CN105003402B - 人体腿部运动能量收集系统及收集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了人体腿部运动能量收集系统及收集方法，包括人体腿部运动能量收集装置、电能管理模块和储能模块，所述人体腿部运动能量收集装置包括外壳、所述外壳上固定有发电机和电位计，所述发电机的转子上固定有工作齿轮，在外壳的内侧底部转动连接有第一转轴，所述第一转轴上固定有摆杆和扇形齿轮，所述摆杆自由端位于外壳的外侧，所述扇形齿轮位于外壳的内侧，所述电位计的角度滑动片与摆杆固定连接，在扇形齿轮和工作齿轮之间设有用于加速的齿轮变速箱，本装置对运动能量的收集具有选择性，在小腿下落阶段收集能量，若不收集，该能量会被浪费掉，收集电能时不需要人体额外做功，增加了人体的舒适度，本装置整体结构比较紧凑，使用寿命比较长。

Description

人体腿部运动能量收集系统及收集方法

技术领域

本发明属于运动能量收集技术领域，尤其是涉及人体腿部运动能量收集系统及收集方法。

背景技术

作为我们生活环境中最常见的能量形式之一的生物运动能是由人体或其他动物在步行、奔跑等运动时所产生的，这些能量往往很难被收集利用而耗散在外部环境之中，白白浪费掉。如果这种形式的能量能够被收集储存并有效利用，其将替代我们现在所依赖的便携式电源，可以为手机等便携电子设备充电，方便了人们的出行。由于人体腿部在步行、奔跑等过程中时刻处于周期往复摆动状态，其运动历程比人体其他关节的运动时间长，含有的运动能量较多，而且小腿在运动过程比较平稳、可预测性强、运动力矩大，基于以上这些优点，在人体膝关节处收集腿部的运动能量是最佳之选，在收集运动能量时为了尽量减少人体的不适感，开发一种结构紧凑、效率高、重量轻的人体腿部运动能量收集系统具有重要的实际应用价值。

发明内容

本发明目的是为解决人体在步行、奔跑等运动时腿部运动能量收集难的问题，而提供了一种体腿部运动能量收集装置及收集方法，其在解决腿部运动能量收集难题的同时还解决了能量选择性收集的问题。

本发明为解决上述问题所采取的技术方案是：

人体腿部运动能量收集系统，包括人体腿部运动能量收集装置、储能模块和电能管理模块；

所述人体腿部运动能量收集装置包括外壳、所述外壳上固定有发电机和电位计，所述发电机的转子上固定有工作齿轮，在外壳的内侧底部转动连接有第一转轴，所述第一转轴上固定有摆杆和扇形齿轮，所述摆杆自由端位于外壳的外侧，所述扇形齿轮位于外壳的内侧，所述电位计的角度滑动片与摆杆固定连接，在扇形齿轮和工作齿轮之间设有用于加速的齿轮变速箱；

所述储能模块包括超级电容和锂电池，所述超级电容和锂电池用于收集所述人体腿部运动能量收集装置输出的电能，发电机通过数字开关与超级电容连接，超级电容与锂电池连接；

所述电能管理模块包括微控制器、自适应前端适配电路和节能管理电路，所述微控制器用于控制所述数字开关的通断；所述自适应前端适配电路为最大功率点跟踪器及外围电路；所述节能管理电路用于减少人体腿部运动能量收集系统本身的电能消耗：发电机通过数字开关与最大功率点跟踪器及外围电路连接，最大功率点跟踪器及外围电路与超级电容连接，微控制器与数字开关连接，节能管理电路与微处理器、数字开关、超级电容、锂电池和最大功率点跟踪器及外围电路和连接。

所述的微控制器在控制所述数字开关的通断时，首先获取电位计测得的摆杆的角度值，并对摆杆的角度值进行微分求得摆杆的角速度值；然后，微控制器判断摆杆的角度值是否大于90^O ～120^O，并判断摆杆的角速度值是否在60 ^O /s～100 ^O /s的范围内，若摆杆的角度值大于90^O ～120^O且摆杆的角速度值在60 ^O /s～100 ^O /s的范围内则微控制器接通数字开关，发电机给超级电容充电，否则微控制器关断数字开关，发电机停止给超级电容充电。

所述的微控制器还用于当电位计无法测得角度值或微控制器无法进行比较时，通过预设的数字开关的接通时刻和关断时刻实现对数字开关接通和关断的正常控制。

所述的微控制器在获取预设的数字开关的接通时刻和关断时刻时，首先对使用者小腿运动过程中从小腿开始下落摆动到脚落地这段时间进行计，记为t；然后，微控制器根据时间段t内发电机的接通和关断时刻拟合出数字开关在每个时间段t内的接通时刻的预设值t1和关断时刻的预设值t2；最后，当电位计无法测得角度值或微控制器无法进行比较时，微控制器利用拟合得到的接通时刻和关断时刻的预设值实现对数字开关接通和关断的正常控制。

所述齿轮变速箱包括第二转轴、第三转轴，所述第二转轴和第三转轴均与外壳转动连接，所述第二转轴上固定有第一小齿轮和第一大齿轮，所述第三转轴上固定有第二小齿轮和第二大齿轮，所述第一小齿轮直径小于第一大齿轮直径，所述第一大齿轮直径大于第二小齿轮直径，所述第二小齿轮直径小于第二大齿轮直径，所述第二大齿轮直径大于工作齿轮直径，所述扇形齿轮与第一小齿轮啮合连接，所述第一大齿轮与第二小齿轮啮合连接，所述第二大齿轮与工作齿轮啮合连接。

在所述第二转轴与第一小齿轮之间或第二转轴与第一大齿轮之间安装有滚柱轴承离合器。

在所述第三转轴与第二小齿轮之间或第三转轴与第二大齿轮之间安装有滚柱轴承离合器。

在所述扇形齿轮与第一转轴之间安装有滚柱轴承离合器。

一种利用人体腿部运动能量收集系统的人体腿部运动能量收集方法，包括以下步骤：

a. 判断电位计能否获得摆杆的角度值，若可以判断进入步骤b，否则进入步骤c；

b. 微控制器获取电位计测得的摆杆的角度值，判断微控制器能否求得摆杆的角速度值，若可以微控制器对摆杆的角度值进行微分求得摆杆的角速度值，进入步骤d,否则进入步骤c；

c. 微控制器通过预设的数字开关的接通时刻和关断时刻实现对数字开关接通和关断的正常控制, 进入步骤a；

d.判断摆杆的角度值是否大于90^O ～120^O，并判断摆杆的角速度值是否在60 ^O /s～100 ^O /s的范围内，若摆杆的角度值大于90^O ～120^O且摆杆的角速度值在60 ^O /s～100 ^O/s的范围内，进入步骤e,否则进入步骤f；

e.微控制器接通数字开关，发电机给超级电容充电,进入步骤a；

f. 微控制器关断数字开关，发电机停止给超级电容充电, 进入步骤a。

所述的步骤c中数字开关的接通时刻预设值和关断时刻预设值的获取步骤如下：

c1. 微控制器对使用者小腿运动过程中从小腿开始下落摆动到脚落地这段时间进行计，记为t；

c2. 微控制器根据时间段t内发电机的接通时刻和关断时刻拟合出数字开关在每个时间段t内的接通时刻的预设值t1和关断时刻的预设值t2。

本发明所具有的有益效果为：经过齿轮变速箱的加速作用将人体行走时的大扭矩低转速运动能转化成小扭矩高转速的机械能，从而变成了发电机能够利用的能量形式，通过在转轴与齿轮之间安装滚柱轴承离合器和电位计并利用微控制器对发电机绕组的精确控制，实现了对运动能量收集的有效选择，在小腿下落阶段进行能量的收集，收集电能时不需要人体额外做功，最大程度上保证了人体的舒适度；本发明在发电机与超级电容之间设置有最大功率点跟踪器，最大程度的收集发电机产生的电能；本发明采用超级电容和锂电池的二级存储架构，减少锂电池的充电次数，并在超级电容和锂电池之间设置有充电保护电路，延长了锂电池的使用寿命；本发明还设置有节能管理电路用于减少人体腿部运动能量收集系统本身的电能消耗；最后本装置在遵循人机工学设计要求的同时选择合适的材料，其整体结构比较紧凑，使用寿命比较长。

本发明结合电位计测得的摆杆的角度值与计算得到的摆杆的角速度值来判断当前位置信息，进而控制数字开关的通断，控制结果更加精确。

当电位计无法测得角度值或微控制器无法进行比较时，本发明根据拟合得到的数字开关在每个周期内的接通时刻和关断时刻可实现对数字开关接通和关断的正常控制。

本发明还设置有负载驱动电路，可满足负载瞬时大电流、大功率的要求。

附图说明

图1为本发明中人体腿部运动能量收集装置的结构示意图；

图2为本发明中人体腿部运动能量收集装置的内部侧视结构示意图；

图3为本发明的控制原理图：

图4为本发明人体腿部运动能量收集方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述。

本发明包括人体腿部运动能量收集装置、电能管理模块和储能模块。

如图1和图2所示，人体腿部运动能量收集装置包括外壳1、发电机15，所述外壳1设有外壳盖，所述发电机15固定在外壳1的底部，所述发电机15的转子9上固定有工作齿轮10，在外壳1的内侧底部转动连接有第一转轴13，所述第一转轴13上固定有摆杆6和扇形齿轮8，所述摆杆6自由端位于外壳1的外侧，所述扇形齿轮8位于外壳1的内侧，所述扇形齿轮8与第一转轴13之间安装有滚柱轴承离合器，所述第一转轴13的顶端部安装有电位计7，所述电位计7的角度滑动片与摆杆6固定连接，在扇形齿轮8和工作齿轮10之间设有用于加速的齿轮变速箱，所齿轮变速箱包括第二转轴5、第三转轴11，所述第二转轴5和第三转轴11均与外壳1转动连接，所述第二转轴5上固定有第一小齿轮4和第一大齿轮3，所述第三转轴11上固定有第二小齿轮14和第二大齿轮12，所述第一小齿轮4直径小于第一大齿轮直径3，所述第一大齿轮3直径大于第二小齿轮14直径，所述第二小齿轮14直径小于第二大齿轮12直径，所述第二大齿轮12直径大于工作齿轮10直径，所述扇形齿轮8与第一小齿轮4啮合连接，所述第一大齿轮3与第二小齿轮14啮合连接，所述第二大齿轮12与工作齿轮10啮合连接；所述外壳1的内底部固定有组装块2，所述电能管理模块和储能模块设置在所述组装块2内，所述电能管理模块与电位计7导线连接，所述储能模块与发电机15导线连接。

所述储能模块包括超级电容和锂电池，所述超级电容和锂电池用于收集所述人体腿部运动能量收集装置输出的电能，发电机15通过数字开关与超级电容连接，超级电容通过充电保护电路与锂电池连接。

所述电能管理模块包括微控制器、自适应前端适配电路、节能管理电路和负载驱动电路；所述的微控制器用于控制所述数字开关的通断，在控制所述数字开关的通断时，微控制器首先获取电位计7测得的摆杆6的角度值，并对摆杆6的角度值进行微分求得摆杆6的角速度值；然后，微控制器判断摆杆6的角度值是否大于90^O ～120^O，并判断摆杆6的角速度值是否在60 ^O /s～100 ^O /s的范围内，若摆杆6的角度值大于90^O ～120^O且摆杆6的角速度值在60 ^O /s～100 ^O /s的范围内则微控制器接通数字开关，发电机15给超级电容充电；否则微控制器关断数字开关，发电机15停止给超级电容充电。所述的微控制器还用于当电位计7无法测得角度值或微控制器无法进行比较时，通过预设的数字开关的接通时刻和关断时刻实现对数字开关接通和关断的正常控制。所述的微控制器在获取预设的数字开关的接通时刻和关断时刻时，首先对使用者小腿运动过程中从小腿开始下落摆动到脚落地这段时间进行计，记为t；然后，微控制器根据时间段t内发电机15的接通和关断时刻拟合出数字开关在每时间段t内的接通时刻的预设值t1和关断时刻的预设值t2；最后，当电位计7无法测得角度值或微控制器无法进行比较时，微控制器利用拟合得到的接通时刻和关断时刻的预设值实现对数字开关接通和关断的正常控制。发电机15的接通时刻t1和关断时刻t2是在大量实验与应用现场数据采集后，经过分析、整理，并实际验证后的数据。所述自适应前端适配电路为最大功率点跟踪器及其外围电路。所述节能管理电路用于减少人体腿部运动能量收集系统本身的电能消耗。负载驱动电路用于满足负载瞬时大电流、大功率的要求。

所述节能管理电路、负载驱动电路、充电保护电路、最大功率点跟踪器及其外围电路均为现有技术。

如图3所示为发电机绕组控制原理图，电能管理模块由EnergyMicro的低功耗ARMCortex-M0芯片及其外围电路实现智能管理算法，微控制器中运行控制算法软件，所述电位计7可以测得摆杆6的角度，然后将角度信息转化为数字信号或者模拟信号传输给微控制器对此角度进行数值微分得到摆杆6的转速，当摆杆6的角度大于90^O ～120^O，并且摆杆6的角速度值在60 ^O /s～100 ^O /s的范围内时，微控制器根据已设计好的控制算法发出控制脉冲使发电机15的绕组接通进行发电，否则断开发电机15的绕组不进行发电，从而最大程度上保证人体的舒适程度。

如图4所示为本发明人体腿部运动能量收集方法的流程图，具体包括以下步骤：

a. 判断电位计能否获得摆杆的角度值，若可以判断进入步骤b，否则进入步骤c；

b. 微控制器获取电位计测得的摆杆的角度值，判断微控制器能否求得摆杆的角速度值，若可以微控制器对摆杆的角度值进行微分求得摆杆的角速度值，进入步骤d,否则进入步骤c；

c. 微控制器通过预设的数字开关的接通时刻和关断时刻实现对数字开关接通和关断的正常控制, 进入步骤a；数字开关的接通时刻预设值和关断时刻预设值的获取步骤如下：

c1. 微控制器对使用者小腿运动过程中从小腿开始下落摆动到脚落地这段时间进行计，记为t；

c2. 微控制器根据时间段t内发电机的接通时刻和关断时刻拟合出数字开关在每个时间段t内的接通时刻的预设值t1和关断时刻的预设值t2；

d.判断摆杆的角度值是否大于90^O ～120^O，并判断摆杆6的角速度值是否在60 ^O /s～100 ^O /s的范围内，若摆杆6的角度值大于90^O ～120^O且摆杆6的角速度值在60 ^O /s～100 ^O /s的范围内，进入步骤e,否则进入步骤f；

e.微控制器接通数字开关，发电机给超级电容充电,进入步骤a；

f. 微控制器关断数字开关，发电机停止给超级电容充电, 进入步骤a。

当发电机空载，即断开负载回路时，原动机和励磁机均为工作状态，发电机定子有输出电压，但是因为没接负载不能形成回路，因此定子没有电流。在绝对的空载状态下可以视为绕组开路，即没有电流流通或认为没有电流做功，此时也就没有消耗机械能，但在实际运行过程中发电机会消耗少部分的能量，如效率和功率因数等。

本发明的工作原理为：人体行走时小腿有个摆动过程，当小腿抬起时人体对小腿做功，为了减少人体的额外负担，此时不宜收集能量，而当小腿下落摆动时，此时人体肌肉做负功，用于减缓小腿速度，此时比较适宜收集运动能量发电而不需要人体再额外做功；人体在匀速行走或奔跑时，小腿从开始下落摆动到脚落地的时间视为定值。使用固定带将本装置的外壳1绑缚在大腿上，将摆杆6绑缚在小腿上，使第一转轴13位于人体膝关节处，在人体行走或奔跑过程中小腿落下时将带动摆杆6一起摆动，从而使得摆杆6带动扇形齿轮8一起绕着第一转轴13转动，扇形齿轮8的转动带动第一小齿轮4转动，然后第一小齿轮4以相同的角速度带动第一大齿轮3转动，第一大齿轮3带动第二小齿轮14转动从而第二大齿轮12以较大的线速度带动工作齿轮10转动，微控制器对电位计7测得的摆杆6的角度值进行微分求得摆杆6的转速值，并比较电位计7测得的摆杆6的角度值是否大于90^O ～120^O，并判断摆杆6的角速度值是否在60 ^O /s～100 ^O /s的范围内，若摆杆6的角度值大于90^O ～120^O且摆杆6的角速度值在60 ^O /s～100 ^O /s的范围内则微控制器接通发电机15，工作齿轮10带动发电机15的转子进行发电。当电位计7无法测得角度值或微控制器无法进行比较时，微控制器利用数字开关的接通时刻预设值和关断的时刻预设值实现对数字开关接通和关断的正常控制。最大功率点跟踪器采用最大功率跟踪技术将发电机15产生的电能存储在超级电容内，超级电容充满电后通过充电保护电路给锂电池进行充电，锂电池通过负载驱动电路给负载供电，满足负载瞬时大电流、大功率的要求；节能管理电路用于减少人体腿部运动能量收集系统本身在工作时的电能消耗。当小腿抬起摆动时，摆杆6反向转动，由于扇形齿轮8与第一转轴13之间安装有滚柱轴承离合器，此时摆杆6的反向转动不会带动扇形齿轮8的转动，不进行发电；这样发电机15的转子9也具有单方向性，不会两个方向交替变换，减小了齿轮组传动过程中的互相冲击磨损。

本实施例中的外壳1、外壳盖、第一小齿轮4和第二小齿轮14均由铝合金材料制作，第一大齿轮3和第二大齿轮12均由玻璃纤维增强的尼龙材料制作，这样有效减轻了本装置的重量；三级齿轮组的传动比为108，即发电机15的转子9的转速是扇形齿轮8转速的108倍；外壳1底部长和宽分别为：90毫米和72毫米；扇形齿轮8的张角为110°。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.人体腿部运动能量收集系统，其特征在于：包括人体腿部运动能量收集装置、储能模块和电能管理模块；

所述人体腿部运动能量收集装置包括外壳、所述外壳上固定有发电机和电位计，所述发电机的转子上固定有工作齿轮，在外壳的内侧底部转动连接有第一转轴，所述第一转轴上固定有摆杆和扇形齿轮，所述摆杆自由端位于外壳的外侧，所述扇形齿轮位于外壳的内侧，所述电位计的角度滑动片与摆杆固定连接，在扇形齿轮和工作齿轮之间设有用于加速的齿轮变速箱；

所述储能模块包括超级电容和锂电池，所述超级电容和锂电池用于收集所述人体腿部运动能量收集装置输出的电能，发电机通过数字开关与超级电容连接，超级电容与锂电池连接；

所述电能管理模块包括微控制器、自适应前端适配电路和节能管理电路，所述微控制器用于控制所述数字开关的通断；所述自适应前端适配电路为最大功率点跟踪器及外围电路；所述节能管理电路用于减少人体腿部运动能量收集系统本身的电能消耗：发电机通过数字开关与最大功率点跟踪器及外围电路连接，最大功率点跟踪器及外围电路与超级电容连接，微控制器与数字开关连接，节能管理电路与微处理器、数字开关、超级电容、锂电池和最大功率点跟踪器及外围电路和连接；所述的微控制器在控制所述数字开关的通断时，首先获取电位计测得的摆杆的角度值，并对摆杆的角度值进行微分求得摆杆的角速度值；然后，微控制器判断摆杆的角度值是否大于90^O 小于120^O，并判断摆杆的角速度值是否在60 ^O/s～100 ^O /s的范围内，若摆杆的角度值大于90^O小于120^O且摆杆的角速度值在60 ^O /s～100 ^O /s的范围内则微控制器接通数字开关，发电机给超级电容充电，否则微控制器关断数字开关，发电机停止给超级电容充电。

2.根据权利要求1所述的人体腿部运动能量收集系统，其特征在于：所述的微控制器还用于当电位计无法测得角度值或微控制器无法进行比较时，通过预设的数字开关的接通时刻和关断时刻实现对数字开关接通和关断的正常控制。

3.根据权利要求2所述的人体腿部运动能量收集系统，其特征在于：所述的微控制器在获取预设的数字开关的接通时刻和关断时刻时，首先对使用者小腿运动过程中从小腿开始下落摆动到脚落地这段时间进行计，记为t；然后，微控制器根据时间段t内发电机的接通和关断时刻拟合出数字开关在每个时间段t内的接通时刻的预设值t1和关断时刻的预设值t2；最后，当电位计无法测得角度值或微控制器无法进行比较时，微控制器利用拟合得到的接通时刻和关断时刻的预设值实现对数字开关接通和关断的正常控制。

4.根据权利要求3所述的人体腿部运动能量收集系统，其特征在于：所述齿轮变速箱包括第二转轴、第三转轴，所述第二转轴和第三转轴均与外壳转动连接，所述第二转轴上固定有第一小齿轮和第一大齿轮，所述第三转轴上固定有第二小齿轮和第二大齿轮，所述第一小齿轮直径小于第一大齿轮直径，所述第一大齿轮直径大于第二小齿轮直径，所述第二小齿轮直径小于第二大齿轮直径，所述第二大齿轮直径大于工作齿轮直径，所述扇形齿轮与第一小齿轮啮合连接，所述第一大齿轮与第二小齿轮啮合连接，所述第二大齿轮与工作齿轮啮合连接。

5.根据权利要求4所述的人体腿部运动能量收集系统，其特征在于：在所述第二转轴与第一小齿轮之间或第二转轴与第一大齿轮之间安装有滚柱轴承离合器。

6.根据权利要求4所述的人体腿部运动能量收集系统，其特征在于：在所述第三转轴与第二小齿轮之间或第三转轴与第二大齿轮之间安装有滚柱轴承离合器。

7.根据权利要求5或6所述的人体腿部运动能量收集系统，其特征在于：在所述扇形齿轮与第一转轴之间安装有滚柱轴承离合器。

8.一种利用权力要求3、4、5或6所述的人体腿部运动能量收集系统的人体腿部运动能量收集方法，其特征在于，包括以下步骤：

a. 判断电位计能否获得摆杆的角度值，若可以判断进入步骤b，否则进入步骤c；

b. 微控制器获取电位计测得的摆杆的角度值，判断微控制器能否求得摆杆的角速度值，若可以微控制器对摆杆的角度值进行微分求得摆杆的角速度值，进入步骤d,否则进入步骤c；

c. 微控制器通过预设的数字开关的接通时刻和关断时刻实现对数字开关接通和关断的正常控制, 进入步骤a；

d.判断摆杆的角度值是否大于90^O 小于120^O，并判断摆杆的角速度值是否在60 ^O /s～100 ^O /s的范围内：若摆杆的角度值大于90^O小于120^O且摆杆的角速度值在60 ^O /s～100 ^O /s的范围内，进入步骤e,否则进入步骤f；

e.微控制器接通数字开关，发电机给超级电容充电,进入步骤a；

f. 微控制器关断数字开关，发电机停止给超级电容充电, 进入步骤a。

9.根据权利要求8所述的一种利用人体腿部运动能量收集系统的人体腿部运动能量收集方法，其特征在于：所述的步骤c中数字开关的接通时刻预设值和关断时刻预设值的获取步骤如下：

c1. 微控制器对使用者小腿运动过程中从小腿开始下落摆动到脚落地这段时间进行计，记为t；

c2. 微控制器根据时间段t内发电机的接通时刻和关断时刻拟合出数字开关在每个时间段t内的接通时刻的预设值t1和关断时刻的预设值t2。