胯关节运动能量收集装置.doc

机械创新设计

报告(论文)题目：胯关节运动能量收集装置
作者所在系部： 应用技术学院
作者所在专业： 机械设计制造及其自动化
作者所在班级： 0783
作 者 姓 名 ： 刘超
指导教师姓名： 谭立新
完 成 时 间 ： 2010-06-26
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目录

第1章 绪 论 3
1.1 课题背景 3
1.1.1胯关节运动能量收集装置的设计背景 3
1.1.2能量收集装置的基本知识 3
1.2 胯关节运动能量收集装置的设计内容及需解决的问题 3
1.2.1胯关节运动能量收集装置的设计内容 3
1.2.2胯关节运动能量收集装置需解决的问题 4
1.3 胯关节运动能量收集装置的创新之处及应用价值 5
1.3.1 特色或创新之处 5
1.3.2课题的实际应用和应用价值 5
第2章 胯关节运动能量收集装置的结构设计 6
2.1胯关节运动能量收集装置的总体方案设计 6
2.1.1总体方案的原理性设计 6
2.2胯关节运动能量收集装置的各部分零件设计 7
2.2.1、双向超越离合器机构的零件设计 7
2.2.2、发电机内部结构的零件设计 10
2.2.3、二级齿轮加速机构的零件设计 11
2.2.5、充电装置的零件设计 13
第3章 胯关节运动能量收集装置的仿真分析 17
3.1胯关节运动能量收集装置的运动分析 17
3.1.1运动分析场景 17
3.2.2运动模型的构建 17
3.3.3进行运动参数的设置 21
3.3.4运动分析结果的数据输出 22
第4章 胯关节运动能量收集装置的电路设计 23
4.1直流发电机的电动势的计算 23
4.2 输出电压的计算 24
4.3电路图的设计 25
图4.1升压电路图总 结 25
致　谢 27
参考文献 28
第1章 绪 论
1.1 课题背景
1.1.1胯关节运动能量收集装置的设计背景
1、发电地板
东日本铁路公司定于19日在东京站八重洲北口试验“发电地板”。这种神奇的地板能将乘客走路时产生的能量转换成绿色能源。铁路公司18日向媒体展示了这套装置。这种白色地板铺设在两台检票机之间，利用乘客走过检票口时产生的振动发电。（08年1月）

2、充电鞋
日本电信电话公司正在研制一种“充电鞋”，行人可以一边走路，一边发电。这种鞋鞋底内装有水和一个小型发电机。人们穿着这种鞋子行走，鞋底产生的压力使水流动，带动发电机发电。公司发言人天满秀臣说，“发电鞋”发电功率为1.2瓦特，“只要保持行走，发电量足以使iPod运转”。研究人员正努力把发电功率提高到3瓦特，以便给手机充电。（08年10月）
3、脚踏发电装置
美国某公共交通公司，在行人拥挤的公共场所，安装一种脚踏发电装置，它上方有一排踏板，当行人脚踏踏板时，与踏板相连的摇杆从一个方向带动中心轴旋转，从而带动发电机发电。技术人员还将20块金属板铺在路面上，在每块板下放置一个储蓄循环水的橡皮容器。当人群或汽车通过以后，橡皮容器内的水压出去，产生高速水流，经过地下通往路边的发电机房，推动水轮机发电。在人群或汽车通过以后，橡皮容器又恢复到原状，水返回窗口准备再次受压。如此循环往复便能不断产生电流，当上百人或一辆5吨重的汽车通过时，可产生7度的电力。
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 胯关节运动能量收集装置的设计内容及需解决的问题
1.2.1胯关节运动能量收集装置的设计内容
1、从人的行走中获得最大限度的动能
（1）、首先要研究的内容是如何从人的行走中获得能量，经过观察研究，人在行走的过程中，臂关节、肘关节、膝关节和胯关节的运动幅度最大，臂关节和肘关节的运动都属于辅助运动，力度和幅度不是很大，由于人行走时主要依靠腿部的力量和运动，因此我们希望从膝关节和胯关节的运动中获得能量，而人的大腿处的肌肉比较发达，且人的胯关节运动的幅度要比膝关节的大，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。
（2）、其次要研究的内容是以什么方式来得到这部分能量，人在行走过程中胯关节做有规律的来回转动，可以用摆杆机构来解决问题。
2、设计有效的机构来产生足够的动能
（1）、上一步得到的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。
（2）、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。发电机多采用同步或异步交流发电机，发出的交流电通过整流装置转换成直流电。
发电机也是研究的重要内容，由于此装置有体积小，动力小的特点，因此发电机的改进显的很重要。
3、设计合适的动电能转化电路
（1）、贮能装置对独立运行的发电机是十分重要的。其贮能方式有热能贮能、化学能贮存。
（2）、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。
1.2.2胯关节运动能量收集装置需解决的问题
1、机构问题
（1）如何从人的行走中获得能量，我们希望从膝关节和胯关节的运动中获得能量，要解决的关键问题是选择人体的哪一个部位来提供动能。
（2）研究的另一个关键问题是以什么方式来得到这部分能量，人在行走过程中胯关节做有规律的来回转动，可以用摆杆机构来解决问题。
（3）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问题，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。
2、电路问题
（1）发电机多采用同步或异步交流发电机，发出的交流电通过整流装置转换成直流电。或者直接产生直流电，这里我们选择直接产生直流电，这样可以节约材料简化装置。
（2）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，因此发电机的改进显的很重要。这里对发电机做了大胆的改进，使它能产生比普通发电机多一倍到两倍的电能。
（3）贮能装置对独立运行的发电机是十分重要的。其贮能方式有热能贮能、化学能贮存。这里选择化学能贮能。
（4）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。USB端口的设置也是一个要解决的问题，不同的型号要全面的考虑，尽量扩大该设计的应用范围。

1.3 胯关节运动能量收集装置的创新之处及应用价值
1.3.1 特色或创新之处
1、发电装置放置位置
现在市场上包括在实验阶段的行走发电装置，主要有发电鞋、膝部发电装置等，它们的共同的缺点是没有将人行走时的动能最大限度的收集起来，发电鞋装置小、力矩短产生的电能有限，膝部发电装置放于膝部并不舒适且人行走时膝部的弯曲是辅助运动，产生的电能也是有限的。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。
2、双向超越离合器
第二大创新之处是本设计内部的动电能机械转化机构，内部发电机采用双向超越离合器，是同样的摆动力度和幅度下一般发电装置的两到三倍，具体的情况是用双向超越离合器使摆杆摆动的两个方向互不影响各自运动且在惯性的作用下，产生附加的电能，从而产生比普通发电机构多于两倍的电能。
3、发电方式
该装置有两种发电方式，一种是在摆杆缩在该装置内时可以直接用手按动小型的摆杆，更快的发出电能，从而满足人们急需电能时的情况。另一种是传统的方式，即将其放在腰间，由人的行走来产生电能。
1.3.2课题的实际应用和应用价值
1、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。
2、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2章 胯关节运动能量收集装置的结构设计
2.1胯关节运动能量收集装置的总体方案设计
2.1.1总体方案的原理性设计
1、原理性结构
本设计的采用二级加速齿轮机构，且使用有创新性设计的双向超越离合器机构能够产生足够的电能。二级齿轮加速机构可以保证发电机的转速达到一定的要求，双向超越离合器可以使该设计发出比一般发电机多一倍到两倍的电能，二级齿轮加速机构及双向超越离合器机构如图2.1所示。

原动力齿轮
发电机
双向超越离合器机构
顺时针超越离合器
逆时针超越离合器

图2.1 二级齿轮加速机构及双向超越离合器机构原理图
2、三维建模
基于原理性结构做出原理性的三维建模，如图所示。

发电机
离合器齿轮
摇杆
大齿轮

图2.2三维建模
3、初步计算
（1）传动比的初步计算
传动比n===30
式中： 为原动力齿轮，为一级小齿轮，为二级大齿轮，为二级小齿轮。
（2）电机转速的计算
电机转速ω==15π
式中: n为传动比，人的行走速度为每秒1.5步，每步转动的角度为60度。
2.2胯关节运动能量收集装置的各部分零件设计
2.2.1、双向超越离合器机构的零件设计
双向超越离合器可以使该设计发出比一般发电机多一倍到两倍的电能，人行走时，腿做往复的摆动，当腿向前摆动时，逆时针超越离合器起作用，开始工作，带动棘轮转动，棘轮又是电机外壳，与发电的磁铁是一体的，这样就可以通过切割磁感线运动使发电机发出电量来，当腿向后摆动时，顺时针超越离合器起作用，开始工作，带动棘轮转动，发出电量来。
此时，关键之处是，逆时针超越离合器的棘轮由于惯性的原因仍在做逆时针转动，这样双面的棘轮一个做逆时针转动，一个做顺时针转动，这样的相对运动比单独的一个运动多出一倍多的电量。如图2.3所示。
顺时针超越离合器

发电机
棘爪
传动齿轮
逆时针棘轮
即电机外壳

图2.3双向超越离合器机构
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，但棘爪又要单方向运动，因此要有一个阻挡的结构使棘爪单方向运动。如图2.4棘爪零件图所示。

图2.4棘爪零件图
2、棘爪轮的设计
棘爪轮完全是为棘爪所设计的，为实现棘爪的运动而设计的，结构也是尽量简洁。如图2.5棘爪轮所示。

图2.5棘爪轮
3、传动齿轮的设计
传动齿轮与棘爪轮是一体的，棘爪轮随着传动齿轮一起运动，传动齿轮的压力角取20度,齿宽取2mm，模数取1mm，齿数为16。如图2.6传动齿轮所示。

图2.6传动齿轮

4、逆时针棘轮、顺时针棘轮的设计
逆时针棘轮、顺时针棘轮的转动方向正好相反，当腿向前摆动时，逆时针超越离合器起作用，开始工作，带动棘轮转动，棘轮又是电机外壳，与发电的磁铁是一体的，这样就可以通过切割磁感线运动使发电机发出电量来，当腿向后摆动时，顺时针超越离合器起作用，开始工作，带动棘轮转动，发出电量来。如图2.7逆时针棘轮、顺时针棘轮所示。

图2.7逆时针棘轮、顺时针棘轮
2.2.2、发电机内部结构的零件设计
发电机的两块磁铁异极相对，这样磁感线可以近似的垂直于线圈，有效的做切割磁感线运动，两块磁铁分别与两个电机外壳做反向的相对运动，使线圈更有效的切割磁感线。
　发电机由磁铁、垫片、线圈和支撑组成。如图2.8发电机内部结构的装配图所示。
垫片
线圈
支撑板
磁铁

图2.8发电机内部结构的装配图

1、 磁铁的设计
铝镍钴系永磁材料是目前电机中应用较广的永磁材料。磁铁与棘轮连在一体随着棘轮的转动而运动，磁铁设计成圆形，以便固定在棘轮上，两端的顺时针棘轮和逆时针棘轮是异极相对的，这样可以使磁感线尽量的集中在发电机的内部以便对线圈起作用。如图2.9磁铁所示。

图2.9磁铁
2、 垫片的设计
垫片位于磁铁和线圈的中间，起到过渡的作用，以免磁铁直接摩擦到线圈，使线圈受损，垫片如图2.10垫片所示。

图2.10 垫片
3、 线圈的设计
线圈的铜线取0.1mm的直径，共500圈。如图2.11线圈所示。

图2.11线圈
4、 支撑的设计
支撑是为固定线圈和输出电流而设计的，它是固定于外壳上的，与外壳是一体的。如图2.12支撑所示。

图2.12支撑
2.2.3、二级齿轮加速机构的零件设计
摇杆是原动件随着人的腿部运动而摆动，带动内齿轮运动，再到小齿轮、大齿轮，由齿轮再到离合器齿轮，通过二级的齿轮加速机构来提高转速，以便能发出更多的电能。

小齿轮
离合器齿轮
大齿轮
摇杆

图2.13二级齿轮加速机构

1、大齿轮的设计
根据2.1.2中的理论计算,大齿轮的压力角取20度,齿宽取2mm，模数取1mm，齿数为40。
根据上述参数及渐开线齿轮的相关特性建模，如图2.14所示。

图2.14 大齿轮
2、 小齿轮的设计
根据2.1.2中的理论计算,小齿轮的压力角取20度,齿宽取17mm，模数取0.5mm，齿数为16。
根据上述参数及渐开线齿轮的相关特性建模，如图2.15所示。

图2.15 与摇杆接触的小齿轮
3、 摇杆的设计
摇杆是原动件随着人的腿部运动而摆动，带动内齿轮运动，再到小齿轮、大齿轮，由齿轮再到离合器齿轮，通过二级的齿轮加速机构来提高转速，以便能发出更多的电能。
根据2.1.2中的理论计算及人体的平均尺寸，摇杆的总长取为85mm,总宽为50mm,轴的直径为4mm,内齿轮的半径为48mm,模数与上述小齿轮的一致。如图2.16所示。

图2.16 摇杆
4、 离合器齿轮的设计
根据2.1.2中的理论计算,小齿轮的压力角取20度,齿宽取2mm，模数取1mm，齿数为8。
根据上述参数及渐开线齿轮的相关特性建模，如图2.17离合器齿轮所示。

图2.17离合器齿轮
2.2.5、充电装置的零件设计
可以适应各种充电电池，以满足不同充电设备的需要。以下是几种电池的代表，我们看到有的电池的触点在正面，有的电池的触点在侧面。

图2.18各种手机
为了适应触点位置不同和触点的距离不同的电池，设计了下面的固定电池的装置，导爪的距离可以调节，导爪的触点分前触点和下触点这样就可以满足电池触点在正面或者侧面的问题。

图2.19充电电池的放置

充电装置的设置也是一个要解决的问题，不同的型号要全面的考虑，尽量扩大该设计的应用范围，可以为各种电池充电。充电装置由顶盖、导爪、导片、螺钉和弹簧组成。
1、顶盖的设计
顶盖的设计是为了固定电池以及将导线与电池接触的。如图所示。

图2.20顶盖

2、 导爪的设计
导爪的设计可以满足不同型号的电池，电池的导片有在前端的，也有在侧面的，这样用导爪的下触点和前触点来解决。

图2.21导爪
3、 导片的设计
导片是用来和内部发电机和外部的导爪相连的，将两者导通，同时让导爪可以有一定转动。

图2.22导片
4、 弹簧的设计
弹簧的作用是让电池压板能够恢复原位，同时起到压紧电池，不让电池松动的作用。

图2.23弹簧

第3章 胯关节运动能量收集装置的仿真分析
3.1胯关节运动能量收集装置的运动分析
通过UG/Modeling的功能建立一个三维实体模型，利用UG/Motion的功能给三维实体模型的各个部件赋予一定的运动学特性，再在各个部件之间设立一定的连接关系建立一个运动仿真模型。UG/Motion的功能可以对运动机构进行大量的装配分析工作、运动合理性分析工作，诸如干涉检查、轨迹包络等，得到大量运动机构的运动参数。通过对这个运动仿真模型进行运动学或动力学运动分析就可以验证该运动机构设计的合理性，并且可以利用图形输出各个部件的位移、坐标、加速度、速度和力的变化情况，对运动机构进行优化。
3.1.1运动分析场景
在UG的主界面中选择菜单命令【Application】→【Motion】,如图3.1所示。

图3.1 打开UG/Motion操作界面

3.2.2运动模型的构建
1、设置每个零件的连杆特性
点击运动仿真工具栏区的连杆特性和运动副模块中的图标 (Link)，打开【连杆特性创建】对话框，如图3.2所示。

图3.2 连杆特性的建立

依次选取相应的构件如下图所示，定义名称、属性等。

图3.3构件的定义

2、设置两个连杆间的运动副
点击连杆特性和运动副模块中的铰链连接（Joint）按钮后，将弹出一个对话框要求用户选择铰链连接的类型，如图3.4所示。

图3.4 选择铰链连接的类型

（1）Joint（铰链连接）
选择该选项后将会弹出铰链连接对话框，在该对话框中列出了七种铰链连接的类型，如图3.5所示。

图3.5 【铰链连接】对话框

图3.6各个铰链
（2）齿轮连接（Gear）
齿轮连接可以实现两个部件或者是部件与机架之间以齿轮啮合的运动形式进行相对运动的约束，如图3.7所示。

图3.7齿轮连接
3.3.3进行运动参数的设置
UG/Motion的运动分析类型有两类：静态分析和动力学分析。点击功能菜单区运动分析模块中的运动（Animation）按钮，将弹出一个【运动分析选项】（Analysis Options）对话框，该对话框的第一个选择区域就要求用户选择运动分析的类型，各选项的功能如图3.8所示。

图3.8 【运动分析选项】对话框
将弹出一个【运动过程】（Animation）对话框，对话框各选项的功能如图3.9所示。

图3.9 【运动过程】对话框

3.3.4运动分析结果的数据输出
ADAMS求解器根据运动模型的各项参数计算出运动模型在各个步骤的数据，不但可以以动画的形式输出运动分析的结果，还可以直接以图表的形式输出各个数据。
摇杆驱动输入的仿真图表：

第4章 胯关节运动能量收集装置的电路设计
4.1直流发电机的电动势的计算
1、磁通量计算：
（1）磁通密度B=μH
式中μ为介质的磁导率，单位为（H/m）；
空气中μ0=4π×10-7H/m；H为磁场强度。
铝镍钴系永磁材料是目前电机中应用较广的永磁材料。
取铝镍钴32，B=1.2特，HC=44千安/米，磁导率为3.2-4.5μ0
（2）磁通面积A=πR，式中R为电机线圈的平均半径。
综上所述：
若不计磁漏则=BA=μHπR=4π××44××π×0.001=1.7×10-4韦
2、转子的转速的计算：
先计算角速度ω==15π
式中: n为传动比，人的行走速度为每秒1.5步，每步转动的角度为60度。
则转子的转速n= =180转/分
3、平均感应电动势的计算：
直流发电机的感应电动势为Ｅa=
式中：P表示磁极对数，这里P=1；
N表示电枢绕组的总导体数；
2a为支路数；
为每极的磁通；
n表示转子的转速
综上所述, 直流电机的平均感应电动势为Ｅa===0.51V
由于采用顺时针和逆时针两种方式的发电机，因此发电量是单一发电机的两倍，又因为采用双向的超越离合装置，由于相对运动的作用可以使发电量提高三到四倍。将两个发电机并联电压相加，即E=3E=1.53V。
4.2 输出电压的计算
1、电路电阻的计算：
（1）线圈电阻R===52.5
其中：为电阻率，L为导线长度，S为横截面积。
（2）电路电阻为先取R=2000
2、输出电压的计算：
输出电压U===1.49V
注：此电压仅为平均的估算电压，由于误差、功率等原因平均电压的数值会比计算的要小一些，并且人在行走时，速度是不恒定的，是一个波动的过程，类似于正弦线，估计电压的范围为期1V到3V之间波动。
4.3电路图的设计
4.7V
1V~3V
由于人行走时腿的摆动不能是绝对匀速的，因此产生的电压是不稳定的，类似于正弦线，估计电压的范围为期1V到3V之间波动，并且手机电池的充电电压为4.7V，需要稳压和升压。
如下图所示，上电瞬时通过R1,R2电路给电容充电，当C1的电压达到能使Q1导通时，Q2导通，T的初级绕组开始有电流通过，此时，C1放电，当C1放电到不能使Q1导通时，Q1，Q2关断，T中电流减小，同时，T的次级线圈中开始有感应电流，当T的初级线圈中无电流流过时，C1又开始充电，如此反复振荡，在T的次级线圈中就会感应出电压来。稳压管选用1N4733型，电压为4.7V。

型号
1N4728
1N4729
1N4730
1N4731
1N4732
1N4733
1N4734
稳压值
3.3
3.6
3.9
4.3
4.7
5.1
5.6
表4.1 稳压管型号

图4.1升压电路图总 结
现在市场上包括在实验阶段的行走发电装置，主要有发电鞋、膝部发电装置等，它们的共同的缺点是没有将人行走时的动能最大限度的收集起来，发电鞋装置小、力矩短产生的电能有限，膝部发电装置放于膝部并不舒适且人行走时膝部的弯曲是辅助运动，产生的电能也是有限的。
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。

致　谢
本论文是在导师石运序的精心指导下完成的。在接受导师指导的时间里，他那渊博的知识，活跃的思维，敏锐的洞察力，严谨的治学态度给我留下了深刻的印象，并将使我受益终身。在此论文完成之际，对导师曾经给予的学术上的指导，生活上的关心和帮助致以最诚挚的谢意!最后，感谢我的家人，是他们给了我关心和鼓励，使我在整个大学期间，能够专心的学习和工作，谢谢！

参考文献
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[2]. 《机械设计》，高等教育出版社 濮良贵 纪名刚主编
[3]. 《机械制图》，大连理工大学工程画教研室编
[4]. 《电工学》，高等教育出版社 秦曾煌主编
[5]. 《UG NX4 CAD快速入门指导》，清华大学出版社 洪如瑾编著
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