胯關(guān)節(jié)能量收集裝置的設(shè)計【說明書+CAD+UG+仿真】

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Firstly，introduce the design thread of the device，and specially introduce machine elements,circuit design and use method and so on. Key words：get Electricity by walking; charge up for mobile telephone; 2 分類號 編號 胯關(guān)節(jié)能量收集裝置的設(shè)計 Device Translating Kinetic Energy Into Electricity By Walk 申請學(xué)位： 院 系： 專 業(yè)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)老師  胯關(guān)節(jié)能量收集裝置的設(shè)計 申請人： 導(dǎo) 師: 2009年 3 月 2 日 開題報告 畢業(yè)設(shè)計(論文) 題 目 胯關(guān)節(jié)運動能量收集裝置的設(shè)計 專 業(yè) 班 級 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號 導(dǎo) 師 姓 名 開題報告日期 2009 年 3 月 2 日 入 學(xué) 年 月 2005 年 9 月 4 日 2009年 3月 2日  開題報告的撰寫 開題報告是開題者對科研課題的一種表格形式的文字說明材料。目的是為加強科學(xué)研究活動計劃性，它把要報告的每一項內(nèi)容轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的欄目，這樣做，既便于開題報告按目填寫，避免遺漏；又便于評審者一目了然，把握要點。開題報告與畢業(yè)論文一并存檔。 一、 課題來源 課題來源是指課題來自于何處，通常來說，有問題才有研究的必要，要解決問題才會去研究。問題的產(chǎn)生是課題產(chǎn)生的源泉。課題的來源有以下幾個方面： 1) 企業(yè)生產(chǎn)第一線 學(xué)生在工廠、企業(yè)、科研單位進行工程實踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際需要確定有研究開發(fā)價值的題目；可以是影響生產(chǎn)的關(guān)鍵性工藝或設(shè)備方面的課題，也可以是接受企業(yè)委托協(xié)助研究開發(fā)的項目。 2) 導(dǎo)師指定課題 指導(dǎo)教師根據(jù)科研項目、工程設(shè)計任務(wù)或新產(chǎn)品的開發(fā)研制等，從中選出適合學(xué)生情況和教學(xué)要求的部分作為課題。 3) 來源于文獻(xiàn)和資料 通過查閱文獻(xiàn)資料，了解國際國內(nèi)相關(guān)學(xué)科、工程技術(shù)的理論與實踐的現(xiàn)狀、成果，以及存在問題和發(fā)展趨勢，找出需要研究和解決的問題作為課題。 二、 （10分）課題的目的和意義 課題的意義是指課題的技術(shù)、經(jīng)濟和社會意義和對單位及自己的意義。課題的意義通?？梢员硎龀桑赫n題研究針對的主要問題是什么，本課題具有哪些學(xué)術(shù)價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值（比如說：給企業(yè)的生產(chǎn)帶來多大便利和經(jīng)濟效益，提高了多少生產(chǎn)效率等），是否具有研究的緊迫性和必要性。 三、 （20分）研究內(nèi)容 研究內(nèi)容是指課題要研究、設(shè)計什么，說明研究設(shè)計的重點。在此可以對即將開展的畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容進行說明，并突出畢業(yè)設(shè)計中的重點。 四、 （25分）擬采取的技術(shù)方案和可行性分析 擬采取的技術(shù)方法與方案是指如何開展課題的研究設(shè)計工作。通常研究方法有：理論分析、實際調(diào)研、測繪、試驗、創(chuàng)新改進等，學(xué)生可以根據(jù)課題的實際情況選用不同的研究方法并確立自己的技術(shù)路線，并說明自己研究方案的有效和可行性。 五、 （25分）研究計劃及預(yù)期成果 研究計劃及預(yù)期成果是指研究的進度和預(yù)期完成的成果（做到什么程度）。研究計劃是學(xué)生根據(jù)自己課題實際，制定研究的計劃進度表，并明確在那段時間內(nèi)完成什么樣工作的內(nèi)容。預(yù)期完成的成果形式可以是多種多樣的，包括:論文、產(chǎn)品、軟件、課件、電子制作、設(shè)計圖紙以及工藝卡片等，學(xué)生根據(jù)課題實際，說明預(yù)期完成的成果形式。 六、 （10分）特色或創(chuàng)新之處 特色或創(chuàng)新之處是指本課題的研究設(shè)計的特色與創(chuàng)新點所在，學(xué)生需要全方面了解自己的設(shè)計研究在同類課題的研究中所處的水平，清楚知道自己的設(shè)計研究與他人之間的不同之處，并給予客觀的評價。 七、 （5分）已具備的條件和尚需解決的問題 通常已具備條件可以寫：學(xué)生對本課題已有深入的認(rèn)識，準(zhǔn)備充分，已具備開展畢業(yè)設(shè)計研究的條件。此處主要分析開展研究設(shè)計尚不具備的條件，并說明如何解決。比如：還存在圖書和相關(guān)技術(shù)資料不足的問題，希望通過圖書館借閱和網(wǎng)上查詢來補充資料等等。 八、 （5分）參考文獻(xiàn) （要求博覽相關(guān)文獻(xiàn)資料至少5篇以上，應(yīng)有必要的外文文獻(xiàn)）。一、基本情況 學(xué)生姓名 張代聰 學(xué)號 200523501637 班級 機051-6班 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師 石運序 學(xué)歷 博士 職稱 講師 所學(xué)專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 題目名稱 胯關(guān)節(jié)運動能量收集裝置的設(shè)計 題目來源 □企業(yè)生產(chǎn) √科研 □社會 □文獻(xiàn)和資料 □其他： 題目類型 □理論研究 √應(yīng)用研發(fā) □開發(fā)研究 □工藝設(shè)計 √ 工程設(shè)計 □設(shè)備設(shè)計 □軟件設(shè)計 □實踐研究 □指定問題研究 注：在選中的項目上打√ 二、開題報告內(nèi)容 1、（10分）課題的目的和意義 （1）、目前國內(nèi)外研究進展及應(yīng)用現(xiàn)狀綜述（或立題依據(jù)），研究的主要問題 一、國內(nèi)外研究進展及應(yīng)用現(xiàn)狀： 1、發(fā)電地板：東日本鐵路公司定于19日在東京站八重洲北口試驗“發(fā)電地板”。這種神奇的地板能將乘客走路時產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成綠色能源。鐵路公司18日向媒體展示了這套裝置。這種白色地板鋪設(shè)在兩臺檢票機之間，利用乘客走過檢票口時產(chǎn)生的振動發(fā)電。（08年1月） 2、充電鞋：日本電信電話公司正在研制一種“充電鞋”，行人可以一邊走路，一邊發(fā)電。這種鞋鞋底內(nèi)裝有水和一個小型發(fā)電機。人們穿著這種鞋子行走，鞋底產(chǎn)生的壓力使水流動，帶動發(fā)電機發(fā)電。公司發(fā)言人天滿秀臣說，“發(fā)電鞋”發(fā)電功率為1.2瓦特，“只要保持行走，發(fā)電量足以使iPod運轉(zhuǎn)”。研究人員正努力把發(fā)電功率提高到3瓦特，以便給手機充電。（08年10月） 3、腳踏發(fā)電裝置：美國某公共交通公司，在行人擁擠的公共場所，安裝一種腳踏發(fā)電裝置，它上方有一排踏板，當(dāng)行人腳踏踏板時，與踏板相連的搖桿從一個方向帶動中心軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動發(fā)電機發(fā)電。技術(shù)人員還將20塊金屬板鋪在路面上，在每塊板下放置一個儲蓄循環(huán)水的橡皮容器。當(dāng)人群或汽車通過以后，橡皮容器內(nèi)的水壓出去，產(chǎn)生高速水流，經(jīng)過地下通往路邊的發(fā)電機房，推動水輪機發(fā)電。在人群或汽車通過以后，橡皮容器又恢復(fù)到原狀，水返回窗口準(zhǔn)備再次受壓。如此循環(huán)往復(fù)便能不斷產(chǎn)生電流，當(dāng)上百人或一輛5噸重的汽車通過時，可產(chǎn)生7度的電力。 二、研究的主要問題： 1、怎樣能從人的行走中獲得最大限度的動能。 2、如何設(shè)計有效的機構(gòu)來產(chǎn)生足夠的動能。 3、如何設(shè)計合適的動能電能轉(zhuǎn)化電路。 （2）、課題的學(xué)術(shù)價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值 實際應(yīng)用： 一、在日常生活中人們散步、跑步的同時可以將人的胯關(guān)節(jié)運動的動能轉(zhuǎn)化為電能儲存起來，并且可以直接給手機、MP3、MP4等日常用品的電池充電。 二、在野外考察、科研時，往往因為條件有限無法得到日常使用的交流或直流電源，特別是如果遇到緊急情況而且通信設(shè)備卻電量不足，此時急需一種方便快捷的獲取電能的方法。這時就可以用到胯關(guān)節(jié)運動能量收集裝置了，它可以為簡單的通信設(shè)備充電，以滿足當(dāng)務(wù)之急。 應(yīng)用價值： 一、胯關(guān)節(jié)運動能量的收集可以緩解現(xiàn)在人們對電能的需求。 二、胯關(guān)節(jié)運動能量的收集可以為人們的日常生活提供便利，比如說人們可以一邊散步一邊聽音樂而不用擔(dān)心自己的MP3會沒電。 三、胯關(guān)節(jié)運動能量收集裝置最大的價值體現(xiàn)在當(dāng)人們在野外考察探險時可以用此裝置產(chǎn)生電能，滿足在沒有常用充電設(shè)備時對電能的需要。 2、（20分）研究內(nèi)容 （1）、研究的主要內(nèi)容 一、從人的行走中獲得最大限度的動能； 1、首先要研究的內(nèi)容是如何從人的行走中獲得能量，經(jīng)過觀察研究，人在行走的過程中，臂關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和胯關(guān)節(jié)的運動幅度最大，臂關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的運動都屬于輔助運動，力度和幅度不是很大，由于人行走時主要依靠腿部的力量和運動，因此我們希望從膝關(guān)節(jié)和胯關(guān)節(jié)的運動中獲得能量，而人的大腿處的肌肉比較發(fā)達(dá)，且人的胯關(guān)節(jié)運動的幅度要比膝關(guān)節(jié)的大，從上述的分析中我可以肯定選擇胯關(guān)節(jié)來提供能量是最合理的。 2、其次要研究的內(nèi)容是以什么方式來得到這部分能量，人在行走過程中胯關(guān)節(jié)做有規(guī)律的來回轉(zhuǎn)動，可以用擺桿機構(gòu)來解決問題。 二、設(shè)計有效的機構(gòu)來產(chǎn)生足夠的動能； 1、上一步得到的擺桿運動不能直接用在發(fā)電機上，要將其進行轉(zhuǎn)化，這就是這一步要研究的內(nèi)容，擺桿運動的轉(zhuǎn)動角度有限不能使發(fā)電機有效的轉(zhuǎn)動來產(chǎn)生電能，需要用齒輪將小幅度的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化成快速有效的運動。 2、發(fā)電機有3種，即直流發(fā)電機、同步交流發(fā)電機和異步交流發(fā)電機。發(fā)電機多采用同步或異步交流發(fā)電機，發(fā)出的交流電通過整流裝置轉(zhuǎn)換成直流電。 發(fā)電機也是研究的重要內(nèi)容，由于此裝置有體積小，動力小的特點，因此發(fā)電機的改進顯的很重要。 三、設(shè)計合適的動電能轉(zhuǎn)化電路； 1、貯能裝置對獨立運行的發(fā)電機是十分重要的。其貯能方式有熱能貯能、化學(xué)能貯存。 2、貯能電路以及轉(zhuǎn)化電路也是要研究的對象，主要是如果將發(fā)電機不穩(wěn)定的電流轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的電流以供人們使用。 （2）、擬解決的關(guān)鍵問題 1、如何從人的行走中獲得能量，我們希望從膝關(guān)節(jié)和胯關(guān)節(jié)的運動中獲得能量，要解決的關(guān)鍵問題是選擇人體的哪一個部位來提供動能。 2、研究的另一個關(guān)鍵問題是以什么方式來得到這部分能量，人在行走過程中胯關(guān)節(jié)做有規(guī)律的來回轉(zhuǎn)動，可以用擺桿機構(gòu)來解決問題。 3、擺桿運動不能直接用在發(fā)電機上，要將其進行轉(zhuǎn)化，這就是這一步要研究的問題，擺桿運動的轉(zhuǎn)動角度有限不能使發(fā)電機有效的轉(zhuǎn)動來產(chǎn)生電能，需要用齒輪將小幅度的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化成快速有效的運動。 4、發(fā)電機多采用同步或異步交流發(fā)電機，發(fā)出的交流電通過整流裝置轉(zhuǎn)換成直流電。或者直接產(chǎn)生直流電，這里我們選擇直接產(chǎn)生直流電，這樣可以節(jié)約材料簡化裝置。 5、發(fā)電機也是研究的重要問題，由于此裝置有體積小，動力小的特點，因此發(fā)電機的改進顯的很重要。這里對發(fā)電機做了大膽的改進，使它能產(chǎn)生比普通發(fā)電機多一倍到兩倍的電能。 6、貯能裝置對獨立運行的發(fā)電機是十分重要的。其貯能方式有熱能貯能、化學(xué)能貯存。這里選擇化學(xué)能貯能。 7、貯能電路以及轉(zhuǎn)化電路也是要研究的對象，主要是如果將發(fā)電機不穩(wěn)定的電流轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的電流以供人們使用。 8、USB端口的設(shè)置也是一個要解決的問題，不同的型號要全面的考慮，盡量擴大該設(shè)計的應(yīng)用范圍。 3、（25分）擬采取的技術(shù)方案和可行性分析 （1）、擬采取的技術(shù)方案及思路 1、從胯關(guān)節(jié)的運動過程中獲得最大限度的能量，胯關(guān)節(jié)是人們在行走時運動幅度和力度最大的部位，并且將發(fā)電裝置放在腰間也是比較舒適的，這樣可以最大限度的獲得人們行走時產(chǎn)生的動能。 2、本設(shè)計的內(nèi)部采用二級齒輪加速機構(gòu)，且使用有創(chuàng)新性設(shè)計的雙向超越離合器機構(gòu)能夠產(chǎn)生足夠的電能。二級齒輪加速機構(gòu)可以保證發(fā)電機的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的要求，雙向超越離合器可以使該設(shè)計發(fā)出比一般發(fā)電機多一倍到兩倍的電能。 3、現(xiàn)在動電能的轉(zhuǎn)化電路已比較成熟且得到了廣泛的應(yīng)用，動電能的轉(zhuǎn)化電路已不是問題。我采用常用的整流電路就可以解決問題。 4、考慮到裝置的可攜帶性以及人在行走過程中的舒適性，設(shè)計了一個可以伸縮的擺桿來解決這個問題，擺桿可以完全縮進該裝置內(nèi)，提高了可攜帶性。并且在行走過程中人的大腿不可能是完全在一個平面內(nèi)運動，擺桿的伸縮可以提高舒適性。 5、我們考慮到人在行走的過程中，腿不會完全的在一個平面內(nèi)，因此擺桿設(shè)計成圓形這樣人的腿在擺動的同時如果做小幅度的轉(zhuǎn)動也不會感到不舒適。 6、該裝置有兩種發(fā)電方式，一種是在擺桿縮在該裝置內(nèi)時可以直接用手按動小型的擺桿，更快的發(fā)出電能，從而滿足人們急需電能時的情況。另一種是傳統(tǒng)的方式，即將其放在腰間，由人的行走來產(chǎn)生電能。這樣兩種方式可以滿足各方面不同的需要。 7、如果將發(fā)電機不穩(wěn)定的電流轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的電流以供人們使用，這里需要一個整流電路來解決問題。 8、對于如何將電能傳送到人們常用的設(shè)備中，手機、MP3、MP4等，我們采用多個插槽的方法，有USB插槽有其他萬能充樣式的插槽，以此來充滿不同的需要。 9、有的人不習(xí)慣用腰帶或者有的衣服不需要，這里我們有備用的腰帶。 10、對于膝部擺桿的固定用小型的帶狀結(jié)構(gòu)固定。 （2）、研究方案的有效和可行性分析（含研究過程中可能存在的困難或問題，及其解決措施） 1、將胯關(guān)節(jié)作為能量收集的部位是可行的，胯關(guān)節(jié)是人們在行走時運動幅度和力度最大的部位，并且將發(fā)電裝置放在腰間也是比較舒適的，這樣可以最大限度的獲得人們行走時產(chǎn)生的動能。 2、動電能的轉(zhuǎn)化是可行的，本設(shè)計的內(nèi)部采用二級齒輪加速機構(gòu)，且使用有創(chuàng)新性設(shè)計的雙向超越離合器機構(gòu)能夠產(chǎn)生足夠的電能。 3、電能儲存轉(zhuǎn)化電路的設(shè)計是可行的，現(xiàn)在動電能的轉(zhuǎn)化電路已比較成熟且得到了廣泛的應(yīng)用，動電能的轉(zhuǎn)化電路已不是問題。 4、考慮到裝置的可攜帶性以及人在行走過程中的舒適性，設(shè)計了一個可以伸縮的擺桿來解決這個問題，擺桿可以完全縮進該裝置內(nèi)，提高了可攜帶性。并且在行走過程中人的大腿不可能是完全在一個平面內(nèi)運動，擺桿的伸縮可以提高舒適性。 5、擺桿設(shè)計成圓形這樣人的腿在擺動的同時如果做小幅度的轉(zhuǎn)動也不會感到不舒適。 6、考慮到人們在急需電能時可能希望更快的得到電能，該裝置提供了一種更有效的方式，在擺桿縮在該裝置內(nèi)時可以直接用手按動小型的擺桿，從而更快的發(fā)出電能。 4、（25分）研究計劃及預(yù)期成果 （1）、研究進度、具體安排，及其進度檢查表 起止日期 主要工作內(nèi)容和要求 階段目標(biāo) 實際完成內(nèi)容 檢查日期 檢查人 2009年3 月01日 —2009年3 月21日 寫好開題報告，做好計劃。 開題報告 此欄由導(dǎo)師填寫，用于到期檢查 此欄為導(dǎo)師簽字用 2009年3 月22日 —2009年3 月28日 做出三維模型，二維加工圖。 三維模型 2009年3 月29日 —2009年4 月6日 做出電路部分，以及模擬圖。 電路部分 2009年4 月7日 —2009年4 月14日 起草目錄和說明書。 說明書 2009年4 月15日 —2009年4 月23日 完善說明書，整理所用資料。 整理所用資料 2009年4 月24日 —2009年5 月1日 做PPT文件，做好最好準(zhǔn)備。 PPT文件 注：1、畢業(yè)設(shè)計答辯一般在16周以前結(jié)束。并按要求答辯前7天，學(xué)生應(yīng)提交全部畢業(yè)論文（設(shè)計）材料（包括設(shè)計圖紙和其它資料），由指導(dǎo)教師和兩名評閱人評閱，以進行答辯資格審查。 2、進度檢查由指導(dǎo)教師按計劃檢查填寫，并與答辯前完成。 （2）、預(yù)期成果 該設(shè)計完成之后，外形是一個比手機稍大一點的長方形，可以放在腰間，同時有小型的伸縮桿，將伸縮桿拉出固定在膝蓋上部，伸縮桿可以隨著人的行走而擺動，從而產(chǎn)生動能。通過設(shè)計的機械機構(gòu)將動能轉(zhuǎn)化成電能并儲存起來，需要使用電能時，外殼頂部有USB插槽，通過插槽可以直接與手機、MP3、MP4以及其他隨身用電的小型設(shè)備進行充電。 5、（10分）特色或創(chuàng)新之處 1、現(xiàn)在市場上包括在實驗階段的行走發(fā)電裝置，主要有發(fā)電鞋、膝部發(fā)電裝置等，它們的共同的缺點是沒有將人行走時的動能最大限度的收集起來，發(fā)電鞋裝置小、力矩短產(chǎn)生的電能有限，膝部發(fā)電裝置放于膝部并不舒適且人行走時膝部的彎曲是輔助運動，產(chǎn)生的電能也是有限的。 胯關(guān)節(jié)是人們在行走時運動幅度和力度最大的部位，并且將發(fā)電裝置放在腰間也是比較舒適的。這是本設(shè)計的一大創(chuàng)新。 2、第二大創(chuàng)新之處是本設(shè)計內(nèi)部的動電能機械轉(zhuǎn)化機構(gòu)，內(nèi)部發(fā)電機采用雙向超越離合器，是同樣的擺動力度和幅度下一般發(fā)電裝置的兩到三倍，具體的情況是用雙向超越離合器使擺桿擺動的兩個方向互不影響各自運動且在慣性的作用下，產(chǎn)生附加的電能，從而產(chǎn)生比普通發(fā)電機構(gòu)多于兩倍的電能。 3、該裝置有兩種發(fā)電方式，一種是在擺桿縮在該裝置內(nèi)時可以直接用手按動小型的擺桿，更快的發(fā)出電能，從而滿足人們急需電能時的情況。另一種是傳統(tǒng)的方式，即將其放在腰間，由人的行走來產(chǎn)生電能。 6、（5分）已具備的條件和尚需解決的問題 （1）、圖書資料、儀器設(shè)備情況 1、 煙臺大學(xué)圖書館圖書資料。 2、 魯東大學(xué)圖書館圖書資料。 3、 百度查詢現(xiàn)在該方向的研究進展情況。 4、 三維設(shè)計軟件（UG NX4.0）。 （2）、其他各方面條件 在設(shè)計期間，得到石運序老師大力的支持和幫助。 7、（5分）參考文獻(xiàn)資料 序號 參考文獻(xiàn)資料 備注 1 《機械原理》，東南大學(xué)機械學(xué)學(xué)科組 鄭文緯 吳克堅主編 2 《機械設(shè)計》，高等教育出版社 濮良貴 紀(jì)名剛主編 3 《機械制圖》，大連理工大學(xué)工程畫教研室編 4 《電工學(xué)》，高等教育出版社 秦曾煌主編 5 《UG NX4 CAD快速入門指導(dǎo)》，清華大學(xué)出版社 洪如瑾編著 6 7 8 9 10 11 12 13 三、選題及開題報告評議表 指導(dǎo)教師對開題報告的綜合意見：（從選題的理論或?qū)嶋H價值出發(fā)，闡述學(xué)生利用的知識、原理、建立的模型正確與否？學(xué)生的論證充分否？通過學(xué)生的努力，能否完成課題，達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)？課題及報告的難度、深度、綜合性、創(chuàng)造性等是否達(dá)到本科生應(yīng)該具有的要求。） 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 學(xué)科組 評議結(jié)果 是否同意進入設(shè)計（論文）階段？ 學(xué)科組長簽名： 年 月 日 說明：1.本報告必須由承擔(dān)畢業(yè)設(shè)計(論文)課題任務(wù)的學(xué)生在接到“畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書”、正式開始做畢業(yè)設(shè)計(論文)的第2周末之前獨立撰寫完成，并交指導(dǎo)教師審閱。 2.每個畢業(yè)設(shè)計(論文)課題撰寫本報告一份，作為指導(dǎo)教師、學(xué)科組組長審查學(xué)生能否承擔(dān)該畢業(yè)設(shè)計(論文)課題任務(wù)、以及檢查設(shè)計進度的依據(jù)，并接受學(xué)院的抽查。 3.除“4、研究計劃及預(yù)期成果”中的“（1）、研究進度、具體安排，及其進度檢查表”中“實際完成內(nèi)容”和“檢查日期 檢查人”欄需要導(dǎo)師用筆填寫外，其余各項均要求打印，打印字體和字號為“小四號宋體”。 11 目 錄 目 錄 1 第1章 緒 論 2 1.1 課題背景 2 1.1.1胯關(guān)節(jié)運動能量收集裝置的設(shè)計背景 2 1.1.2能量收集裝置的基本知識 2 1.2 胯關(guān)節(jié)運動能量收集裝置的介紹 3 1.2.1基本特性 3 1.2.2 MCS-51單片機的硬件組成結(jié)構(gòu) 4 1.2.3 MCS-51的引腳功能 9 1.3 AT89C51單片機介紹 12 第2章 系 統(tǒng) 設(shè) 計 13 2.1 總體方案設(shè)計 13 2.2 硬件電路設(shè)計 14 2.2.1電源電路設(shè)計 14 2.2.2系統(tǒng)擴展 17 2.2.3監(jiān)控電路設(shè)計 21 2.2.4模擬輸入通道設(shè)計 25 2.2.5模擬輸出通道設(shè)計 31 2.2.6開關(guān)量的輸入、輸出的設(shè)計 35 2.2.7單片機與PC機之間串行通信 36 2.3 軟件設(shè)計 45 2.3.1主程序模塊 45 2.3.2數(shù)據(jù)采集、通信模塊 46 2.3.3監(jiān)控模塊 51 致謝 52 參考文獻(xiàn) 53 1 第1章 緒 論 1.1 課題背景 1.1.1胯關(guān)節(jié)運動能量收集裝置的設(shè)計背景 1、發(fā)電地板：東日本鐵路公司定于19日在東京站八重洲北口試驗“發(fā)電地板”。這種神奇的地板能將乘客走路時產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成綠色能源。鐵路公司18日向媒體展示了這套裝置。這種白色地板鋪設(shè)在兩臺檢票機之間，利用乘客走過檢票口時產(chǎn)生的振動發(fā)電。（08年1月） 2、充電鞋：日本電信電話公司正在研制一種“充電鞋”，行人可以一邊走路，一邊發(fā)電。這種鞋鞋底內(nèi)裝有水和一個小型發(fā)電機。人們穿著這種鞋子行走，鞋底產(chǎn)生的壓力使水流動，帶動發(fā)電機發(fā)電。公司發(fā)言人天滿秀臣說，“發(fā)電鞋”發(fā)電功率為1.2瓦特，“只要保持行走，發(fā)電量足以使iPod運轉(zhuǎn)”。研究人員正努力把發(fā)電功率提高到3瓦特，以便給手機充電。（08年10月） 3、腳踏發(fā)電裝置：美國某公共交通公司，在行人擁擠的公共場所，安裝一種腳踏發(fā)電裝置，它上方有一排踏板，當(dāng)行人腳踏踏板時，與踏板相連的搖桿從一個方向帶動中心軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動發(fā)電機發(fā)電。技術(shù)人員還將20塊金屬板鋪在路面上，在每塊板下放置一個儲蓄循環(huán)水的橡皮容器。當(dāng)人群或汽車通過以后，橡皮容器內(nèi)的水壓出去，產(chǎn)生高速水流，經(jīng)過地下通往路邊的發(fā)電機房，推動水輪機發(fā)電。在人群或汽車通過以后，橡皮容器又恢復(fù)到原狀，水返回窗口準(zhǔn)備再次受壓。如此循環(huán)往復(fù)便能不斷產(chǎn)生電流，當(dāng)上百人或一輛5噸重的汽車通過時，可產(chǎn)生7度的電力。 1.1.2能量收集裝置的基本知識 能量收集裝置主要是將機械能、風(fēng)能、熱能等轉(zhuǎn)化成電量儲存起來為人們所使用。最常見的是把機械能轉(zhuǎn)化為電能，主要是由一定機械裝置將原動力元件和小型的發(fā)電裝置連接起來，再通過整流電路將電量輸送到蓄電池中。 1.2 胯關(guān)節(jié)運動能量收集裝置的設(shè)計內(nèi)容及需解決的問題 1.2.1胯關(guān)節(jié)運動能量收集裝置的設(shè)計內(nèi)容 1、從人的行走中獲得最大限度的動能； （1）、首先要研究的內(nèi)容是如何從人的行走中獲得能量，經(jīng)過觀察研究，人在行走的過程中，臂關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和胯關(guān)節(jié)的運動幅度最大，臂關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的運動都屬于輔助運動，力度和幅度不是很大，由于人行走時主要依靠腿部的力量和運動，因此我們希望從膝關(guān)節(jié)和胯關(guān)節(jié)的運動中獲得能量，而人的大腿處的肌肉比較發(fā)達(dá)，且人的胯關(guān)節(jié)運動的幅度要比膝關(guān)節(jié)的大，從上述的分析中我可以肯定選擇胯關(guān)節(jié)來提供能量是最合理的。 （2）、其次要研究的內(nèi)容是以什么方式來得到這部分能量，人在行走過程中胯關(guān)節(jié)做有規(guī)律的來回轉(zhuǎn)動，可以用擺桿機構(gòu)來解決問題。 ２、設(shè)計有效的機構(gòu)來產(chǎn)生足夠的動能； （1）、上一步得到的擺桿運動不能直接用在發(fā)電機上，要將其進行轉(zhuǎn)化，這就是這一步要研究的內(nèi)容，擺桿運動的轉(zhuǎn)動角度有限不能使發(fā)電機有效的轉(zhuǎn)動來產(chǎn)生電能，需要用齒輪將小幅度的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化成快速有效的運動。 （2）、發(fā)電機有3種，即直流發(fā)電機、同步交流發(fā)電機和異步交流發(fā)電機。發(fā)電機多采用同步或異步交流發(fā)電機，發(fā)出的交流電通過整流裝置轉(zhuǎn)換成直流電。 發(fā)電機也是研究的重要內(nèi)容，由于此裝置有體積小，動力小的特點，因此發(fā)電機的改進顯的很重要。 ３、設(shè)計合適的動電能轉(zhuǎn)化電路； （1）、貯能裝置對獨立運行的發(fā)電機是十分重要的。其貯能方式有熱能貯能、化學(xué)能貯存。 （2）、貯能電路以及轉(zhuǎn)化電路也是要研究的對象，主要是如果將發(fā)電機不穩(wěn)定的電流轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的電流以供人們使用。 1.2.2胯關(guān)節(jié)運動能量收集裝置需解決的問題 1、如何從人的行走中獲得能量，我們希望從膝關(guān)節(jié)和胯關(guān)節(jié)的運動中獲得能量，要解決的關(guān)鍵問題是選擇人體的哪一個部位來提供動能。 2、研究的另一個關(guān)鍵問題是以什么方式來得到這部分能量，人在行走過程中胯關(guān)節(jié)做有規(guī)律的來回轉(zhuǎn)動，可以用擺桿機構(gòu)來解決問題。 3、擺桿運動不能直接用在發(fā)電機上，要將其進行轉(zhuǎn)化，這就是這一步要研究的問題，擺桿運動的轉(zhuǎn)動角度有限不能使發(fā)電機有效的轉(zhuǎn)動來產(chǎn)生電能，需要用齒輪將小幅度的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化成快速有效的運動。 4、發(fā)電機多采用同步或異步交流發(fā)電機，發(fā)出的交流電通過整流裝置轉(zhuǎn)換成直流電。或者直接產(chǎn)生直流電，這里我們選擇直接產(chǎn)生直流電，這樣可以節(jié)約材料簡化裝置。 5、發(fā)電機也是研究的重要問題，由于此裝置有體積小，動力小的特點，因此發(fā)電機的改進顯的很重要。這里對發(fā)電機做了大膽的改進，使它能產(chǎn)生比普通發(fā)電機多一倍到兩倍的電能。 6、貯能裝置對獨立運行的發(fā)電機是十分重要的。其貯能方式有熱能貯能、化學(xué)能貯存。這里選擇化學(xué)能貯能。 7、貯能電路以及轉(zhuǎn)化電路也是要研究的對象，主要是如果將發(fā)電機不穩(wěn)定的電流轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的電流以供人們使用。 8、USB端口的設(shè)置也是一個要解決的問題，不同的型號要全面的考慮，盡量擴大該設(shè)計的應(yīng)用范圍。 1.2.3 擬解決的關(guān)鍵問題 1、如何從人的行走中獲得能量，我們希望從膝關(guān)節(jié)和胯關(guān)節(jié)的運動中獲得能量，要解決的關(guān)鍵問題是選擇人體的哪一個部位來提供動能。 2、研究的另一個關(guān)鍵問題是以什么方式來得到這部分能量，人在行走過程中胯關(guān)節(jié)做有規(guī)律的來回轉(zhuǎn)動，可以用擺桿機構(gòu)來解決問題。 3、擺桿運動不能直接用在發(fā)電機上，要將其進行轉(zhuǎn)化，這就是這一步要研究的問題，擺桿運動的轉(zhuǎn)動角度有限不能使發(fā)電機有效的轉(zhuǎn)動來產(chǎn)生電能，需要用齒輪將小幅度的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化成快速有效的運動。 4、發(fā)電機多采用同步或異步交流發(fā)電機，發(fā)出的交流電通過整流裝置轉(zhuǎn)換成直流電?；蛘咧苯赢a(chǎn)生直流電，這里我們選擇直接產(chǎn)生直流電，這樣可以節(jié)約材料簡化裝置。 5、發(fā)電機也是研究的重要問題，由于此裝置有體積小，動力小的特點，因此發(fā)電機的改進顯的很重要。這里對發(fā)電機做了大膽的改進，使它能產(chǎn)生比普通發(fā)電機多一倍到兩倍的電能。 6、貯能裝置對獨立運行的發(fā)電機是十分重要的。其貯能方式有熱能貯能、化學(xué)能貯存。這里選擇化學(xué)能貯能。 7、貯能電路以及轉(zhuǎn)化電路也是要研究的對象，主要是如果將發(fā)電機不穩(wěn)定的電流轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的電流以供人們使用。 8、USB端口的設(shè)置也是一個要解決的問題，不同的型號要全面的考慮，盡量擴大該設(shè)計的應(yīng)用范圍。 1.2.4 擬采取的技術(shù)方案及思路 1、從胯關(guān)節(jié)的運動過程中獲得最大限度的能量，胯關(guān)節(jié)是人們在行走時運動幅度和力度最大的部位，并且將發(fā)電裝置放在腰間也是比較舒適的，這樣可以最大限度的獲得人們行走時產(chǎn)生的動能。 2、本設(shè)計的內(nèi)部采用二級齒輪加速機構(gòu)，且使用有創(chuàng)新性設(shè)計的雙向超越離合器機構(gòu)能夠產(chǎn)生足夠的電能。二級齒輪加速機構(gòu)可以保證發(fā)電機的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的要求，雙向超越離合器可以使該設(shè)計發(fā)出比一般發(fā)電機多一倍到兩倍的電能。 3、現(xiàn)在動電能的轉(zhuǎn)化電路已比較成熟且得到了廣泛的應(yīng)用，動電能的轉(zhuǎn)化電路已不是問題。我采用常用的整流電路就可以解決問題。 4、考慮到裝置的可攜帶性以及人在行走過程中的舒適性，設(shè)計了一個可以伸縮的擺桿來解決這個問題，擺桿可以完全縮進該裝置內(nèi)，提高了可攜帶性。并且在行走過程中人的大腿不可能是完全在一個平面內(nèi)運動，擺桿的伸縮可以提高舒適性。 5、我們考慮到人在行走的過程中，腿不會完全的在一個平面內(nèi)，因此擺桿設(shè)計成圓形這樣人的腿在擺動的同時如果做小幅度的轉(zhuǎn)動也不會感到不舒適。 6、該裝置有兩種發(fā)電方式，一種是在擺桿縮在該裝置內(nèi)時可以直接用手按動小型的擺桿，更快的發(fā)出電能，從而滿足人們急需電能時的情況。另一種是傳統(tǒng)的方式，即將其放在腰間，由人的行走來產(chǎn)生電能。這樣兩種方式可以滿足各方面不同的需要。 7、如果將發(fā)電機不穩(wěn)定的電流轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的電流以供人們使用，這里需要一個整流電路來解決問題。 8、對于如何將電能傳送到人們常用的設(shè)備中，手機、MP3、MP4等，我們采用多個插槽的方法，有USB插槽有其他萬能充樣式的插槽，以此來充滿不同的需要。 9、有的人不習(xí)慣用腰帶或者有的衣服不需要，這里我們有備用的腰帶。 10、對于膝部擺桿的固定用小型的帶狀結(jié)構(gòu)固定。 1.2.5研究方案的有效和可行性分析 1、將胯關(guān)節(jié)作為能量收集的部位是可行的，胯關(guān)節(jié)是人們在行走時運動幅度和力度最大的部位，并且將發(fā)電裝置放在腰間也是比較舒適的，這樣可以最大限度的獲得人們行走時產(chǎn)生的動能。 2、動電能的轉(zhuǎn)化是可行的，本設(shè)計的內(nèi)部采用二級齒輪加速機構(gòu)，且使用有創(chuàng)新性設(shè)計的雙向超越離合器機構(gòu)能夠產(chǎn)生足夠的電能。 3、電能儲存轉(zhuǎn)化電路的設(shè)計是可行的，現(xiàn)在動電能的轉(zhuǎn)化電路已比較成熟且得到了廣泛的應(yīng)用，動電能的轉(zhuǎn)化電路已不是問題。 4、考慮到裝置的可攜帶性以及人在行走過程中的舒適性，設(shè)計了一個可以伸縮的擺桿來解決這個問題，擺桿可以完全縮進該裝置內(nèi)，提高了可攜帶性。并且在行走過程中人的大腿不可能是完全在一個平面內(nèi)運動，擺桿的伸縮可以提高舒適性。 5、擺桿設(shè)計成圓形這樣人的腿在擺動的同時如果做小幅度的轉(zhuǎn)動也不會感到不舒適。 6、考慮到人們在急需電能時可能希望更快的得到電能，該裝置提供了一種更有效的方式，在擺桿縮在該裝置內(nèi)時可以直接用手按動小型的擺桿，從而更快的發(fā)出電能。 1.2.6 特色或創(chuàng)新之處 1、現(xiàn)在市場上包括在實驗階段的行走發(fā)電裝置，主要有發(fā)電鞋、膝部發(fā)電裝置等，它們的共同的缺點是沒有將人行走時的動能最大限度的收集起來，發(fā)電鞋裝置小、力矩短產(chǎn)生的電能有限，膝部發(fā)電裝置放于膝部并不舒適且人行走時膝部的彎曲是輔助運動，產(chǎn)生的電能也是有限的。 胯關(guān)節(jié)是人們在行走時運動幅度和力度最大的部位，并且將發(fā)電裝置放在腰間也是比較舒適的。這是本設(shè)計的一大創(chuàng)新。 2、第二大創(chuàng)新之處是本設(shè)計內(nèi)部的動電能機械轉(zhuǎn)化機構(gòu)，內(nèi)部發(fā)電機采用雙向超越離合器，是同樣的擺動力度和幅度下一般發(fā)電裝置的兩到三倍，具體的情況是用雙向超越離合器使擺桿擺動的兩個方向互不影響各自運動且在慣性的作用下，產(chǎn)生附加的電能，從而產(chǎn)生比普通發(fā)電機構(gòu)多于兩倍的電能。 3、該裝置有兩種發(fā)電方式，一種是在擺桿縮在該裝置內(nèi)時可以直接用手按動小型的擺桿，更快的發(fā)出電能，從而滿足人們急需電能時的情況。另一種是傳統(tǒng)的方式，即將其放在腰間，由人的行走來產(chǎn)生電能。 1.2.7課題的學(xué)術(shù)價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值 1、實際應(yīng)用： 一、在日常生活中人們散步、跑步的同時可以將人的胯關(guān)節(jié)運動的動能轉(zhuǎn)化為電能儲存起來，并且可以直接給手機、MP3、MP4等日常用品的電池充電。 二、在野外考察、科研時，往往因為條件有限無法得到日常使用的交流或直流電源，特別是如果遇到緊急情況而且通信設(shè)備卻電量不足，此時急需一種方便快捷的獲取電能的方法。這時就可以用到胯關(guān)節(jié)運動能量收集裝置了，它可以為簡單的通信設(shè)備充電，以滿足當(dāng)務(wù)之急。 2、應(yīng)用價值： 一、胯關(guān)節(jié)運動能量的收集可以緩解現(xiàn)在人們對電能的需求。 二、胯關(guān)節(jié)運動能量的收集可以為人們的日常生活提供便利，比如說人們可以一邊散步一邊聽音樂而不用擔(dān)心自己的MP3會沒電。 三、胯關(guān)節(jié)運動能量收集裝置最大的價值體現(xiàn)在當(dāng)人們在野外考察探險時可以用此裝置產(chǎn)生電能，滿足在沒有常用充電設(shè)備時對電能的需要。 第2章 胯關(guān)節(jié)運動能量收集裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1胯關(guān)節(jié)運動能量收集裝置的總體方案設(shè)計 1、總體方案的原理性設(shè)計 （1）原理性結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)本設(shè)計的采用二級加速齒輪機構(gòu)，且使用有創(chuàng)新性設(shè)計的雙向超越離合器機構(gòu)能夠產(chǎn)生足夠的電能。二級齒輪加速機構(gòu)可以保證發(fā)電機的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的要求，雙向超越離合器可以使該設(shè)計發(fā)出比一般發(fā)電機多一倍到兩倍的電能，二級齒輪加速機構(gòu)及雙向超越離合器機構(gòu)如圖2.1所示。 2 3 1 4 原動力齒輪 發(fā)電機 雙向超越離合器機構(gòu) 順時針超越離合器 逆時針超越離合器 圖2.1 二級齒輪加速機構(gòu)及雙向超越離合器機構(gòu)原理圖 （2）傳動比的計算 傳動比n===30 （3）電機轉(zhuǎn)速的計算 電機轉(zhuǎn)速ω==15π 其中: n為傳動比，人的行走速度為每秒1.5步，每步轉(zhuǎn)動的角度為60度。 2、雙向超越離合器機構(gòu)的設(shè)計 雙向超越離合器可以使該設(shè)計發(fā)出比一般發(fā)電機多一倍到兩倍的電能，人行走時，腿做往復(fù)的擺動，當(dāng)腿向前擺動時，逆時針超越離合器起作用，開始工作，帶動棘輪轉(zhuǎn)動，棘輪又是電機外殼，與發(fā)電的磁鐵是一體的，這樣就可以通過切割磁感線運動使發(fā)電機發(fā)出電量來，當(dāng)腿向后擺動時，順時針超越離合器起作用，開始工作，帶動棘輪轉(zhuǎn)動，發(fā)出電量來。 此時，關(guān)鍵之處是，逆時針超越離合器的棘輪由于慣性的原因仍在做逆時針轉(zhuǎn)動，這樣雙面的棘輪一個做逆時針轉(zhuǎn)動，一個做順時針轉(zhuǎn)動，這樣的相對運動比單獨的一個運動多出一倍多的電量。如圖2.2所示。 逆時針棘輪 即電機外殼 發(fā)電機 傳動齒輪 棘爪 順時針超越離合器 圖2.2雙向超越離合器機構(gòu) 　　　棘爪的設(shè)計不需要加彈簧的原因，以逆時針的棘爪棘輪機構(gòu)為例，當(dāng)逆時針運動時，由于切向的摩擦力的作用，棘爪外伸，帶動棘輪轉(zhuǎn)動；當(dāng)順時針運動時，由于切向的摩擦力的作用，棘爪內(nèi)縮，不帶動棘輪輪動。在此，巧妙的運用摩擦力簡化了機構(gòu)。 3、發(fā)電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計 （1）發(fā)電機的結(jié)構(gòu)：發(fā)電機的兩塊磁鐵異極相對，這樣磁感線可以近似的垂直于線圈，有效的做切割磁感線運動，兩塊磁鐵分別與兩個電機外殼做反向的相對運動，使線圈更有效的切割磁感線。 支撐板 線圈 墊片 磁鐵 圖2.3發(fā)電機內(nèi)部結(jié)構(gòu) （2）直流電機的感應(yīng)電動勢的計算： 直流電機的感應(yīng)電動勢為Ｅa= 其中：P表示磁極對數(shù)，這里P=1； N表示電樞繞組的總導(dǎo)體數(shù)； 2a為支路數(shù)； 為每極的磁通； n表示轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n= =180 1)磁通量計算： 磁通量=BA 磁通密度B=μH, 其中μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，單位為（H/m）；空氣中μ0=4π×10-7H/m；H為磁場強度。 鋁鎳鈷系永磁材料是目前電機中應(yīng)用較廣的永磁材料。 取鋁鎳鈷32，B=1.2特，HC=44千安/米，磁導(dǎo)率為3.2-4.5μ0 若不計磁漏則=BA=3.6×10-7韋 2)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速的計算： 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n= =180 綜上所述, 直流電機的感應(yīng)電動勢為Ｅa===5.410V 由于采用順時針和逆時針兩種方式的發(fā)電機，因此發(fā)電量是單一發(fā)電機的兩倍，又因為采用雙向的超越離合裝置，由于相對運動的作用可以使發(fā)電量提高三到四倍。將兩個發(fā)電機并聯(lián)電壓相加，即E=3E或4 E=1.6210V-2.1610V。 （3）線圈電阻的計算： 線圈電阻R===52.5 其中：為電阻率，L為導(dǎo)線長度，S為橫截面積。 4、二級齒輪加速機構(gòu)的設(shè)計 搖桿是原動件隨著人的腿部運動而擺動，帶動內(nèi)齒輪運動，再到小齒輪、大齒輪，由齒輪再到離合器齒輪，通過二級的齒輪加速機構(gòu)來提高轉(zhuǎn)速，以便能發(fā)出更多的電能。 離合器齒輪 小齒輪 內(nèi)齒輪 大齒輪 搖桿 圖2.4二級齒輪加速機構(gòu) 5、胯關(guān)節(jié)能量收集裝置的放置 （1）整體放置 胯關(guān)節(jié)的運動過程中獲得最大限度的能量，胯關(guān)節(jié)是人們在行走時運動幅度和力度最大的部位，并且將發(fā)電裝置放在腰間也是比較舒適的，這樣可以最大限度的獲得人們行走時產(chǎn)生的動能，其放置方式如圖2.4所示。 圖2.5 胯關(guān)節(jié)能量收集裝置的放置 （2）腰帶連接部分 內(nèi)扣式嵌入腰帶側(cè)面，保證胯關(guān)節(jié)能量收集裝置能夠固定在人的腰部。 圖2.6 腰帶連接 6、兩種發(fā)電方式 該裝置有兩種發(fā)電方式，一種是在擺桿縮在該裝置內(nèi)時可以直接用手按動小型的擺桿，更快的發(fā)出電能，從而滿足人們急需電能時的情況。另一種是傳統(tǒng)的方式，即將其放在腰間，由人的行走來產(chǎn)生電能。這樣兩種方式可以滿足各方面不同的需要。如圖2.6所示。 四指抓握處 圖2.7 兩種發(fā)電方式 7、充電電池的放置 可以適應(yīng)各種充電電池，以滿足不同充電設(shè)備的需要。以下是幾種電池的代表，我們看到有的電池的觸點在正面，有的電池的觸點在側(cè)面。 為了適應(yīng)觸點位置不同和觸點的距離不同的電池，設(shè)計了下面的固定電池的裝置，導(dǎo)爪的距離可以調(diào)節(jié)，導(dǎo)爪的觸點分前觸點和下觸點這樣就可以滿足電池觸點在正面或者側(cè)面的問題。 圖2.8充電電池的放置 8、手機電池容量的計算 一般的手機電池是3.7V500mAh。 其中儲存的電能是W=3.750010=1.85Wh 2.3胯關(guān)節(jié)運動能量收集裝置關(guān)鍵零件的受力分析 1、關(guān)鍵零件的材料及相關(guān)屬性 號數(shù) 零件名稱 材料 質(zhì)量 體積 1 rocker [SW]ABS 0.0153479 kg 1.50469e-005 m^3 屬性名稱 數(shù)值 單位 彈性模量 2e+009 N/m^2 普阿松比率 0.394 NA 質(zhì)量密度 1020 kg/m^3 屈服強度 0 N/m^2 2、關(guān)鍵零件的約束及載荷 如圖將位置1固定，在位置2處施加一個力。 1 2 圖2.9 約束及載荷 3、關(guān)鍵零件的網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格信息 網(wǎng)格類型: 實體網(wǎng)格 所用網(wǎng)格器: 標(biāo)準(zhǔn) 自動過渡: 關(guān)閉 光滑表面: 打開 雅各賓式檢查: 4 Points 要素大小: 2.4697 mm 公差: 0.12349 mm 品質(zhì): 高 要素數(shù): 9050 節(jié)數(shù): 15334 圖2.10 網(wǎng)格劃分 4、關(guān)鍵零件的應(yīng)力結(jié)果 名稱 類型 最小 位置 最大 位置 圖解1 VON:von Mises 應(yīng)力 13.9049 N/m^2 (30.7545 mm, -76.2172 mm, 0.183503 mm) 542882 N/m^2 (-1 mm, -1.73205 mm, 7.76515 mm) 圖2.11 應(yīng)力分析 5、關(guān)鍵零件的位移結(jié)果 名稱 類型 最小 位置 最大 位置 圖解2 URES:合力位移 0 mm (-2 mm, 1.22461e-016 mm, 12 mm) 0.0644093 mm (18.5767 mm, -81.8733 mm, 6 mm) 圖2.12 位移分析 2.1.3胯關(guān)節(jié)運動能量收集裝置的各部分零件設(shè)計 1、雙向超越離合器機構(gòu)的零件設(shè)計 雙向超越離合器機構(gòu)由棘爪、棘爪輪、傳動齒輪、逆時針棘輪和順時針棘輪五部分組成。雙向超越離合器的裝配圖如圖2.13所示。 圖2.13雙向超越離合器的裝配圖 （1） 棘爪的設(shè)計 棘爪需要繞棘爪輪轉(zhuǎn)動，要有一個軸以便棘爪能夠轉(zhuǎn)動，但棘爪又要單方向運動，因此要有一個阻擋的結(jié)構(gòu)使棘爪單方向運動。如圖2.14棘爪零件圖所示。 圖2.14棘爪零件圖 （2） 棘爪輪的設(shè)計 棘爪輪完全是為棘爪所設(shè)計的，為實現(xiàn)棘爪的運動而設(shè)計的，結(jié)構(gòu)也是盡量簡潔。如圖2.15棘爪輪所示。 圖2.15棘爪輪 （3） 傳動齒輪的設(shè)計 傳動齒輪與棘爪輪是一體的，棘爪輪隨著傳動齒輪一起運動，傳動齒輪的壓力角取20度,齒寬取2mm，模數(shù)取1mm，齒數(shù)為8。如圖2.16傳動齒輪所示。 圖2.16傳動齒輪 （4） 逆時針棘輪、順時針棘輪的設(shè)計 逆時針棘輪、順時針棘輪的轉(zhuǎn)動方向正好相反，當(dāng)腿向前擺動時，逆時針超越離合器起作用，開始工作，帶動棘輪轉(zhuǎn)動，棘輪又是電機外殼，與發(fā)電的磁鐵是一體的，這樣就可以通過切割磁感線運動使發(fā)電機發(fā)出電量來，當(dāng)腿向后擺動時，順時針超越離合器起作用，開始工作，帶動棘輪轉(zhuǎn)動，發(fā)出電量來。如圖2.17逆時針棘輪、順時針棘輪所示。 圖2.17逆時針棘輪、順時針棘輪 2、發(fā)電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件設(shè)計 發(fā)電機的兩塊磁鐵異極相對，這樣磁感線可以近似的垂直于線圈，有效的做切割磁感線運動，兩塊磁鐵分別與兩個電機外殼做反向的相對運動，使線圈更有效的切割磁感線。 發(fā)電機由磁鐵、墊片、線圈和支撐組成。如圖2.18發(fā)電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的裝配圖所示。 圖2.18發(fā)電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的裝配圖 （1） 磁鐵的設(shè)計 鋁鎳鈷系永磁材料是目前電機中應(yīng)用較廣的永磁材料。磁鐵與棘輪連在一體隨著棘輪的轉(zhuǎn)動而運動，磁鐵設(shè)計成圓形，以便固定在棘輪上，兩端的順時針棘輪和逆時針棘輪是異極相對的，這樣可以使磁感線盡量的集中在發(fā)電機的內(nèi)部以便對線圈起作用。如圖2.19磁鐵所示。 圖2.19磁鐵 （2） 墊片的設(shè)計 墊片位于磁鐵和線圈的中間，起到過渡的作用，以免磁鐵直接摩擦到線圈，使線圈受損，墊片如圖2.20墊片所示。 圖2.20墊片 （3） 線圈的設(shè)計 線圈的銅線取0.1mm的直徑，共500圈。如圖2.21線圈所示。 圖2.21線圈 （4） 支撐的設(shè)計 支撐是為固定線圈和輸出電流而設(shè)計的，它是固定于外殼上的，與外殼是一體的。如圖2.22支撐所示。 圖2.22支撐 3、二級齒輪加速機構(gòu)的零件設(shè)計 二級齒輪加速機構(gòu)由大齒輪、小齒輪、搖桿和離合器齒輪組成。 （1） 大齒輪的設(shè)計 根據(jù)2.1.2中的理論計算,大齒輪的壓力角取20度,齒寬取2mm，模數(shù)取1mm，齒數(shù)為40。 根據(jù)上述參數(shù)及漸開線齒輪的相關(guān)特性建模，如圖2.23所示。 圖2.23 大齒輪 （2） 小齒輪的設(shè)計 根據(jù)2.1.2中的理論計算,小齒輪的壓力角取20度,齒寬取17mm，模數(shù)取0.5mm，齒數(shù)為16。 根據(jù)上述參數(shù)及漸開線齒輪的相關(guān)特性建模，如圖2.24所示。 圖2.24 與搖桿接觸的小齒輪 （3） 搖桿的設(shè)計 搖桿是原動件隨著人的腿部運動而擺動，帶動內(nèi)齒輪運動，再到小齒輪、大齒輪，由齒輪再到離合器齒輪，通過二級的齒輪加速機構(gòu)來提高轉(zhuǎn)速，以便能發(fā)出更多的電能。 根據(jù)2.1.2中的理論計算及人體的平均尺寸，搖桿的總長取為85mm,總寬為50mm,軸的直徑為4mm,內(nèi)齒輪的半徑為48mm,模數(shù)與上述小齒輪的一致。如圖2.25所示。 圖2.25 搖桿 （4） 離合器齒輪的設(shè)計 根據(jù)2.1.2中的理論計算,小齒輪的壓力角取20度,齒寬取2mm，模數(shù)取1mm，齒數(shù)為8。 根據(jù)上述參數(shù)及漸開線齒輪的相關(guān)特性建模，如圖2.26離合器齒輪所示。 圖2.26離合器齒輪 4、 伸縮桿的零件設(shè)計 考慮到裝置的可攜帶性以及人在行走過程中的舒適性，設(shè)計了一個可以伸縮的擺桿來解決這個問題，擺桿可以完全縮進該裝置內(nèi)，提高了可攜帶性。并且在行走過程中人的大腿不可能是完全在一個平面內(nèi)運動，擺桿的伸縮可以提高舒適性。我們考慮到人在行走的過程中，腿不會完全的在一個平面內(nèi)，因此擺桿設(shè)計成圓形這樣人的腿在擺動的同時如果做小幅度的轉(zhuǎn)動也不會感到不舒適。伸縮桿的設(shè)計如圖2.27所示。 圖2.27伸縮桿 5、充電裝置的零件設(shè)計 充電裝置的設(shè)置也是一個要解決的問題，不同的型號要全面的考慮，盡量擴大該設(shè)計的應(yīng)用范圍，可以為各種電池充電。充電裝置由頂蓋、導(dǎo)爪、導(dǎo)片、螺釘和彈簧組成。 （1） 頂蓋的設(shè)計 頂蓋的設(shè)計是為了固定電池以及將導(dǎo)線與電池接觸的。如圖所示。 （2） 導(dǎo)爪的設(shè)計 導(dǎo)爪的設(shè)計可以滿足不同型號的電池，電池的導(dǎo)片有在前端的，也有在側(cè)面的，這樣用導(dǎo)爪的下觸點和前觸點來解決。 （3） 導(dǎo)片的設(shè)計 導(dǎo)片是用來和內(nèi)部發(fā)電機和外部的導(dǎo)爪相連的，將兩者導(dǎo)通，同時讓導(dǎo)爪可以有一定轉(zhuǎn)動。 （4） 彈簧的設(shè)計 （5） USB插槽 對于如何將電能傳送到人們常用的設(shè)備中，手機、MP3、MP4等，我們采用多個插槽的方法，有USB插槽有其他萬能充樣式的插槽，以此來充滿不同的需要。 圖2.17 USB插頭 4.1 塑料零件的設(shè)計要點 4.1.1零件的形狀應(yīng)盡量簡單、合理、便于成型在保證使用要求前提下，力求簡單、便于脫模，盡量避免或減少抽芯機構(gòu)。 4.1.2 零件的壁厚確定應(yīng)合理 塑料零件的壁厚取決于塑件的使用要求，太薄會造成制品的強度和剛度不足，受力后容易產(chǎn)生翹曲變形 ，成型時流動阻力大 ，大型復(fù)雜的零件就難以充滿型腔。反之，壁厚過大，不但浪費材料，而且加長成型周期，降低生產(chǎn)率，還容易產(chǎn)生氣泡、縮孔、翹曲等疵病。因此制件設(shè)計時確定零件壁厚應(yīng)注意以下幾點： 1） 在滿足使用要求的前提下，盡量減小壁厚； 2） 零件的各部位壁厚盡量均勻，以減小內(nèi)應(yīng)力和變形。不均勻的壁厚會造成嚴(yán)重的翹曲及尺寸控制的問題； 3） 承受緊固力部位必須保證壓縮強度； 4） 避免過厚部位產(chǎn)生縮孔和凹陷； 5） 成型頂出時能承受沖擊力的沖擊。 4.1.3必須設(shè)置必要的脫模斜度為確保制件成型時能順利脫模，設(shè)計時必須在脫模方向設(shè)置脫模斜度，其大小與塑料性能、零件件的收縮率和幾何形狀有關(guān)，對于工程塑料的結(jié)構(gòu)件來說，一般應(yīng)在保證順利脫模的前提下，盡量減小脫模斜度。 4.1.4強度和剛度不足可考慮設(shè)計加強筋 為滿足零件的使用所需的強度和剛度單用增加壁厚的辦法，往往是不合理的，不僅大幅增加了零件的重量，而且易產(chǎn)生縮孔、凹痕等疵病，在零件設(shè)計時應(yīng)考慮設(shè)置加強筋，這樣能滿意地解決這些問題，它能提高零件的強度、防止和避免塑料的變形和翹曲。設(shè)置加強筋的方向應(yīng)與料流方向盡量保持一致，以防止充模時料流受到攪亂，降低零件的韌性或影響制件外觀質(zhì)量。 4.1.5零件的所有的轉(zhuǎn)角盡可能設(shè)計成圓角或者用圓弧過渡 4.1.5.1圓角可避免應(yīng)力集中，提高制件強度 在零件的轉(zhuǎn)角處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在受力或受沖擊、振動時會發(fā)生破裂，如果成型條件不當(dāng)或零件結(jié)構(gòu)不合理，則會產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，特別容易產(chǎn)生應(yīng)力開裂。實驗數(shù)據(jù)證明，當(dāng)圓角半徑小于零件壁厚0.3 倍時應(yīng)力集中急劇增大，當(dāng)大于壁厚0.8 倍時，應(yīng)力集中明顯變小。 4.1.5.2圓角可有利于充模和脫模 對于一些流動性差的塑料或加入填料的塑料，零件設(shè)計圓角尤為重要，不僅可改善充模性能，而且可提高零件使用性能。 4.1.5.3圓角有利于模具制造，提高模具強度 零件上設(shè)計了圓角，模具的對應(yīng)部位也呈圓角，這就增加了模具的堅固性，模具在淬火或使用時不致因應(yīng)力集中而開裂，因而也增加了模具的強度。 4.1.6塑料零件材料的選擇原則 ABS 用途: 玩具、機殼、日常用品 特性: 堅硬、不易碎、可涂膠水，但損壞時可能有利邊出現(xiàn)。 PP 用途: 玩具、日常用品、包裝膠袋、瓶子 特性: 有彈性、韌度強、延伸性大、但不可涂膠水。 用途: 軟喉管、硬喉管、軟板、硬板、電線、玩具 特性: 柔軟、堅韌而有彈性。 POM 用途: 機械零件、齒輪、杠桿、家電外殼 特性: 耐磨、堅硬但脆弱，損壞時容易有利邊出現(xiàn) Nylon 用途: 齒輪、滑輪 特性: 堅韌、吸水、但當(dāng)水份完全揮發(fā)后會變得脆弱。 Kraton 用途: 摩打墊 特性: 柔軟，有彈性，韌度高，延伸性強。 總結(jié) 塑料零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須在滿足使用要求和符合塑料本身的特性前提下，盡可能簡 化結(jié)構(gòu)和模具、節(jié)省材料、便于成型。 第3章 電 路 設(shè) 計 2.2 硬件電路設(shè)計 2.2.1電路設(shè)計 圖2.2 整流電路 左端為發(fā)電機產(chǎn)生的電壓，由于人行走時腿的擺動不能是絕對勻速的，因此產(chǎn)生的電壓是不穩(wěn)定的，需要穩(wěn)壓。首先經(jīng)過電容、二極管和穩(wěn)壓管的調(diào)節(jié)將不穩(wěn)定的電流儲存到蓄電池中，但如果這樣直接傳輸?shù)绞謾C電池中，當(dāng)在人行走時，由于并聯(lián)電壓電壓會比較高，因此要再次進行穩(wěn)壓，這樣輸?shù)绞謾C電池中才能滿足要求。 總 結(jié) 現(xiàn)在市場上包括在實驗階段的行走發(fā)電裝置，主要有發(fā)電鞋、膝部發(fā)電裝置等，它們的共同的缺點是沒有將人行走時的動能最大限度的收集起來，發(fā)電鞋裝置小、力矩短產(chǎn)生的電能有限，膝部發(fā)電裝置放于膝部并不舒適且人行走時膝部的彎曲是輔助運動，產(chǎn)生的電能也是有限的。 胯關(guān)節(jié)是人們在行走時運動幅度和力度最大的部位，并且將發(fā)電裝置放在腰間也是比較舒適的。這是本設(shè)計的一大創(chuàng)新。  致 謝 本論文是在導(dǎo)師石運序的精心指導(dǎo)下完成的。在接受導(dǎo)師指導(dǎo)的時間里，他那淵博的知識，活躍的思維，敏銳的洞察力，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度給我留下了深刻的印象，并將使我受益終身。在此論文完成之際，對導(dǎo)師曾經(jīng)給予的學(xué)術(shù)上的指導(dǎo)，生活上的關(guān)心和幫助致以最誠摯的謝意!最后，感謝我的家人，是他們給了我關(guān)心和鼓勵，使我在整個大學(xué)期間，能夠?qū)Ｐ牡膶W(xué)習(xí)和工作，謝謝！ 參考文獻(xiàn) [1]. 《機械原理》，東南大學(xué)機械學(xué)學(xué)科組 鄭文緯 吳克堅主編 [2]. 《機械設(shè)計》，高等教育出版社 濮良貴 紀(jì)名剛主編 [3]. 《機械制圖》，大連理工大學(xué)工程畫教研室編 [4]. 《電工學(xué)》，高等教育出版社 秦曾煌主編 [5]. 《UG NX4 CAD快速入門指導(dǎo)》，清華大學(xué)出版社 洪如瑾編著 [6]. http//www.baidu.com 28