CN111146905A - 一种柔顺强驱式人体能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种柔顺强驱式人体能量采集器，包括复合发电装置、绳索和人体固定端，复合发电装置包括升频齿轮、复位弹簧、内棘轮、永磁体安装轮、永磁体、感应线圈、压电屈曲梁，升频齿轮固定在底板上，升频齿轮与内棘轮端部齿轮啮合连接，且升频齿轮的齿数大于内棘轮端部齿轮的齿数，复位弹簧安装在升频齿轮与底板之间，永磁体安装轮在内棘轮的驱动下单向旋转，永磁体安装轮沿圆周阵列内嵌若干永磁体，内棘轮与永磁体安装轮均安装在顶板上，能量管理电路板与感应线圈均安装在顶板上，能量管理电路板与感应线圈及压电屈曲梁电连接；本发明能够避免机械结构长时间佩戴摩擦对人体的损伤，尽可能的减小了对人体运动的影响，且具有较高的驱动力。
Description
[技术领域]
本发明涉及能量采集技术领域，具体地说是一种柔顺强驱式人体能量采集器。
[背景技术]
微电子器件广泛应用于工业、军事、航空航天、生物医学、环境监测、消费电子等诸多领域。目前，这些设备主要由化学电池供电，其寿命有限且对环境有害。随着新型材料、微纳制造和集成电子等技术的迅速发展，微电子器件所需的能耗显著降低。而人体在进行日常活动时会产生大量的能量消散在环境之中。从人体运动俘获生物机械能量，取代传统电池或延长传统电池寿命，为便携式和可穿戴微小机电系统供电，不仅可持续、节能环保，而且可以实现许多自供能的电子器件智能化功能，便捷、可靠。
目前，有三种主要的人体运动能量采集方式：脚踏、关节驱动和人体运动激振(基于质心垂直运动的人体运动激励)。其中，脚踏可以产生1.2倍人体重量的作用力，需要综合考虑器件重量、体积以及人体运动的舒适性和安全性。关节驱动力较大，但机械部件需要安置在人体关节部位，长时间佩戴摩擦会对人体造成损伤。人体运动激振复合发电装置可以佩戴在人体耐受部位，比如肩部、臀部等，但人体运动激振比较微弱，发电功率较小。总的来说，国内外关于兼顾人体运动能量采集装置输出功率与人体舒适度研究还较缺乏。
[发明内容]
本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种柔顺强驱式人体能量采集器，能够避免机械结构长时间佩戴摩擦对人体的损伤，尽可能的减小了对人体运动的影响，且具有较高的驱动力，解决了现有人体能量采集装置输出功率低、对人体运动影响大等问题。
为实现上述目的设计一种柔顺强驱式人体能量采集器，包括复合发电装置1、绳索2和人体固定端3，所述复合发电装置1固定在人体臀部，所述人体固定端3固定在人体小腿以下，所述复合发电装置1与人体固定端3之间通过绳索2连接，所述复合发电装置1包括升频齿轮4、复位弹簧5、内棘轮6、永磁体安装轮7、永磁体8、感应线圈9、压电屈曲梁10，所述绳索2连接在升频齿轮4上，所述升频齿轮4安装在底板安装轴11上，所述底板安装轴11固定在底板12上，所述升频齿轮4上方设置有内棘轮6，所述升频齿轮4与内棘轮6端部齿轮啮合连接，且升频齿轮4的齿数大于内棘轮6端部齿轮的齿数，所述复位弹簧5安装在升频齿轮4底部且位于升频齿轮4与底板12之间，所述永磁体安装轮7设置在内棘轮6内侧，并在内棘轮6的驱动下单向旋转，所述永磁体安装轮7沿圆周阵列内嵌若干永磁体8，若干永磁体8磁极交错布置，所述内棘轮6与永磁体安装轮7均安装在顶板安装轴13上，所述顶板安装轴13固定在顶板14上，所述永磁体安装轮7上方设有能量管理电路板15和若干感应线圈9，所述能量管理电路板15与感应线圈9均安装在顶板14上，若干感应线圈9沿圆周阵列且线圈绕向交错布置，所述感应线圈9串联并与永磁体8相对设置，所述能量管理电路板15与感应线圈9及压电屈曲梁10电连接，所述压电屈曲梁10设于内棘轮6下方并安装在底板12上。
进一步地，所述压电屈曲梁10包括压电屈曲梁安装架21、屈曲弹性梁22、压电片23和压电驱动永磁体24，所述压电片23粘接于屈曲弹性梁22两端，所述压电驱动永磁体24固定置于屈曲弹性梁22中间，所述屈曲弹性梁22固定安装在压电屈曲梁安装架21上且具有屈曲预应力，所述压电屈曲梁安装架21固定在底板12上。
进一步地，所述升频齿轮4上沿周边设有滑槽，所述绳索2安装在滑槽内，所述升频齿轮4在绳索2的带动下旋转。
进一步地，所述内棘轮6内部设有棘齿，所述永磁体安装轮7外圆周设有单向弹性棘齿，所述永磁体安装轮7通过单向弹性棘齿被内棘轮6的棘齿单向驱动。
进一步地，所述升频齿轮4通过滚珠轴承一16和外卡环17安装在底板安装轴11上，所述外卡环17设置在升频齿轮4外侧上方且套装于底板安装轴11上，所述升频齿轮4通过外卡环17进行定位。
进一步地，所述永磁体安装轮7通过滚珠轴承二18、内卡环19和限位块20安装在顶板安装轴13上，所述滚珠轴承二18设置在永磁体安装轮7与顶板安装轴13之间，所述内卡环19安装在永磁体安装轮7内壁上的卡环槽内，且抵于滚珠轴承二18外圆周下方，所述滚珠轴承二18下方安装有限位块20，所述限位块20套装于顶板安装轴13上。
本发明同现有技术相比，结构新颖、简单，设计合理，针对现有人体能量采集装置输出功率低、对人体运动影响大等缺点，提供了一种柔顺强驱式人体能量采集器，采用柔顺绳索机构避免了机械结构长时间佩戴摩擦对人体的损伤，能够与人体更好的相融，尽可能的减小了对人体运动的影响，并且也能具有较高的驱动力；通过利用柔顺绳索驱动发电装置，兼顾了人体舒适度与较强的人体运动激励，利用单向棘轮机构减少了传统往复运动机构复位的机械能量损失，且通过齿轮传动放大和永磁体圆周阵列的方法提升了激励频率，提高了能量转换效率，通过压电-电磁复合发电机制，提高了功率输出以及使用的灵活性，值得推广应用。
[附图说明]
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明复合发电装置的外部结构示意图；
图3为本发明复合发电装置的内部结构示意图；
图4为图3中A处的局部放大示意图；
图5为图3中B处的局部放大示意图；
图6为本发明复合发电装置的绳索驱动示意图；
图7为本发明复合发电装置的单向驱动示意图；
图8为本发明复合发电装置的感应线圈及能量管理电路板布置示意图；
图9为本发明复合发电装置的压电屈曲梁结构及布置示意图；
图中：1、复合发电装置 2、绳索 3、人体固定端 4、升频齿轮 5、复位弹簧 6、内棘轮 7、永磁体安装轮 8、永磁体 9、感应线圈 10、压电屈曲梁 11、底板安装轴 12、底板 13、顶板安装轴 14、顶板 15、能量管理电路板 16、滚珠轴承一 17、外卡环 18、滚珠轴承二19、内卡环 20、限位块 21、压电屈曲梁安装架 22、屈曲弹性梁 23、压电片 24、压电驱动永磁体。
[具体实施方式]
下面结合附图对本发明作以下进一步说明：
如附图所示，本发明提供了一种柔顺强驱式人体能量采集器，包括复合发电装置1、绳索2和人体固定端3，复合发电装置1固定在人体臀部，人体固定端3固定在人体小腿以下，复合发电装置1与人体固定端3之间通过绳索2连接，复合发电装置1包括升频齿轮4、复位弹簧5、内棘轮6、永磁体安装轮7、永磁体8、感应线圈9、压电屈曲梁10，绳索2连接在升频齿轮4上，升频齿轮4安装在底板安装轴11上，底板安装轴11固定在底板12上，升频齿轮4上方设置有内棘轮6，升频齿轮4与内棘轮6端部齿轮啮合连接，且升频齿轮4的齿数大于内棘轮6端部齿轮的齿数，复位弹簧5安装在升频齿轮4底部且位于升频齿轮4与底板12之间，永磁体安装轮7设置在内棘轮6内侧，并在内棘轮6的驱动下单向旋转，永磁体安装轮7沿圆周阵列内嵌若干永磁体8，若干永磁体8磁极交错布置，内棘轮6与永磁体安装轮7均安装在顶板安装轴13上，顶板安装轴13固定在顶板14上，永磁体安装轮7上方设有能量管理电路板15和若干感应线圈9，能量管理电路板15与感应线圈9均安装在顶板14上，若干感应线圈9沿圆周阵列且线圈绕向交错布置，感应线圈9串联并与永磁体8相对设置，能量管理电路板15与感应线圈9及压电屈曲梁10电连接，压电屈曲梁10设于内棘轮6下方并安装在底板12上。
其中，压电屈曲梁10包括压电屈曲梁安装架21、屈曲弹性梁22、压电片23和压电驱动永磁体24，压电片23粘接于屈曲弹性梁22两端，压电驱动永磁体24固定置于屈曲弹性梁22中间，屈曲弹性梁22固定安装在压电屈曲梁安装架21上且具有屈曲预应力，压电屈曲梁安装架21固定在底板12上。升频齿轮4通过滚珠轴承一16和外卡环17安装在底板安装轴11上，外卡环17设置在升频齿轮4外侧上方且套装于底板安装轴11上，升频齿轮4通过外卡环17进行定位；永磁体安装轮7通过滚珠轴承二18、内卡环19和限位块20安装在顶板安装轴13上，滚珠轴承二18设置在永磁体安装轮7与顶板安装轴13之间，内卡环19安装在永磁体安装轮7内壁上的卡环槽内，且抵于滚珠轴承二18外圆周下方，滚珠轴承二18下方安装有限位块20，限位块20套装于顶板安装轴13上。内棘轮6内部设有棘齿，永磁体安装轮7外圆周设有单向弹性棘齿，永磁体安装轮7通过单向弹性棘齿被内棘轮6的棘齿单向驱动，即只能被内棘轮6的棘齿单向驱动。升频齿轮4上沿周边设有滑槽，绳索2安装在滑槽内，升频齿轮4在绳索2的带动下旋转。
本发明的工作原理为：人体行走或奔跑时，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，此时不宜采集能量；而当小腿下落摆动时，此时人体对小腿做负功，用于降低小腿的下落速度，此时比较适宜采集能量而不需要人体额外做功；当人脚落地，复合发电装置1与人体固定端3的距离增加，绳索2被拉紧从而带动升频齿轮4转动，复合发电装置1与人体固定端3都固定在人体的耐受部位，且通过柔顺的绳索2传动，不影响人体的舒适度且具有较大的驱动力；由于升频齿轮4与内棘轮6端部齿轮啮合，且升频齿轮4的齿数大于内棘轮6的端部齿轮齿数，所以内棘轮6以更大的角速度转动；内棘轮6驱动永磁体安装轮7单向旋转，由于惯性作用且通过实验已验证，永磁体安装轮7可以在间歇式激励下高速旋转；当永磁体安装轮7旋转一个相邻永磁体间隔角度，因此穿过感应线圈9的磁通量会反向，且压电屈曲梁10受到磁力会反向，这种设置使得激励频率进一步被提升，即旋转一周会有多个磁激励；磁通量完全反向使得感应线圈9的磁通量变化率更大，感应线圈9因为电磁感应而发电，压电屈曲梁10具有两个稳态，当磁力反向，从一个稳态突跳到另一个稳态，产生更大的变形，压电片23会随之产生变形因为压电效应而发电；通过电磁感应和压电效应产生的电压可以通过能量管理电路板15处理，比如：存储在超级电容，然后直接使用或者备用，电磁感应发电电流较大，压电发电电压较高，因此可以用于不同需求的器件使用；当小腿抬起时，复位弹簧5会释放其储存的弹性势能，使升频齿轮4反向转动复位。
本发明利用柔顺绳索驱动发电装置，兼顾了人体舒适度与人体运动激励强度，利用单向棘轮机构减少传统往复运动机构复位的机械能量损失，且通过齿轮传动放大和永磁体圆周阵列的方法提升激励频率，提高能量转换效率，通过压电-电磁复合发电机制，提高了功率输出以及使用的灵活性。
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种柔顺强驱式人体能量采集器，其特征在于：包括复合发电装置(1)、绳索(2)和人体固定端(3)，所述复合发电装置(1)固定在人体臀部，所述人体固定端(3)固定在人体小腿以下，所述复合发电装置(1)与人体固定端(3)之间通过绳索(2)连接，所述复合发电装置(1)包括升频齿轮(4)、复位弹簧(5)、内棘轮(6)、永磁体安装轮(7)、永磁体(8)、感应线圈(9)、压电屈曲梁(10)，所述绳索(2)连接在升频齿轮(4)上，所述升频齿轮(4)安装在底板安装轴(11)上，所述底板安装轴(11)固定在底板(12)上，所述升频齿轮(4)上方设置有内棘轮(6)，所述升频齿轮(4)与内棘轮(6)端部齿轮啮合连接，且升频齿轮(4)的齿数大于内棘轮(6)端部齿轮的齿数，所述复位弹簧(5)安装在升频齿轮(4)底部且位于升频齿轮(4)与底板(12)之间，所述永磁体安装轮(7)设置在内棘轮(6)内侧，并在内棘轮(6)的驱动下单向旋转，所述永磁体安装轮(7)沿圆周阵列内嵌若干永磁体(8)，若干永磁体(8)磁极交错布置，所述内棘轮(6)与永磁体安装轮(7)均安装在顶板安装轴(13)上，所述顶板安装轴(13)固定在顶板(14)上，所述永磁体安装轮(7)上方设有能量管理电路板(15)和若干感应线圈(9)，所述能量管理电路板(15)与感应线圈(9)均安装在顶板(14)上，若干感应线圈(9)沿圆周阵列且线圈绕向交错布置，所述感应线圈(9)串联并与永磁体(8)相对设置，所述能量管理电路板(15)与感应线圈(9)及压电屈曲梁(10)电连接，所述压电屈曲梁(10)设于内棘轮(6)下方并安装在底板(12)上。
2.如权利要求1所述的柔顺强驱式人体能量采集器，其特征在于：所述压电屈曲梁(10)包括压电屈曲梁安装架(21)、屈曲弹性梁(22)、压电片(23)和压电驱动永磁体(24)，所述压电片(23)粘接于屈曲弹性梁(22)两端，所述压电驱动永磁体(24)固定置于屈曲弹性梁(22)中间，所述屈曲弹性梁(22)固定安装在压电屈曲梁安装架(21)上且具有屈曲预应力，所述压电屈曲梁安装架(21)固定在底板(12)上。
3.如权利要求1或2所述的柔顺强驱式人体能量采集器，其特征在于：所述升频齿轮(4)上沿周边设有滑槽，所述绳索(2)安装在滑槽内，所述升频齿轮(4)在绳索(2)的带动下旋转。
4.如权利要求3所述的柔顺强驱式人体能量采集器，其特征在于：所述内棘轮(6)内部设有棘齿，所述永磁体安装轮(7)外圆周设有单向弹性棘齿，所述永磁体安装轮(7)通过单向弹性棘齿被内棘轮(6)的棘齿单向驱动。
5.如权利要求4所述的柔顺强驱式人体能量采集器，其特征在于：所述升频齿轮(4)通过滚珠轴承一(16)和外卡环(17)安装在底板安装轴(11)上，所述外卡环(17)设置在升频齿轮(4)外侧上方且套装于底板安装轴(11)上，所述升频齿轮(4)通过外卡环(17)进行定位。
6.如权利要求5所述的柔顺强驱式人体能量采集器，其特征在于：所述永磁体安装轮(7)通过滚珠轴承二(18)、内卡环(19)和限位块(20)安装在顶板安装轴(13)上，所述滚珠轴承二(18)设置在永磁体安装轮(7)与顶板安装轴(13)之间，所述内卡环(19)安装在永磁体安装轮(7)内壁上的卡环槽内，且抵于滚珠轴承二(18)外圆周下方，所述滚珠轴承二(18)下方安装有限位块(20)，所述限位块(20)套装于顶板安装轴(13)上。
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