【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(duì)人體運(yùn)動(dòng)機(jī)理的探究,針對(duì)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(jì)了一種輕質(zhì)量的膝關(guān)節(jié)發(fā)電裝置,通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了單向區(qū)間發(fā)電與全區(qū)間發(fā)電模式,驗(yàn)證了區(qū)間發(fā)電裝置設(shè)計(jì)的必要性和合理性。本文在完成輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)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(jì)更具實(shí)用價(jià)值,也為被動(dòng)外骨骼的設(shè)計(jì)提供了實(shí)例指導(dǎo)。本論文的主要工作包括:1)基于下肢運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn),分析運(yùn)動(dòng)過程中膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特征與正負(fù)功的作用情況,為區(qū)間發(fā)電建立理論支撐,并對(duì)發(fā)電裝置設(shè)計(jì)存在的慣性和質(zhì)量問題進(jìn)行了探究,提出輕量化設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)發(fā)電設(shè)計(jì)要求,提出“繩輪+滾珠絲杠副”傳動(dòng)模型的輕量化設(shè)計(jì)思路,并設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了高功率密度膝關(guān)節(jié)發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)。3)對(duì)設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模分析,分別建立了基于逆?zhèn)鲃?dòng)運(yùn)動(dòng)方程的滾珠絲杠副傳動(dòng)模型,以及基于動(dòng)量守恒方程的繩輪傳動(dòng)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(jì)方法,最終通過測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證參數(shù)選擇的有效性。4)設(shè)計(jì)了鋼絲繩拉力實(shí)驗(yàn),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(shí)驗(yàn)方案,通過單向區(qū)間發(fā)電與全區(qū)間發(fā)電實(shí)驗(yàn)揭示了電機(jī)慣性作用與裝置慣性力矩對(duì)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(shí)對(duì)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(duì)于裝置整體性能而言是更合理的衡量指標(biāo)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(fù)重進(jìn)行驅(qū)動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生電能[18]。如圖 1.1 所示，該發(fā)電裝置通過齒移動(dòng)負(fù)載的齒輪運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中受垂直上下移動(dòng)載荷，彈簧用于恢復(fù)移動(dòng)載荷的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)受試者背 5.6km/h 的速度行走時(shí)，該發(fā)電裝置的最大輸出功率為 5.6W引力場(chǎng)中的垂直運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生能源。因此，，假如運(yùn)動(dòng)本身需要較有意義的，但對(duì)于一般情況的負(fù)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(jì)了一種只采集膝關(guān)節(jié)機(jī)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(jī)構(gòu)和齒輪系將膝關(guān)節(jié)的低速轉(zhuǎn)動(dòng)和矩特性轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)和低扭矩。該裝置能量通過三級(jí)齒輪實(shí)現(xiàn)，傳達(dá)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM61

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本文編號(hào)：2606171