[发明专利]一种膝关节能量收集与助力装置

说明书

本发明公开了一种膝关节能量收集与助力装置，棘爪穿过扭矩输入端薄板前侧的阶梯孔与之相连，一端贴合棘轮前侧的凸台，保证棘爪处于受力状态。棘爪与扭矩输入端薄板之间装有弹簧，可保证棘爪上下活动，便于棘爪在运动过程中按要求贴合或脱离棘齿；棘轮与前端盖内壁过盈配合；保证各零件工作位置稳定；小腿固定板通过键槽与扭矩输入端薄板过盈配合相连，保证同轴定轴转动。该装置安装在人体膝关节旋转中心轴处，在人体行走过程中，通过拉簧与棘轮棘爪装置配合，收集人体行走过程中产生的机械能，并将其通过拉簧装置转化为弹性势能进行储存和利用。助力人体行走，提高人体能量利用率，降低人体代谢消耗，实现能量收集方式的创新。

技术领域

本发明属于能量收集装置技术领域，具体涉及一种膝关节能量收集与助力装置。

背景技术

近年来，全球人口数量激增导致了地球资源利用紧张程度日渐加剧，同时，随着电子设备、可穿戴设备和植入式设备对于电量要求的不断提高，传统的电池技术已无法满足续设备航要求。在不同能量收集源中，人体作为稳定的能量库，拥有巨大的能量收集潜力。人体行走过程中会消耗大量代谢能，分别转化为运动消耗的机械能、热能或其他复合能形式消耗。过度消耗代谢能会使人体产生疲惫感，因而减少代谢能的消耗能够有效提高人体运动和工作的效率。研究显示，肌肉做负功效率较高，且健康成年人下肢关节中，膝关节做负功占比91％，所以膝关节是能量收集的优先部位。故选择无源助力外骨骼为研究对象，以人体膝关节运动时产生的机械能为收集对象，对装置结构，储能机构，以及能量收集方式进行创新设计。为减少人体下肢代谢能，助力人体行走设计的膝关节助力能量收集装置，无论在军事还是民用领域中，作为人体性能增强型外骨骼都有极大的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种膝关节能量收集与助力装置，通过助力膝关节转动，降低人体行走代谢消耗，以此提高人体运动和工作的效率。

本发明所采用的技术方案是：一种膝关节能量收集与助力装置，包括大腿固定板和小腿固定板，大腿固定板和小腿固定板之间轴连接有一圆盘形壳体，壳体包括互相扣合的前端盖和紧固盖，壳体内依次设置有同轴的能够轴向运动的扭矩输入端薄板和棘轮；前端盖内设置有三组间隔、且绕前端盖内壁呈环状设置的弧形导轨，扭矩输入端薄板设置在三组弧形导轨围绕的圆周空间内，每个弧形导轨上固定嵌套有拉簧，拉簧的另一端固定连接在扭矩输入端薄板的边缘，扭矩输入端薄板通过设置在前端盖中心的固定轴与前端盖固定连接，扭矩输入端薄板中心处还设置有轴向的圆柱形凸起，凸起上设置有垂直于轴向的阶梯孔，阶梯孔上穿插有棘爪；棘轮与前端盖内壁过盈配合连接，棘轮内侧设置有对棘爪进行限位的内弧形导位片，棘爪的前爪端与棘轮相啮合，另一端贴合在导位片的内壁上，棘爪上套设有对棘爪进行限位的弹簧。

本发明的特点还在于：

前端盖与大腿固定板固定连接，

固定轴通过轴承与扭矩输入端薄板相连接。

凸起穿过紧固盖通过端头的键槽与小腿固定板相连接。

弹簧靠近导位片一端设置，弹簧一端通过棘爪端头的凸起进行限位，另一端固定在扭矩输入端薄板上，保证棘爪能够沿导位片上下活动，便于棘爪在运动过程中按要求贴合或脱离棘齿。

导位片为一个相对棘轮的斜坡设计。

紧固盖过盈配合前端盖扣合设计。

本发明的有益效果是：本发明一种膝关节能量收集与助力装置，安装在人体膝关节旋转中心轴处，在人体行走过程中，通过拉簧与棘轮棘爪装置配合，收集人体行走过程中产生的机械能，并将其通过拉簧装置转化为弹性势能进行储存和利用。助力人体行走，提高人体能量利用率，降低人体代谢消耗，实现能量收集方式的创新；装置结构简单，使用方便，实用性强。

附图说明

图1为一种膝关节能量收集与助力装置的整体外观图；

图2为一种膝关节能量收集与助力装置的爆炸图；