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胯关节能量收集装置的设计【优秀+18张CAD图纸及UG三维】

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胯关节能量收集装置的设计【优秀+18张CAD图纸及UG三维】

【带开题报告+答辩ppt+30页@正文10500字】【详情如下】【需要咨询购买全套设计请加QQ1459919609 】.bat

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[摘要]:

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。

论文首先介绍了该装置的设计思路,特别详细介绍了机构原理、电路设计以及使用方法等。

关键词: 行走发电;手机充电;

[ABSTRACT] :

During the time of working and scientific research in the open, because often the condition limitedly is unable to obtain the daily use exchange or the direct-current power supply,if specially encounters the emergency case moreover the communication facility electric quantity to be actually insufficient,is this time urgently needed one kind of convenience quick gain electrical energy the method.By now might use the hip joint movement energy collecting device,it may for the simple communication facility charge,satisfy the urgent matter.

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;

目录

第1章  绪  论1

1.1  课题背景2

1.1.1胯关节运动能量收集装置的设计背景2

1.1.2能量收集装置的基本知识2

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2

1.2.1胯关节运动能量收集装置的设计内容2

1.2.2胯关节运动能量收集装置需解决的问题3

1.2.3 拟解决的关键问题3

1.2.4 拟采取的技术方案及思路4

1.2.5研究方案的有效和可行性分析4

1.2.6 特色或创新之处5

1.2.7课题的学术价值或实际应用价值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

2.2胯关节运动能量收集装置关键零件的受力分析12

2..3胯关节运动能量收集装置的各部分零件设计15

第3章 电 路 设 计24

总  结26

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。

参考文献

[1]. 《机械原理》,东南大学机械学学科组 郑文纬 吴克坚主编

[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


内容简介:
烟台大学毕业论文(设计)摘要: 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。论文首先介绍了该装置的设计思路,特别详细介绍了机构原理、电路设计以及使用方法等。关键词: 行走发电;手机充电; ABSTRACT : During the time of working and scientific research in the open, because often the condition limitedly is unable to obtain the daily use exchange or the direct-current power supply,if specially encounters the emergency case moreover the communication facility electric quantity to be actually insufficient,is this time urgently needed one kind of convenience quick gain electrical energy the method.By now might use the hip joint movement energy collecting device,it may for the simple communication facility charge,satisfy the urgent matter.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分类号 编号胯关节能量收集装置的设计Device Translating Kinetic Energy Into Electricity By Walk(申请烟台大学学士学位论文)申请学位: 工 学 学 士 院 系: 机电汽车工程学院 专 业: 机械设计制造及其自动化 学生姓名: 学 号: 200523501637 指导老师 2009年 3 月 2 日烟台大学申请学士学位论文胯关节能量收集装置的设计申请人: 导 师: 2009年 3 月 2 日烟台大学烟 台 大 学机电汽车工程学院(2005 )级 学士学位论文开题报告暨工作实施计划毕业设计(论文)题 目 胯关节运动能量收集装置的设计 专 业机械设计制造及其自动化班 级 机051-6班 学 生 姓 名 学 号 200523501637导 师 姓 名 开题报告日期 2009 年 3 月 2 日 入 学 年 月 2005 年 9 月 4 日 机电汽车工程学院制2009年 3月 2日开题报告的撰写开题报告是开题者对科研课题的一种表格形式的文字说明材料。目的是为加强科学研究活动计划性,它把要报告的每一项内容转换成相应的栏目,这样做,既便于开题报告按目填写,避免遗漏;又便于评审者一目了然,把握要点。开题报告与毕业论文一并存档。一、 课题来源课题来源是指课题来自于何处,通常来说,有问题才有研究的必要,要解决问题才会去研究。问题的产生是课题产生的源泉。课题的来源有以下几个方面:1) 企业生产第一线学生在工厂、企业、科研单位进行工程实践的基础上,结合实际需要确定有研究开发价值的题目;可以是影响生产的关键性工艺或设备方面的课题,也可以是接受企业委托协助研究开发的项目。2) 导师指定课题指导教师根据科研项目、工程设计任务或新产品的开发研制等,从中选出适合学生情况和教学要求的部分作为课题。3) 来源于文献和资料通过查阅文献资料,了解国际国内相关学科、工程技术的理论与实践的现状、成果,以及存在问题和发展趋势,找出需要研究和解决的问题作为课题。二、 (10分)课题的目的和意义课题的意义是指课题的技术、经济和社会意义和对单位及自己的意义。课题的意义通常可以表述成:课题研究针对的主要问题是什么,本课题具有哪些学术价值或实际应用价值(比如说:给企业的生产带来多大便利和经济效益,提高了多少生产效率等),是否具有研究的紧迫性和必要性。三、 (20分)研究内容研究内容是指课题要研究、设计什么,说明研究设计的重点。在此可以对即将开展的毕业设计的主要内容进行说明,并突出毕业设计中的重点。四、 (25分)拟采取的技术方案和可行性分析拟采取的技术方法与方案是指如何开展课题的研究设计工作。通常研究方法有:理论分析、实际调研、测绘、试验、创新改进等,学生可以根据课题的实际情况选用不同的研究方法并确立自己的技术路线,并说明自己研究方案的有效和可行性。五、 (25分)研究计划及预期成果研究计划及预期成果是指研究的进度和预期完成的成果(做到什么程度)。研究计划是学生根据自己课题实际,制定研究的计划进度表,并明确在那段时间内完成什么样工作的内容。预期完成的成果形式可以是多种多样的,包括:论文、产品、软件、课件、电子制作、设计图纸以及工艺卡片等,学生根据课题实际,说明预期完成的成果形式。六、 (10分)特色或创新之处特色或创新之处是指本课题的研究设计的特色与创新点所在,学生需要全方面了解自己的设计研究在同类课题的研究中所处的水平,清楚知道自己的设计研究与他人之间的不同之处,并给予客观的评价。七、 (5分)已具备的条件和尚需解决的问题通常已具备条件可以写:学生对本课题已有深入的认识,准备充分,已具备开展毕业设计研究的条件。此处主要分析开展研究设计尚不具备的条件,并说明如何解决。比如:还存在图书和相关技术资料不足的问题,希望通过图书馆借阅和网上查询来补充资料等等。八、 (5分)参考文献(要求博览相关文献资料至少5篇以上,应有必要的外文文献)。一、基本情况学生姓名张代聪学号200523501637班级机051-6班专 业机械设计制造及其自动化指导教师石运序学历博士职称讲师所学专业机械设计制造及其自动化题目名称胯关节运动能量收集装置的设计题目来源企业生产 科研 社会 文献和资料 其他:题目类型理论研究 应用研发 开发研究 工艺设计 工程设计 设备设计 软件设计 实践研究 指定问题研究注:在选中的项目上打二、开题报告内容1、(10分)课题的目的和意义(1)、目前国内外研究进展及应用现状综述(或立题依据),研究的主要问题一、国内外研究进展及应用现状: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。二、研究的主要问题:1、怎样能从人的行走中获得最大限度的动能。2、如何设计有效的机构来产生足够的动能。3、如何设计合适的动能电能转化电路。(2)、课题的学术价值或实际应用价值实际应用:一、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。二、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。应用价值:一、胯关节运动能量的收集可以缓解现在人们对电能的需求。二、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。三、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。2、(20分)研究内容(1)、研究的主要内容一、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。二、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。三、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。(2)、拟解决的关键问题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。4、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。5、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。6、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。7、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。8、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。3、(25分)拟采取的技术方案和可行性分析(1)、拟采取的技术方案及思路1、从胯关节的运动过程中获得最大限度的能量,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,这样可以最大限度的获得人们行走时产生的动能。2、本设计的内部采用二级齿轮加速机构,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。3、现在动电能的转化电路已比较成熟且得到了广泛的应用,动电能的转化电路已不是问题。我采用常用的整流电路就可以解决问题。4、考虑到装置的可携带性以及人在行走过程中的舒适性,设计了一个可以伸缩的摆杆来解决这个问题,摆杆可以完全缩进该装置内,提高了可携带性。并且在行走过程中人的大腿不可能是完全在一个平面内运动,摆杆的伸缩可以提高舒适性。5、我们考虑到人在行走的过程中,腿不会完全的在一个平面内,因此摆杆设计成圆形这样人的腿在摆动的同时如果做小幅度的转动也不会感到不舒适。6、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。这样两种方式可以满足各方面不同的需要。7、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,这里需要一个整流电路来解决问题。8、对于如何将电能传送到人们常用的设备中,手机、MP3、MP4等,我们采用多个插槽的方法,有USB插槽有其他万能充样式的插槽,以此来充满不同的需要。9、有的人不习惯用腰带或者有的衣服不需要,这里我们有备用的腰带。10、对于膝部摆杆的固定用小型的带状结构固定。(2)、研究方案的有效和可行性分析(含研究过程中可能存在的困难或问题,及其解决措施)1、将胯关节作为能量收集的部位是可行的,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,这样可以最大限度的获得人们行走时产生的动能。2、动电能的转化是可行的,本设计的内部采用二级齿轮加速机构,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。3、电能储存转化电路的设计是可行的,现在动电能的转化电路已比较成熟且得到了广泛的应用,动电能的转化电路已不是问题。4、考虑到装置的可携带性以及人在行走过程中的舒适性,设计了一个可以伸缩的摆杆来解决这个问题,摆杆可以完全缩进该装置内,提高了可携带性。并且在行走过程中人的大腿不可能是完全在一个平面内运动,摆杆的伸缩可以提高舒适性。5、摆杆设计成圆形这样人的腿在摆动的同时如果做小幅度的转动也不会感到不舒适。6、考虑到人们在急需电能时可能希望更快的得到电能,该装置提供了一种更有效的方式,在摆杆缩在该装置内时可以直接用手按动小型的摆杆,从而更快的发出电能。4、(25分)研究计划及预期成果(1)、研究进度、具体安排,及其进度检查表起止日期主要工作内容和要求阶段目标实际完成内容检查日期检查人2009年3 月01日2009年3 月21日写好开题报告,做好计划。开题报告此栏由导师填写,用于到期检查此栏为导师签字用2009年3 月22日2009年3 月28日做出三维模型,二维加工图。三维模型2009年3 月29日2009年4 月6日做出电路部分,以及模拟图。电路部分2009年4 月7日2009年4 月14日起草目录和说明书。说明书2009年4 月15日2009年4 月23日完善说明书,整理所用资料。整理所用资料2009年4 月24日2009年5 月1日做PPT文件,做好最好准备。PPT文件注:1、毕业设计答辩一般在16周以前结束。并按要求答辩前7天,学生应提交全部毕业论文(设计)材料(包括设计图纸和其它资料),由指导教师和两名评阅人评阅,以进行答辩资格审查。2、进度检查由指导教师按计划检查填写,并与答辩前完成。(2)、预期成果该设计完成之后,外形是一个比手机稍大一点的长方形,可以放在腰间,同时有小型的伸缩杆,将伸缩杆拉出固定在膝盖上部,伸缩杆可以随着人的行走而摆动,从而产生动能。通过设计的机械机构将动能转化成电能并储存起来,需要使用电能时,外壳顶部有USB插槽,通过插槽可以直接与手机、MP3、MP4以及其他随身用电的小型设备进行充电。5、(10分)特色或创新之处1、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、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、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。6、(5分)已具备的条件和尚需解决的问题(1)、图书资料、仪器设备情况1、 烟台大学图书馆图书资料。2、 鲁东大学图书馆图书资料。3、 百度查询现在该方向的研究进展情况。4、 三维设计软件(UG NX4.0)。(2)、其他各方面条件在设计期间,得到石运序老师大力的支持和帮助。7、(5分)参考文献资料序号参考文献资料备注1机械原理,东南大学机械学学科组 郑文纬 吴克坚主编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5UG NX4 CAD快速入门指导,清华大学出版社 洪如瑾编著678910111213三、毕业设计(论文)选题及开题报告评议表指导教师对开题报告的综合意见:(从选题的理论或实际价值出发,阐述学生利用的知识、原理、建立的模型正确与否?学生的论证充分否?通过学生的努力,能否完成课题,达到预期的目标?课题及报告的难度、深度、综合性、创造性等是否达到本科生应该具有的要求。)指导教师签名:年 月 日学科组评议结果是否同意进入设计(论文)阶段?学科组长签名:年 月 日说明:1.本报告必须由承担毕业设计(论文)课题任务的学生在接到“毕业设计(论文)任务书”、正式开始做毕业设计(论文)的第2周末之前独立撰写完成,并交指导教师审阅。2.每个毕业设计(论文)课题撰写本报告一份,作为指导教师、学科组组长审查学生能否承担该毕业设计(论文)课题任务、以及检查设计进度的依据,并接受学院的抽查。3.除“4、研究计划及预期成果”中的“(1)、研究进度、具体安排,及其进度检查表”中“实际完成内容”和“检查日期 检查人”栏需要导师用笔填写外,其余各项均要求打印,打印字体和字号为“小四号宋体”。12烟台大学毕业论文(设计)摘要: 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。论文首先介绍了该装置的设计思路,特别详细介绍了机构原理、电路设计以及使用方法等。关键词: 行走发电;手机充电; ABSTRACT : During the time of working and scientific research in the open, because often the condition limitedly is unable to obtain the daily use exchange or the direct-current power supply,if specially encounters the emergency case moreover the communication facility electric quantity to be actually insufficient,is this time urgently needed one kind of convenience quick gain electrical energy the method.By now might use the hip joint movement energy collecting device,it may for the simple communication facility charge,satisfy the urgent matter.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;目录第1章 绪 论11.1 课题背景21.1.1胯关节运动能量收集装置的设计背景21.1.2能量收集装置的基本知识21.2 胯关节运动能量收集装置的设计内容及需解决的问题21.2.1胯关节运动能量收集装置的设计内容21.2.2胯关节运动能量收集装置需解决的问题31.2.3 拟解决的关键问题31.2.4 拟采取的技术方案及思路41.2.5研究方案的有效和可行性分析41.2.6 特色或创新之处51.2.7课题的学术价值或实际应用价值5第2章 胯关节运动能量收集装置的结构设计62.1胯关节运动能量收集装置的总体方案设计62.2胯关节运动能量收集装置关键零件的受力分析122.3胯关节运动能量收集装置的各部分零件设计15第3章 电 路 设 计24总 结26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。、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。、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、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。4、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。5、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。6、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。7、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。8、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。1.2.3 拟解决的关键问题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。4、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。5、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。6、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。7、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。8、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。1.2.4 拟采取的技术方案及思路1、从胯关节的运动过程中获得最大限度的能量,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,这样可以最大限度的获得人们行走时产生的动能。2、本设计的内部采用二级齿轮加速机构,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。3、现在动电能的转化电路已比较成熟且得到了广泛的应用,动电能的转化电路已不是问题。我采用常用的整流电路就可以解决问题。4、考虑到装置的可携带性以及人在行走过程中的舒适性,设计了一个可以伸缩的摆杆来解决这个问题,摆杆可以完全缩进该装置内,提高了可携带性。并且在行走过程中人的大腿不可能是完全在一个平面内运动,摆杆的伸缩可以提高舒适性。5、我们考虑到人在行走的过程中,腿不会完全的在一个平面内,因此摆杆设计成圆形这样人的腿在摆动的同时如果做小幅度的转动也不会感到不舒适。6、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。这样两种方式可以满足各方面不同的需要。7、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,这里需要一个整流电路来解决问题。8、对于如何将电能传送到人们常用的设备中,手机、MP3、MP4等,我们采用多个插槽的方法,有USB插槽有其他万能充样式的插槽,以此来充满不同的需要。9、有的人不习惯用腰带或者有的衣服不需要,这里我们有备用的腰带。10、对于膝部摆杆的固定用小型的带状结构固定。1.2.5研究方案的有效和可行性分析1、将胯关节作为能量收集的部位是可行的,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,这样可以最大限度的获得人们行走时产生的动能。2、动电能的转化是可行的,本设计的内部采用二级齿轮加速机构,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。3、电能储存转化电路的设计是可行的,现在动电能的转化电路已比较成熟且得到了广泛的应用,动电能的转化电路已不是问题。4、考虑到装置的可携带性以及人在行走过程中的舒适性,设计了一个可以伸缩的摆杆来解决这个问题,摆杆可以完全缩进该装置内,提高了可携带性。并且在行走过程中人的大腿不可能是完全在一个平面内运动,摆杆的伸缩可以提高舒适性。5、摆杆设计成圆形这样人的腿在摆动的同时如果做小幅度的转动也不会感到不舒适。6、考虑到人们在急需电能时可能希望更快的得到电能,该装置提供了一种更有效的方式,在摆杆缩在该装置内时可以直接用手按动小型的摆杆,从而更快的发出电能。1.2.6 特色或创新之处1、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、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、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。1.2.7课题的学术价值或实际应用价值1、实际应用:一、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。二、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:一、胯关节运动能量的收集可以缓解现在人们对电能的需求。二、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。三、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1、总体方案的原理性设计(1)原理性结构: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。2314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)传动比的计算传动比n=30(3)电机转速的计算电机转速=15其中: 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、双向超越离合器机构的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2.2所示。逆时针棘轮即电机外壳发电机传动齿轮棘爪顺时针超越离合器图2.2双向超越离合器机构棘爪的设计不需要加弹簧的原因,以逆时针的棘爪棘轮机构为例,当逆时针运动时,由于切向的摩擦力的作用,棘爪外伸,带动棘轮转动;当顺时针运动时,由于切向的摩擦力的作用,棘爪内缩,不带动棘轮轮动。在此,巧妙的运用摩擦力简化了机构。3、发电机内部结构的设计(1)发电机的结构: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。支撑板线圈垫片磁铁图2.3发电机内部结构(2)直流电机的感应电动势的计算:直流电机的感应电动势为a=其中: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n= =1801)磁通量计算:磁通量=BA磁通密度B=H, 其中为介质的磁导率,单位为(H/m);空气中0=410-7H/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3.2-4.50若不计磁漏则=BA=3.610-7韦2)转子的转速的计算:转子的转速n= =180综上所述, 直流电机的感应电动势为a=5.410V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或4 E=1.6210V-2.1610V。(3)线圈电阻的计算: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。4、二级齿轮加速机构的设计 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。离合器齿轮小齿轮内齿轮大齿轮摇杆图2.4二级齿轮加速机构5、胯关节能量收集装置的放置(1)整体放置胯关节的运动过程中获得最大限度的能量,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,这样可以最大限度的获得人们行走时产生的动能,其放置方式如图2.4所示。 图2.5 胯关节能量收集装置的放置(2)腰带连接部分内扣式嵌入腰带侧面,保证胯关节能量收集装置能够固定在人的腰部。 图2.6 腰带连接6、两种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。这样两种方式可以满足各方面不同的需要。如图2.6所示。四指抓握处 图2.7 两种发电方式7、充电电池的放置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。 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2.8充电电池的放置8、手机电池容量的计算一般的手机电池是3.7V500mAh。其中储存的电能是W=3.750010=1.85Wh2.2胯关节运动能量收集装置关键零件的受力分析1、关键零件的材料及相关属性号数零件名称材料质量体积1rockerSWABS0.0153479 kg1.50469e-005 m3属性名称数值单位弹性模量2e+009N/m2普阿松比率0.394NA质量密度1020kg/m3屈服强度0N/m22、关键零件的约束及载荷如图将位置1固定,在位置2处施加一个力。12图2.9 约束及载荷3、关键零件的网格划分网格信息网格类型:实体网格所用网格器: 标准自动过渡: 关闭光滑表面: 打开雅各宾式检查: 4 Points 要素大小:2.4697 mm公差:0.12349 mm品质:高要素数:9050节数:15334图2.10 网格划分4、关键零件的应力结果名称类型最小位置最大位置图解1VON:von Mises 应力13.9049 N/m2(30.7545 mm,-76.2172 mm,0.183503 mm)542882 N/m2(-1 mm,-1.73205 mm,7.76515 mm)图2.11 应力分析5、关键零件的位移结果名称类型最小位置最大位置图解2URES: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)图2.12 位移分析2.3胯关节运动能量收集装置的各部分零件设计1、双向超越离合器机构的零件设计双向超越离合器机构由棘爪、棘爪轮、传动齿轮、逆时针棘轮和顺时针棘轮五部分组成。双向超越离合器的装配图如图2.13所示。图2.13双向超越离合器的装配图(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2.14棘爪零件图所示。图2.14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2.15棘爪轮所示。图2.15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8。如图2.16传动齿轮所示。图2.16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2.17逆时针棘轮、顺时针棘轮所示。图2.17逆时针棘轮、顺时针棘轮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2.18发电机内部结构的装配图所示。图2.18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2.19磁铁所示。图2.19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2.20垫片所示。图2.20垫片(3) 线圈的设计线圈的铜线取0.1mm的直径,共500圈。如图2.21线圈所示。图2.21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2.22支撑所示。图2.22支撑3、二级齿轮加速机构的零件设计二级齿轮加速机构由大齿轮、小齿轮、摇杆和离合器齿轮组成。(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2.23所示。图2.23 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2.24所示。图2.24 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2.25所示。图2.25 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2.26离合器齿轮所示。图2.26离合器齿轮4、 伸缩杆的零件设计考虑到装置的可携带性以及人在行走过程中的舒适性,设计了一个可以伸缩的摆杆来解决这个问题,摆杆可以完全缩进该装置内,提高了可携带性。并且在行走过程中人的大腿不可能是完全在一个平面内运动,摆杆的伸缩可以提高舒适性。我们考虑到人在行走的过程中,腿不会完全的在一个平面内,因此摆杆设计成圆形这样人的腿在摆动的同时如果做小幅度的转动也不会感到不舒适。伸缩杆的设计如图2.27所示。图2.27伸缩杆5、充电装置的零件设计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。(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。(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。 (4) 弹簧的设计(5) USB插槽对
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本文标题:胯关节能量收集装置的设计【优秀+18张CAD图纸及UG三维】
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