(fā)電裝置L.C.等人研發(fā)的能量收集背包的原理是利用行走過程中負重進行驅(qū)動進而產(chǎn)生電能[18]。如圖 1.1 所示，該發(fā)電裝置通過齒移動負載的齒輪運動轉(zhuǎn)化為發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)運動。其中受垂直上下移動載荷，彈簧用于恢復(fù)移動載荷的運動。當(dāng)受試者背 5.6km/h 的速度行走時，該發(fā)電裝置的最大輸出功率為 5.6W引力場中的垂直運動產(chǎn)生能源。因此，，假如運動本身需要較有意義的，但對于一般情況的負重行走而言，由于整體質(zhì)量代謝消耗極大。

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文（2）齒輪發(fā)電裝置Donelan J.M.等人設(shè)計了一種只采集膝關(guān)節(jié)機械能的可穿戴式膝關(guān)節(jié)發(fā)電裝置7][20]，如圖 1.2 所示，該發(fā)電裝置通過連桿機構(gòu)和齒輪系將膝關(guān)節(jié)的低速轉(zhuǎn)動和矩特性轉(zhuǎn)化為發(fā)電機的高速轉(zhuǎn)動和低扭矩。該裝置能量通過三級齒輪實現(xiàn)，傳達到 113，但裝置的整體發(fā)電效率僅為 75%左右。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM61

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本文編號：2606171