CN110353432A - 一种压电式发电的坐姿检测座椅及其发电、检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电式发电的坐姿检测座椅及其发电、检测方法。目前市场上的发电座椅普遍是利用光伏发电或电磁发电的方法，但是这些方法都有一定的局限性。本发明一种压电式发电的坐姿检测座椅，包括座椅主体和能量收集机构。能量收集机构包括底座和振荡式发电单元。底座固定在座椅主体内。底座的外侧面上开设有m个安置槽，m≤100。每个安置槽内均设置一个振荡式发电单元。振荡式发电单元包括力接收板、第一弹簧、振子质量块、第二弹簧和压电组件。压电组件包括压电片、顶部弓形拉伸板、底部弓形拉伸板和柔性片。本发明通过弹簧系统，将人体坐下或向后靠时对座椅的瞬间作用力转换为弹簧的弹性势能，起到蓄能作用，进而实现持续发电。
Description
技术领域
本发明属于能量回收利用技术领域，具体涉及一种压电式发电的坐姿检测座椅及其发电、检测方法。
背景技术
现如今，人们对能源的需求越来越大，许多研究都集中在能量收集这一领域。这些研究的主要目的是将浪费的能源进行回收并转化为有用的能量。人体作为一个庞大的能量来源，每天由于人体运动所产生的能量是巨大的，所以收集人体动作所产生的能量具有很大意义。目前，家具在我国已经成为生活必需品，随着人们对物质生活的不断提高，对家具的追求不仅仅是停留在其实用性的基础上。人体每天都会频繁的坐在座椅或沙发上，故发明一种发电座椅来收集人体浪费掉的能量具有很大意义。目前市场上的发电座椅普遍是利用光伏发电或电磁发电的方法，但是这些方法都有一定的局限性，如有限制条件或在座椅外侧增加额外的机构，极大的影响了发电座椅的实用性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压电式发电的坐姿检测座椅及其发电、检测方法。
本发明一种压电式发电的坐姿检测座椅，包括座椅主体和能量收集机构。所述的能量收集机构包括底座和振荡式发电单元。底座固定在座椅主体内。底座的外侧面上开设有m个安置槽，m≤100。每个安置槽内均设置一个振荡式发电单元。
所述的振荡式发电单元包括力接收板、第一弹簧、振子质量块、第二弹簧和压电组件。压电组件包括压电片、顶部弓形拉伸板、底部弓形拉伸板和柔性片。顶部弓形拉伸板、底部弓形拉伸板的内凹口相对设置。顶部弓形拉伸板与底部弓形拉伸板之间设置有依次层叠的n片柔性片，n≥2。柔性片的两侧面上均设置有压电片。底部弓形拉神板与对应的安置槽的底部固定。所述第一弹簧的两端与力接收板、振子质量块的底部分别固定。第二弹簧的两端与振子质量块的顶部、力接收板的内侧面分别接触。力接收板位于对应安置槽的顶部。
进一步地，本发明一种压电式发电的坐姿检测座椅还包括后处理电路和蓄电池。后处理电路包括整流器、滤波电路和稳压电路。每个压电组件均对应一个后处理电路。同一个压电组件内各压电片并联后与整流器的输入接口连接。整流器的输出接口与滤波电路的输入接口连接。滤波电路的输出接口与稳压电路的输入接口连接。各个稳压电路的输出接口均与蓄电池的连接。
进一步地，本发明一种压电式发电的坐姿检测座椅还包括控制器、压力传感器和振动器。各力接收板的外侧面上均设置有压力传感器。所述座椅主体的坐垫内部安装有振动器。各压力传感器的信号输出接口与控制器的不同信号输入接口连接。振动器的供电接口与控制器通过继电器连接。
进一步地，所述座椅主体的坐垫、靠背上均包裹有海绵垫。能量收集机构共有两个。两个能量收集机构分别设置在座椅主体的坐垫、靠背内部。
进一步地，顶部弓形拉伸板、底部弓形拉伸板均采用弹性材料。
进一步地，任意两片相邻的柔性片之间均设置有垫块。
该压电式发电的坐姿检测座椅的发电方法具体如下：
步骤一、当使用者坐上座椅主体时。各振荡式发电单元内的力接收板受压移动，压缩第一弹簧与第二弹簧，推动振子质量块振荡。振荡中的振子质量块对压电组件施加交变载荷，顶部弓形拉伸板、底部弓形拉伸板将垂直于柔性片的力分解为沿两边扩展的斜向力，使得柔性片被拉伸，柔性片上的压电片持续感受到应力变化，发生极化现象，产生电能。
步骤二、当使用者站起或转变坐姿时，各振荡式发电单元内的力接收板受力发生变化，使得振子质量块振荡。振荡中的振子质量块对压电组件施加交变载荷，使得对应的压电片感受到应力变化，产生电能。
该压电式发电的坐姿检测座椅的检测方法具体如下：
步骤一、使用者坐上座椅主体后，各力接收板的外侧面的压力传感器检测使用者对自身的压力。
步骤二、呈阵列分布的各压力传感器，将检测到压力值数据发送给控制器，控制器根据接收到的各压力值生成压力分布图，并根据压力分布图计算使用者的坐姿及体重。
进一步地，使用者的坐姿判断通过提前标定或训练卷积神经网络实现。
进一步地，步骤二中还检测使用者是否抖腿。使用者是否抖腿通过不同时刻的压力分布图变化情况进行判断；当压力分布图出现预设的变化时，则判定为使用者正在抖腿，控制器控制振动器发生振动，以提醒使用者停止抖腿。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明通过弹簧系统，将人体坐下或向后靠时对座椅的瞬间作用力转换为弹簧的弹性势能，起到蓄能作用，进而实现持续发电，具有较高的发电效率。
2、本发明的压电组件采用弓形结构，具有力放大的作用，且可堆叠多层压电片，极大的利用装置内部空间，提高能量收集效率。
3、本发明通过在能量收集机构上设置阵列式的压力传感器，能够检测使用者的体重、坐姿以及是否存在抖腿的恶习。若检测到抖腿，本发明还能够提示使用者纠正。
4、本发明压电式发电座椅，结构简单，便于安装，通过收集人体对座椅作用的能量，可以为一些电子产品充电。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中能量收集机构的结构示意图；
图3是本发明中能量收集机构隐藏力接收板的结构示意图；
图4是本发明中振荡式发电单元的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种压电式发电的坐姿检测座椅，包括座椅主体1、能量收集机构2、后处理电路、蓄电池和控制器。能量收集机构2共有两个。座椅主体1的坐垫、靠背上均包裹有海绵垫。两个能量收集机构2分别设置在座椅主体1的坐垫、靠背内部。座椅主体1的坐垫内部安装有振动器。
如图2和3所示，能量收集机构2包括底座4和振荡式发电单元。底座4通过螺栓固定在座椅主体1内，用于承载其他组件。底座4的外侧面上开设有m个安置槽，m＝24，24个安置槽呈4×6矩阵状排布。每个安置槽内均设置一个振荡式发电单元。
如图2、3和4所示，振荡式发电单元包括力接收板3、第一弹簧5、振子质量块6、第二弹簧7和压电组件。压电组件包括压电片8、顶部弓形拉伸板9、底部弓形拉伸板10、柔性片11和垫块12。顶部弓形拉伸板9、底部弓形拉伸板10均采用弹性材料，以达到板簧的效果。顶部弓形拉伸板9、底部弓形拉伸板10的内凹口相对设置。顶部弓形拉伸板9与底部弓形拉伸板10之间设置有依次层叠的两片柔性片11。两片柔性片11之间设置有两个垫块12，使得两片柔性片11间隔设置。两个垫块12分别位于柔性片11的两端。柔性片11的两侧面上均贴有压电片8。顶部弓形拉伸板9、柔性片11、垫块12、底部弓形拉伸板10粘接在一起。底部弓形拉神板10与对应的安置槽通过螺栓固定。当顶部弓形拉伸板9受到压力时，顶部弓形拉伸板9与底部弓形拉伸板10将发生变形，从而拉伸柔性片11，使得压电片8形变产生电流。根据力分解的原理，采用弓形结构具有力放大的作用，可以提高能量收集效率。
第一弹簧6的两端与力接收板3、振子质量块6的底部分别固定。第二弹簧7的两端与振子质量块6的顶部、力接收板3的内侧面分别接触。力接收板3位于对应安置槽的顶部，且初始状态下，力接收板3的外侧面伸出对应安置槽外。振子质量块6位于第一弹簧6与第二弹簧7之间，主要起到蓄能的作用，避免能量浪费。当力接收板3受压运动时，振子质量块6的平衡被打破开始持续振荡。振荡中的振子质量块6对压电组件施加交变载荷，使得各压电片8持续形变发电。各力接收板3的外侧面上均设置有压力传感器，使各压力传感器呈阵列式分布，通过每个传感器所采集的信号，可以得到人体坐在座椅上时对座椅的压力分布图，进而可以得到人体的坐姿以及体重信息。
后处理电路包括整流器、滤波电路和稳压电路。每个压电组件均对应一个后处理电路。
同一个压电组件内各压电片并联后与整流器的输入接口连接。整流器的输出接口与滤波电路的输入接口连接。滤波电路的输出接口与稳压电路的输入接口连接。各个稳压电路的输出接口均与蓄电池的连接。各压力传感器的信号输出接口与控制器的不同信号输入接口连接。振动器的供电接口与控制器通过继电器连接。
该压电式发电的坐姿检测座椅的发电方法具体如下：
步骤一、当使用者坐上座椅主体1的坐垫，并将被靠在靠背上时。各振荡式发电单元内的力接收板3受压向下移动，压缩第一弹簧5与第二弹簧7，推动振子质量块6振荡。振荡中的振子质量块6对压电组件施加交变载荷，顶部弓形拉伸板9、底部弓形拉伸板10将垂直于柔性片11的力分解为沿两边扩展的斜向力，从而使得柔性片11被拉伸收缩，柔性片上的压电片8感受到应力变化，发生极化现象，产生电能。
步骤二、当使用者站起或转变坐姿时，各振荡式发电单元内的力接收板3受力发生变化，使得振子质量块6振荡。振荡中的振子质量块6对压电组件施加交变载荷，使得对应的压电片8感受到应力变化，产生电能。
该压电式发电的坐姿检测座椅的检测方法具体如下：
步骤一、当使用者坐上座椅主体1的坐垫时，坐下的冲击动能传递给振荡式发电单元，转换为电能。之后，各力接收板3的外侧面的压力传感器检测使用者对自身的压力。
步骤二、呈阵列分布的各压力传感器，将检测到压力值数据发送给控制器，控制器根据接收到的各压力值生成压力分布图，并根据压力分布图计算使用者的坐姿、体重及其是否抖腿。使用者的坐姿判断通过提前标定或训练卷积神经网络实现。是否抖腿通过不同时刻的压力分布图变化情况进行判断；当压力分布图出现预设的变化时，则判定为使用者正在抖腿；控制器控制振动器发生振动，以提醒使用者停止抖腿。
Claims (10)
1.一种压电式发电的坐姿检测座椅，包括座椅主体和能量收集机构；其特征在于：所述的能量收集机构包括底座和振荡式发电单元；底座固定在座椅主体内；底座的外侧面上开设有m个安置槽，m≤100；每个安置槽内均设置一个振荡式发电单元；
所述的振荡式发电单元包括力接收板、第一弹簧、振子质量块、第二弹簧和压电组件；压电组件包括压电片、顶部弓形拉伸板、底部弓形拉伸板和柔性片；顶部弓形拉伸板、底部弓形拉伸板的内凹口相对设置；顶部弓形拉伸板与底部弓形拉伸板之间设置有依次层叠的n片柔性片，n≥2；柔性片的两侧面上均设置有压电片；底部弓形拉神板与对应的安置槽的底部固定；所述第一弹簧的两端与力接收板、振子质量块的底部分别固定；第二弹簧的两端与振子质量块的顶部、力接收板的内侧面分别接触；力接收板位于对应安置槽的顶部。
2.根据权利要求1所述的一种压电式发电的坐姿检测座椅，其特征在于：还包括后处理电路和蓄电池；后处理电路包括整流器、滤波电路和稳压电路；每个压电组件均对应一个后处理电路；同一个压电组件内各压电片并联后与整流器的输入接口连接；整流器的输出接口与滤波电路的输入接口连接；滤波电路的输出接口与稳压电路的输入接口连接；各个稳压电路的输出接口均与蓄电池的连接。
3.根据权利要求1所述的一种压电式发电的坐姿检测座椅，其特征在于：还包括控制器、压力传感器和振动器；各力接收板的外侧面上均设置有压力传感器；所述座椅主体的坐垫内部安装有振动器；各压力传感器的信号输出接口与控制器的不同信号输入接口连接；振动器的供电接口与控制器通过继电器连接。
4.根据权利要求1所述的一种压电式发电的坐姿检测座椅，其特征在于：所述座椅主体的坐垫、靠背上均包裹有海绵垫；能量收集机构共有两个；两个能量收集机构分别设置在座椅主体的坐垫、靠背内部。
5.根据权利要求1所述的一种压电式发电的坐姿检测座椅，其特征在于：顶部弓形拉伸板、底部弓形拉伸板均采用弹性材料。
6.根据权利要求1所述的一种压电式发电的坐姿检测座椅，其特征在于：任意两片相邻的柔性片之间均设置有垫块。
7.如权利要求1所述的一种压电式发电的坐姿检测座椅的发电方法，其特征在于：步骤一、当使用者坐上座椅主体时；各振荡式发电单元内的力接收板受压移动，压缩第一弹簧与第二弹簧，推动振子质量块振荡；振荡中的振子质量块对压电组件施加交变载荷，顶部弓形拉伸板、底部弓形拉伸板将垂直于柔性片的力分解为沿两边扩展的斜向力，使得柔性片被拉伸，柔性片上的压电片持续感受到应力变化，发生极化现象，产生电能；
步骤二、当使用者站起或转变坐姿时，各振荡式发电单元内的力接收板受力发生变化，使得振子质量块振荡；振荡中的振子质量块对压电组件施加交变载荷，使得对应的压电片感受到应力变化，产生电能。
8.如权利要求3所述的一种压电式发电的坐姿检测座椅的检测方法，其特征在于：步骤一、使用者坐上座椅主体后，各力接收板的外侧面的压力传感器检测使用者对自身的压力；
步骤二、呈阵列分布的各压力传感器，将检测到压力值数据发送给控制器，控制器根据接收到的各压力值生成压力分布图，并根据压力分布图计算使用者的坐姿及体重。
9.根据权利要求8所述的一种压电式发电的坐姿检测座椅的检测方法，其特征在于：使用者的坐姿判断通过提前标定或训练卷积神经网络实现。
10.根据权利要求8所述的一种压电式发电的坐姿检测座椅的检测方法，其特征在于：步骤二中还检测使用者是否抖腿；使用者是否抖腿通过不同时刻的压力分布图变化情况进行判断；当压力分布图出现预设的变化时，则判定为使用者正在抖腿，控制器控制振动器发生振动，以提醒使用者停止抖腿。
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