CN109185086B - 一种重力摆周期可调的升频式人体摆能收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种重力摆周期可调的升频式人体摆能收集装置，包括底盘、重力摆，重力摆上端与底盘上端通过轴承连接，底盘与重力摆可相对转动；重力摆上设有挡柱，重力摆下端设有第一条形磁铁；底盘上对称设置有两个滑槽，每个滑槽上均安装有一位置可调的第二条形磁铁；重力摆与底盘之间还设置有刚性薄片，该刚性薄片上端与底盘上端固定，下端被挡柱挡住，刚性薄片上还设有两个俘能器，分别固定在刚性薄片左、右侧面；底盘背部安装有充电电池，俘能器获得的电能存储于充电电池。本发明利用重力摆挤压刚性薄片变形，当变形量达到一定程度后薄片释放并自由振动，实现升频。同时在底盘设计了可调磁铁，通过调节磁铁位置，可实现重力摆频率的调节。
Description
技术领域
本发明属于振动能量收集技术领域，具体涉及一种重力摆周期可调的升频式人体摆能收集装置。
背景技术
近些年，微电子机械系统及集成电路超低功耗技术得到快速发展，无线电子设备的功耗降到了微瓦数量级，这使得利用振动能量收集器为这些设备提供电能变为可能。压电俘能系统由于结构简单，抗电磁干扰能力强而得到国内外学者的广泛研究。常用的俘能系统设计是基于悬臂梁结构，如图1所示。而目前俘能系统普遍存在的问题是：(1)系统有效俘能频带狭窄，只有在系统共振频率附近俘能效率较高，而当外界激振频率远离系统共振频率时，能量采集效率急剧降低；(2)目前俘能技术适用于高频俘能，而对于低频能量采集效果很差；(3)现有撞击升频式俘能系统要求撞击元件和弹性元件安装部位相对运动，导致俘能系统不便于安装。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种重力摆周期可调的升频式人体摆能收集装置，利用重力摆挤压刚性薄片变形，当变形量达到一定程度后薄片释放并自由振动，实现升频。同时，鉴于人行走过程中步频变化，导致重力摆摆动频率与行走频率失协，在底盘设计了可调磁铁，通过调节磁铁的位置，可实现重力摆频率的调节。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种重力摆周期可调的升频式人体摆能收集装置，包括底盘、重力摆，重力摆的上端与底盘的上端通过轴承连接，底盘与重力摆通过轴承可相对转动；重力摆上设置有挡柱，重力摆的下端设置有第一条形磁铁；底盘上对称设置有两个滑槽，每个滑槽上均通过可调螺钉安装有一位置可调的第二条形磁铁，该第二条形磁铁可沿相对应的滑槽滑动从而调整位置，其位置的调整和固定通过相对应的可调螺钉实现；
重力摆与底盘之间还设置有刚性薄片，该刚性薄片上端与底盘上端固定，刚性薄片上还设置有两个俘能器，分别为左俘能器和右俘能器，该左俘能器和右俘能器分别通过螺钉固定在刚性薄片的左侧面和右侧面；底盘的背部安装有充电电池，俘能器获得的电能存储于充电电池；
重力摆上的挡柱位于刚性薄片的底端之上，刚性薄片上端固定于底盘，下端被挡柱挡住。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术方案进一步实现。
前述的重力摆周期可调的升频式人体摆能收集装置，所述的底盘为扇形。
前述的重力摆周期可调的升频式人体摆能收集装置，其中，两个相对称的滑槽设置在底盘上重力摆摆动时第一条形磁铁形成的弧线上，并靠近底盘的两条直边。
前述的重力摆周期可调的升频式人体摆能收集装置，其中，第二条形磁铁的宽度大于滑槽的宽度，两个滑槽尺寸相同，两个第二条形磁铁尺寸也相同。
前述的重力摆周期可调的升频式人体摆能收集装置，所述的两个俘能器为并联模式，即左俘能器左表面与右俘能器右表面连接，左俘能器右表面和右俘能器左表面连接。
前述的重力摆周期可调的升频式人体摆能收集装置，其中，两个俘能器工作于d14压电模式。
前述的重力摆周期可调的升频式人体摆能收集装置，其中，挡柱位于刚性薄片的底端之上，且挡柱与刚性薄片的底端之间有5mm距离。
前述的重力摆周期可调的升频式人体摆能收集装置，其中，其收集人体摆能的方法为：将该人体摆能收集装置固定于人体手臂或者腿部，底盘的圆弧端向下，底盘相对人的手臂或腿部固定，在人行走过程中，手臂或者腿部摆动使原来竖直方向的重力摆变倾斜，压紧刚性薄片，随着摆角增加，刚性薄片变形增加，最后脱离重力摆挡柱的束缚而自由振动，实现升频，俘能器实现摆动能量收集；
当人的手臂或者腿部向回摆动时，重力摆受到重力及磁铁作用，向回运动，适时再次将刚性薄片压紧，随着摆角增大，刚性薄片再次被释放并自由振动，如此反复，将手臂或者腿部摆动的低频升为刚性薄片自由振动的高频。
前述的重力摆周期可调的升频式人体摆能收集装置，如果人行走中手臂或者腿部摆动频率变化，通过调节固定在底盘滑槽的两个第二条形磁铁的位置而改变重力摆受到的回复力，以此改变重力摆的摆动频率，使其与手臂摆动频率协调；具体为：
如果人行走中手臂或者腿部摆动频率变快，此时将底盘上的两个第二条形磁铁均向底盘中间调整，以增大重力摆的回复力，使回复周期减小，频率增大；
如果人行走中手臂或者腿部摆动频率变慢，此时将底盘上的两个第二条形磁铁均向底盘两边调整，以减小重力摆的回复力，使回复周期增大，频率减小，与人体摆动频率相协调。
本发明的有益效果为：
1、本发明采用双俘能器并联，增加了摆能收集装置能量获取的效率；
2、本发明的摆能收集装置将人体运动中手臂摆动的低频转化为刚性薄片自由振动的高频，提高了装置能量获取的效率；
3、整个摆能收集装置只需固定于摆动部位，克服了原有的人体摆能收集装置需要固定于相对摆动的两个部位的缺陷；
4、本发明不受人体行走中手臂或腿部摆动频率的限制，通过调节第二条形磁铁在滑槽的位置，可改变重力摆摆动频率，确保在手臂或腿部任何摆动频率下都有很高的能量收集效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，详细说明如下。
附图说明
图1为现有常用的基于悬臂梁结构的俘能系统示意图；
图2是本发明的主视图；
图3是图2的左视图；
图4是图2的三维结构立体图；
图5是刚性薄片被压缩变形将要释放时的示意图；
图6是重力摆的三维结构立体图。
【元件及符号说明】
1：底盘 2：重力摆 3：第二条形磁铁 4：第一条形磁铁 5：滑槽
6：充电电池 7：俘能器 8：刚性薄片 9：挡柱 10：可调螺钉
11：悬臂梁 12：夹具 13：储能电池 14：压电陶瓷 15：质量块
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种重力摆周期可调的升频式人体摆能收集装置，其具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。
本发明的重力摆周期可调的升频式人体摆能收集装置包括底盘1、重力摆2，重力摆2的上端与底盘1的上端通过轴承连接，底盘与重力摆通过轴承可相对转动，重力摆2上设置有挡柱9，重力摆2下端设置有第一条形磁铁4；底盘上对称设置有两个滑槽，分别是左侧滑槽和右侧滑槽，两个滑槽以扇形底盘的中心线为对称线，每个滑槽上均通过可调螺钉设置有一位置可调的第二条形磁铁3，第二条形磁铁可沿相对应的滑槽滑动，其位置的调整和固定通过相对应的可调螺钉实现。具体地，两个相对称的滑槽设置在底盘上重力摆摆动时第一条形磁铁形成的弧线上，并靠近底盘的两条直边。第二条形磁铁3的宽度大于滑槽的宽度，两个滑槽尺寸最好相同，两个第二条形磁铁3尺寸也最好相同。
进一步，第一条形磁铁4和两个第二条形磁铁均表现为斥力，即左侧滑槽的第二条形磁铁的右端与第一条形磁铁4左端极性相同，表现为斥力；同样，右侧滑槽的第二条形磁铁的左端与第一条形磁铁4右端极性相同，表现为斥力。
重力摆与底盘之间还设置有刚性薄片8，该刚性薄片上端与底盘上端固定，刚性薄片上还设置有两个俘能器，该两个俘能器分别通过螺钉固定在刚性薄片的两侧面，且两个俘能器为并联模式，即左俘能器左表面与右俘能器右表面通过导线连接，左俘能器右表面和右俘能器左表面也通过导线连接，且两根导线均还与充电电池15连接。所述的两个俘能器工作于d14压电模式，所述的充电电池15安装于底盘的背部，俘能器将机械能转化为电能(俘能器内含有压电陶瓷，压电陶瓷受压变形产生电荷)，并通过导线存储于充电电池，可为微电子设备充电(导线为隐藏式设计，附图上没有画出)。
进一步，重力摆的挡柱位于刚性薄片的底端之上，且挡柱与刚性薄片的底端之间有5mm距离；刚性薄片上端固定于底盘，下端被挡柱挡住。
本发明实现实现重力摆周期可调及升频的方法是：上述系统固定在人体手臂或者腿部，底盘的圆弧端向下，底盘相对人的手臂或腿部固定，在人行走过程中，由于手臂或者腿部摆动，原来竖直方向的重力摆变倾斜，压紧刚性薄片，随着摆角的增加，刚性薄片变形增加，最后脱离重力摆挡柱的束缚而自由振动，实现升频。而当人的手臂或者腿部向回摆动时，重力摆受到重力及磁铁作用，开始向回运动，并适时的再次将刚性薄片压紧，随着摆角增大，刚性薄片再次被释放并自由振动，如此反复，将手臂或者腿部摆动的低频升为刚性薄片自由振动的高频。而如果人行走中手臂或者腿部摆动频率变化，重力摆摆动频率将与手臂或者腿部摆动频率失调，此时可通过调节固定在底盘滑槽的两个第二条形磁铁的位置而改变重力摆受到的回复力，以此改变重力摆的摆动频率，使其与手臂摆动频率协调，提高能量收集系统的俘能效率。具体为：
如果人行走中手臂或者腿部摆动频率变快，此时将底盘上的两个第二条形磁铁均向底盘中间调整，以增大重力摆的回复力，减小重力摆的复位时间，使回复周期减小，频率增大，保证与步频相协调。
如果人行走中手臂或者腿部摆动频率变慢，此时将底盘上的两个第二条形磁铁均向底盘两边调整，位于左侧滑槽的第二条形磁铁向底盘左边调整，位于右侧滑槽的第二条形磁铁向底盘右边调整，以减小重力摆所受的回复力，使回复周期增大，频率减小，保证与步频相协调。
由于同一个人手臂摆动或腿部运动的频率基本不变或者变化幅度很小，同一个人在行走或跑步时基本不需调整重力摆的回复周期，但是同一个人在行走和跑步之间转换时需要调整第二条形磁铁，使本发明的摆能收集装置与人的实际摆动频率协调。如果同一个本发明的摆能收集装置前后用在行走或跑步频率明显不同的人身上，则需要事先调整第二条形磁铁在滑槽中的位置，适应不同的人携带，以提高能量收集系统的俘能效率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，凡是未脱离本发明技术方案的内容，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，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种重力摆周期可调的升频式人体摆能收集装置，其特征在于：包括底盘(1)、重力摆(2)，重力摆(2)的上端与底盘(1)的上端通过轴承连接，底盘与重力摆通过轴承可相对转动；重力摆(2)上设置有挡柱(9)，重力摆(2)的下端设置有第一条形磁铁(4)；底盘上对称设置有两个滑槽(5)，每个滑槽上均通过可调螺钉(10)安装有一位置可调的第二条形磁铁(3)，该第二条形磁铁可沿相对应的滑槽滑动从而调整位置，其位置的调整和固定通过相对应的可调螺钉(10)实现；
重力摆(2)与底盘(1)之间还设置有刚性薄片(8)，该刚性薄片(8)上端与底盘(1)上端固定，刚性薄片(8)上还设置有两个俘能器(7)，分别为左俘能器和右俘能器，该左俘能器和右俘能器分别通过螺钉固定在刚性薄片的左侧面和右侧面；底盘的背部安装有充电电池(6)，俘能器(7)获得的电能存储于充电电池(6)；
重力摆上的挡柱(9)位于刚性薄片(8)的底端之上，刚性薄片上端固定于底盘，下端被挡柱(9)挡住。
2.如权利要求1所述的重力摆周期可调的升频式人体摆能收集装置，其特征在于：所述的底盘(1)为扇形。
3.如权利要求1所述的重力摆周期可调的升频式人体摆能收集装置，其特征在于：两个相对称的滑槽(5)设置在底盘上重力摆摆动时第一条形磁铁(4)形成的弧线上，并靠近底盘的两条直边。
4.如权利要求1所述的重力摆周期可调的升频式人体摆能收集装置，其特征在于：第二条形磁铁(3)的宽度大于滑槽(5)的宽度，两个滑槽尺寸相同，两个第二条形磁铁尺寸也相同。
5.如权利要求1所述的重力摆周期可调的升频式人体摆能收集装置，其特征在于：所述的两个俘能器为并联模式，即左俘能器左表面与右俘能器右表面连接，左俘能器右表面和右俘能器左表面连接。
6.如权利要求1所述的重力摆周期可调的升频式人体摆能收集装置，其特征在于：两个俘能器工作于d14压电模式。
7.如权利要求1所述的重力摆周期可调的升频式人体摆能收集装置，其特征在于：挡柱(9)位于刚性薄片(8)的底端之上，且挡柱与刚性薄片的底端之间有5mm距离。
8.如权利要求1所述的重力摆周期可调的升频式人体摆能收集装置，其特征在于：其收集人体摆能的方法为：将该人体摆能收集装置固定于人体手臂或者腿部，底盘的圆弧端向下，底盘相对人的手臂或腿部固定，在人行走过程中，手臂或者腿部摆动使原来竖直方向的重力摆变倾斜，压紧刚性薄片，随着摆角增加，刚性薄片变形增加，最后脱离重力摆上的挡柱的束缚而自由振动，实现升频；
当人的手臂或者腿部向回摆动时，重力摆受到重力及磁铁作用，向回运动，适时再次将刚性薄片压紧，随着摆角增大，刚性薄片再次被释放并自由振动，如此反复，将手臂或者腿部摆动的低频升为刚性薄片自由振动的高频。
9.如权利要求8所述的重力摆周期可调的升频式人体摆能收集装置，其特征在于：如果人行走中手臂或者腿部摆动频率变化，通过调节固定在底盘上的滑槽的两个第二条形磁铁的位置而改变重力摆受到的回复力，以此改变重力摆的摆动频率，使其与手臂或者腿部摆动频率协调；具体为：
如果人行走中手臂或者腿部摆动频率变快，此时将底盘上的两个第二条形磁铁均向底盘中间调整，以增大重力摆的回复力，使回复周期减小，频率增大；
如果人行走中手臂或者腿部摆动频率变慢，此时将底盘上的两个第二条形磁铁均向底盘两边调整，以减小重力摆的回复力，使回复周期增大，频率减小，与人体手臂或者腿部摆动频率相协调。
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Application publication date: 20190111 Assignee: Luoyang Yurong Information Technology Co.,Ltd. Assignor: LUOYANG INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980047514 Denomination of invention: A frequency up human pendulum energy collection device with adjustable gravity pendulum period Granted publication date: 20200331 License type: Common License Record date: 20231123 |
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