CN111894821B - 背戴式四驱人体运动能量采集装置及人体增强装备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种背戴式四驱人体运动能量采集装置及人体增强装备，包括人体运动能量发电装置，人体运动能量发电装置固定在人体增强套装背部，人体运动能量发电装置通过腿牵引绳、臂牵引绳与人体增强套装的腿关节以下部位以及手臂部位连接，人体运动能量发电装置包括外罩、底板、传动机构、转动发电盘，底板与人体增强套装固定连接，传动机构安装在底板上，传动机构的输出端连接转动发电盘，转动发电盘上设有永磁体安装环，永磁体安装环上安装有永磁体，外罩内侧对应转动发电盘设有线圈安装环，线圈安装环上安装有线圈；本发明能够提高人体运动能量利用率，减小对人体运动的影响，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。
Description
[技术领域]
本发明涉及人体运动能量采集及人机结合技术领域，具体地说是一种背戴式四驱人体运动能量采集装置及人体增强装备。
[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，若能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，主要有三种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。
此外，随着社会科技的发展，人们希望通过可穿戴装备增强或增加一些技能，从而提升人们应对特殊环境的能力，尤其是野外环境生存、军事等方面。
[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背戴式四驱人体运动能量采集装置及人体增强装备，能够显著提高人体运动能量利用率，尽可能的减小了对人体运动的影响，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背戴式四驱人体运动能量采集装置及人体增强装备，包括人体运动能量发电装置1、人体增强套装2、腿牵引绳3和臂牵引绳4，所述人体运动能量发电装置1固定在人体增强套装2背部，所述人体运动能量发电装置1通过腿牵引绳3与人体增强套装2的腿关节以下部位连接，所述人体运动能量发电装置1通过臂牵引绳4与人体增强套装2的手臂部位连接，所述人体运动能量发电装置1包括外罩6、底板7、传动机构8、转动发电盘9，所述底板7与人体增强套装2固定连接，所述底板7与外罩6之间形成用于容纳传动机构8、转动发电盘9的空腔，所述传动机构8安装在底板7上，所述传动机构8的输入端连接腿牵引绳3和臂牵引绳4，所述腿牵引绳3和臂牵引绳4在人体关节运动时被拉动，并驱动传动机构8，所述传动机构8的输出端连接转动发电盘9，所述转动发电盘9在传动机构8的带动下做旋转运动，所述转动发电盘9上设有永磁体安装环10，所述永磁体安装环10上安装有永磁体11，所述外罩6内侧对应转动发电盘9设有线圈安装环12，所述线圈安装环12上安装有线圈13。
进一步地，所述腿牵引绳3、臂牵引绳4均穿设于导引套筒5内，所述导引套筒5设置在人体增强套装2上。
进一步地，所述传动机构8设置有四套，四套传动机构8沿圆周阵列式安装在底板7上。
进一步地，所述人体增强套装2的手臂部位设置有放电头14，所述放电头14通过电控模板控制电压输出。
进一步地，所述转动发电盘9上与底板7靠近的一侧设有摩擦导电片15，所述底板7上沿水平位置对称设有得电子架16和失电子架17，所述摩擦导电片15随转动发电盘9旋转后与得电子架16和失电子架17发生摩擦。
进一步地，所述转动发电盘9上另一侧设有感应发电片18，所述外罩6内侧对应感应发电片18处沿水平方向设有导电桥19，所述外罩6内侧对应感应发电片18处沿竖直方向设有负载接头20。
进一步地，所述人体增强套装2上集成有超级电容、电控模板和电源接口，所述线圈13与负载接头20输出的电能存储在超级电容，所述电控模板用于控制放电头14的电压输出。
进一步地，所述传动机构8包括驱动轮21、棘爪轮22、棘轮23，所述驱动轮21包括齿轮以及设置在齿轮与底板7之间的用于固定连接牵引绳的光轮，所述驱动轮21的光轮在牵引绳的驱动下带动齿轮旋转，所述驱动轮21的齿轮与棘爪轮22上的齿轮二啮合连接，且驱动轮21的齿轮齿数大于棘爪轮22的齿轮二的齿数，所述棘轮23设置有棘齿，所述棘爪轮22上设有棘爪，所述棘轮23通过棘齿与棘爪轮22上的棘爪啮合连接，并被棘爪轮22的棘爪单向驱动，所述棘轮23固定连接在转动发电盘9上。
进一步地，所述腿牵引绳3、臂牵引绳4均缠绕在驱动轮21的光轮上，所述驱动轮21的光轮上设置有复位弹簧，所述复位弹簧用于对驱动轮21旋转复位。
进一步地，所述人体增强套装2在腿关节以下部位设有腿紧固带24，所述腿紧固带24用于紧固腿牵引绳3，所述人体增强套装2在手臂部位设有臂紧固带25，所述臂紧固带25用于紧固臂牵引绳4。
本发明同现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明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，以及人们对人体技能提升的需求，尤其是野外环境生存、军事等方面的需求，提供了背戴式四驱人体运动能量采集装置及人体增强装备；
(2)本发明四肢关节运动通过柔顺绳索协同驱动人体运动能量采集装置，显著提高人体运动能量利用率，且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，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；
(3)本发明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；
(4)本发明通过摩擦发电-电磁复合发电机制，提高了功率输出以及使用的灵活性，并且能够回收人体运动能量再灵活利用，提升了人们应对特殊环境的能力，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为图1中A处的局部放大示意图；
图3为本发明人体运动能量发电装置的立体结构示意图；
图4为本发明人体运动能量发电装置去除外罩后的内部结构示意图；
图5为本发明人体运动能量发电装置中外罩的内部结构示意图；
图6为本发明人体运动能量发电装置的传动部分示意图；
图7为本发明人体运动能量发电装置中转动发电盘的立体结构示意图；
图中：1、人体运动能量发电装置 2、人体增强套装 3、腿牵引绳 4、臂牵引绳 5、导引套筒 6、外罩 7、底板 8、传动机构 9、转动发电盘 10、永磁体安装环 11、永磁体 12、线圈安装环 13、线圈 14、放电头 15、摩擦导电片 16、得电子架 17、失电子架 18、感应导电片 19、导电桥 20、负载接头 21、驱动轮 22、棘爪轮 23、棘轮 24、腿紧固带 25、臂紧固带。
[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1所示，本发明提供了一种背戴式四驱人体运动能量采集装置及人体增强装备，包括人体运动能量发电装置1、人体增强套装2、腿牵引绳3和臂牵引绳4，人体运动能量发电装置1固定在人体增强套装2背部，人体运动能量发电装置1通过腿牵引绳3与人体增强套装2的腿关节以下部位连接，人体运动能量发电装置1通过臂牵引绳4与人体增强套装2的手臂部位连接。人体增强套装2的手臂部位设置有放电头14，放电头14通过电控模板控制电压输出；人体增强套装2在腿关节以下部位设有腿紧固带24，腿紧固带24用于紧固腿牵引绳3，人体增强套装2在手臂部位设有臂紧固带25，臂紧固带25用于紧固臂牵引绳4。该腿牵引绳3、臂牵引绳4均穿设于导引套筒5内，导引套筒5设置在人体增强套装2上，如附图2所示。
如附图3至附图7所示，人体运动能量发电装置1包括外罩6、底板7、传动机构8、转动发电盘9，底板7与人体增强套装2固定连接，底板7与外罩6之间形成用于容纳传动机构8、转动发电盘9的空腔，传动机构8安装在底板7上，该传动机构8设置有四套，四套传动机构8沿圆周阵列式安装在底板7上，传动机构8的输入端连接腿牵引绳3和臂牵引绳4，腿牵引绳3和臂牵引绳4在人体关节运动时被拉动，并驱动传动机构8，传动机构8的输出端连接转动发电盘9，转动发电盘9在传动机构8的带动下做旋转运动，转动发电盘9上设有永磁体安装环10，永磁体安装环10上安装有永磁体11，外罩6内侧对应转动发电盘9设有线圈安装环12，线圈安装环12上安装有线圈13；外罩6、底板7、传动机构8、转动发电盘9等均采用轻质高强材料。
其中，转动发电盘9上与底板7靠近的一侧设有摩擦导电片15，底板7水平位置沿水平方向对称设有得电子架16和失电子架17，摩擦导电片15随转动发电盘9旋转后与得电子架16和失电子架17发生摩擦；转动发电盘9上另一侧设有感应发电片18，外罩6内侧对应感应发电片18处沿水平方向设有导电桥19，外罩6内侧对应感应发电片18处沿竖直方向设有负载接头20；人体增强套装2上集成有超级电容、电控模板和电源接口，线圈13与负载接头20输出的电能可以直接使用也可以存储在超级电容，电控模板可以用于控制放电头14的电压输出。
其中，传动机构8包括驱动轮21、棘爪轮22、棘轮23，驱动轮21包括齿轮以及设置在齿轮与底板7之间且靠近底板7的用于固定连接牵引绳的光轮，驱动轮21的光轮在牵引绳的驱动下带动齿轮旋转，驱动轮21的齿轮与棘爪轮22上的齿轮二啮合连接，且驱动轮21的齿轮齿数远大于棘爪轮22的齿轮二的齿数，棘轮23设置有棘齿，棘爪轮22上设有棘爪，棘轮23通过棘齿与棘爪轮22上的棘爪啮合连接，并被棘爪轮22的棘爪单向驱动，棘轮23固定连接在转动发电盘9上；腿牵引绳3、臂牵引绳4均顺时针(正视背部)缠绕在驱动轮21的光轮上，驱动轮21的光轮上设置有复位弹簧，复位弹簧用于对驱动轮21旋转复位。
本发明的工作原理为：人体关节运动时拉动腿牵引绳3和臂牵引绳4，机械能量通过柔顺的绳索传动到人体运动能量采集装置1中的驱动轮21，不影响人体的舒适度且具有较大的驱动力；腿牵引绳3和臂牵引绳4均顺时针(正视背部)绕在驱动轮21上的光轮，即左右臂腿运动均使得驱动轮21顺时针旋转，由于驱动轮21上的齿轮与棘爪轮22上的齿轮啮合，且驱动轮21上的齿轮齿数远大于棘爪轮22上的齿轮齿数，所以棘爪轮22以更大的角速度逆时针转动，棘爪轮22驱动棘轮23高速顺时针单向旋转，即转动发电盘9高速顺时针单向旋转；当驱动轮21在复位弹簧力作用下逆时针旋转复位，所对应的棘爪轮22顺时针旋转，其上面的棘爪滑过棘轮23，或者某一棘爪轮22相对棘轮23顺时针旋转，其上面的棘爪滑过棘轮23；因此，四肢关节运动是协同互补驱动转动发电盘9高速单向旋转，显著提高人体运动能量利用率。
当转动发电盘9以及安装在其上的永磁体11旋转，因此穿过线圈13的磁通量发生变化，从而因为电磁感应发电；转动发电盘9高速单向旋转使摩擦导电片15与得电子架16和失电子架17发生摩擦，从而因为摩擦产生电荷转移，使得得电子架16带负电，失电子架17带正电，在旋转的过程中，导电桥19可以使感应导电片18的水平方向对称的两个导电片导通，从而因为静电感应，使得接近得电子架16的导电片带正电荷，接近失电子架17的导电片带负电荷；当这两个导电片继续旋转90度，分别接触到负载接头20，则可以在负载中产生电流；通过电磁感应和摩擦发电产生的电压可以直接使用或存储在超级电容，电磁感应发电电流较大，摩擦发电电压较高，因此可以用于不同需求的器件使用；电控模板可以控制放电头14的电压输出从而实现不同的功能，比如高压电击、野外点火、中医理疗等，这些功能都已经在实验中实现。该人体增强套装2还可以根据实际需求集成更多功能，从而增强或增加人体的技能，提升人们应对特殊环境的能力，尤其是野外环境生存、军事等方面。
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 (5)
1.一种背戴式四驱人体运动能量采集装置及人体增强装备，其特征在于：包括人体运动能量发电装置(1)、人体增强套装(2)、腿牵引绳(3)和臂牵引绳(4)，所述人体运动能量发电装置(1)固定在人体增强套装(2)背部，所述人体运动能量发电装置(1)通过腿牵引绳(3)与人体增强套装(2)的腿关节以下部位连接，所述人体运动能量发电装置(1)通过臂牵引绳(4)与人体增强套装(2)的手臂部位连接，所述人体运动能量发电装置(1)包括外罩(6)、底板(7)、传动机构(8)、转动发电盘(9)，所述底板(7)与人体增强套装(2)固定连接，所述底板(7)与外罩(6)之间形成用于容纳传动机构(8)、转动发电盘(9)的空腔，所述传动机构(8)安装在底板(7)上，所述传动机构(8)的输入端连接腿牵引绳(3)和臂牵引绳(4)，所述腿牵引绳(3)和臂牵引绳(4)在人体关节运动时被拉动，并驱动传动机构(8)，所述传动机构(8)的输出端连接转动发电盘(9)，所述转动发电盘(9)在传动机构(8)的带动下做旋转运动，所述转动发电盘(9)上设有永磁体安装环(10)，所述永磁体安装环(10)上安装有永磁体(11)，所述外罩(6)内侧对应转动发电盘(9)设有线圈安装环(12)，所述线圈安装环(12)上安装有线圈(13)；所述转动发电盘(9)上与底板(7)靠近的一侧设有摩擦导电片(15)，所述底板(7)上沿水平位置对称设有得电子架(16)和失电子架(17)，所述摩擦导电片(15)随转动发电盘(9)旋转后与得电子架(16)和失电子架(17)发生摩擦；所述转动发电盘(9)上另一侧设有感应发电片(18)，所述外罩(6)内侧对应感应发电片(18)处沿水平方向设有导电桥(19)，所述外罩(6)内侧对应感应发电片(18)处沿竖直方向设有负载接头(20)；所述人体增强套装(2)上集成有超级电容、电控模板和电源接口，所述线圈(13)与负载接头(20)输出的电能存储在超级电容，所述电控模板用于控制放电头(14)的电压输出；
所述传动机构(8)设置有四套，四套传动机构(8)沿圆周阵列式安装在底板(7)上；
所述传动机构(8)包括驱动轮(21)、棘爪轮(22)、棘轮(23)，所述驱动轮(21)包括齿轮以及设置在齿轮与底板(7)之间的用于固定连接牵引绳的光轮，所述驱动轮(21)的光轮在牵引绳的驱动下带动齿轮旋转，所述驱动轮(21)的齿轮与棘爪轮(22)上的齿轮二啮合连接，且驱动轮(21)的齿轮齿数大于棘爪轮(22)的齿轮二的齿数，所述棘轮(23)设置有棘齿，所述棘爪轮(22)上设有棘爪，所述棘轮(23)通过棘齿与棘爪轮(22)上的棘爪啮合连接，并被棘爪轮(22)的棘爪单向驱动，所述棘轮(23)固定连接在转动发电盘(9)上。
2.如权利要求1所述的背戴式四驱人体运动能量采集装置及人体增强装备，其特征在于：所述腿牵引绳(3)、臂牵引绳(4)均穿设于导引套筒(5)内，所述导引套筒(5)设置在人体增强套装(2)上。
3.如权利要求1所述的背戴式四驱人体运动能量采集装置及人体增强装备，其特征在于：所述人体增强套装(2)的手臂部位设置有放电头(14)，所述放电头(14)通过电控模板控制电压输出。
4.如权利要求1所述的背戴式四驱人体运动能量采集装置及人体增强装备，其特征在于：所述腿牵引绳(3)、臂牵引绳(4)均缠绕在驱动轮(21)的光轮上，所述驱动轮(21)的光轮上设置有复位弹簧，所述复位弹簧用于对驱动轮(21)旋转复位。
5.如权利要求1所述的背戴式四驱人体运动能量采集装置及人体增强装备，其特征在于：所述人体增强套装(2)在腿关节以下部位设有腿紧固带(24)，所述腿紧固带(24)用于紧固腿牵引绳(3)，所述人体增强套装(2)在手臂部位设有臂紧固带(25)，所述臂紧固带(25)用于紧固臂牵引绳(4)。
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