CN112914223A - 准零刚度人体运动能量采集背包 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种准零刚度人体运动能量采集背包，包括准零刚度人体运动能量采集器，准零刚度人体运动能量采集器通过连接滑块齿条上的安装凸块与负重背包相连，准零刚度人体运动能量采集器包括壳体、前盖板、准零刚度组件、传动组件、安装板、棘爪盘组件、磁铁盘组件、主轴、线圈、后板，准零刚度组件与壳体连接，传动组件安装在安装板上，传动组件与准零刚度组件啮合连接，棘爪盘组件安装在安装板另一面，棘爪盘组件与磁铁盘组件啮合连接，磁铁盘组件通过轴承安装在主轴上，且与线圈对应布置，线圈圆周阵列嵌装于后板内；本发明同现有技术相比，能以高能量利用率和转化率持续输出电能，克服了目前发电背包输出功率低，能量转化效率不高等缺点。

Description

准零刚度人体运动能量采集背包

[技术领域]

本发明涉及人体能量收集技术领域，具体地说是一种准零刚度人体运动能量采集背包。

[背景技术]

近几十年来，便携式和可穿戴电子产品的使用稳步增长。这些电子设备性能提高的同时，所需要的功率也越来越高，如何持续为这些便携式电子设备供电成为了一个难题。传统的电池供电存在供电时长有限、废弃电池污染环境的缺点。为了克服电池供电带来的缺点，延长便携式和可穿戴电子产品的使用时间，研究人员已经开始研究从环境和人体运动中回收能量发电的方法。

人体在日常生活中会耗散许多能量，这些能量会以势能、机械能、热能等方式浪费掉。人体运动能量收集技术利用人运动时的机械能和势能转化为电能，具有环保、可持续的优点。以人体能量收集技术为背景，出现了许多人体能量发电装置，发电背包是其中的热点之一。然而，目前的发电背包存在转换效率低、激励形式单一且发电所需激励要求高、形体笨重的缺点，阻碍了发电背包作为便携式发电设备的推广和应用。

[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准零刚度人体运动能量采集背包，实现了在减小背包重量对人运动姿态影响的同时能以高能量利用率和转化率持续输出电能，克服了目前发电背包输出功率低，能量转化效率不高等缺点。

为实现上述目的设计一种准零刚度人体运动能量采集背包，包括准零刚度人体运动能量采集器1，所述准零刚度人体运动能量采集器1通过连接滑块齿条3上的安装凸块与负重背包2相连，所述准零刚度人体运动能量采集器1包括壳体4、前盖板5、准零刚度组件6、传动组件7、安装板8、棘爪盘组件9、磁铁盘组件10、主轴11、线圈12、后板13，所述壳体4前端安装有前盖板5，所述壳体4内装设有安装板8、后板13，所述后板13设于安装板8后侧，所述准零刚度组件6与壳体4连接，所述传动组件7安装在安装板8上，所述传动组件7与准零刚度组件6啮合连接，所述棘爪盘组件9安装在安装板8另一面，所述棘爪盘组件9与磁铁盘组件10啮合连接，所述传动组件7在准零刚度组件6的带动下旋转，并通过棘爪盘组件9带动磁铁盘组件10旋转，所述磁铁盘组件10通过轴承安装在主轴11上，且与线圈12对应布置，所述线圈12圆周阵列嵌装于后板13内。

进一步地，所述准零刚度组件6包括弹簧安装块14、齿条滑轨轴15、连接滑块齿条3、负刚度弹簧16和正刚度弹簧17，所述准零刚度组件6通过弹簧安装块14、齿条滑轨轴15与壳体4连接，所述弹簧安装块14左右对称布置，且固定安装在壳体4左右板内侧，所述齿条滑轨轴15竖直安装在壳体4上下板之间；所述连接滑块齿条3可上下滑动式安装在齿条滑轨轴15上，所述连接滑块齿条3上下方各设置一个正刚度弹簧17，所述连接滑块齿条3左右两侧各铰接一个负刚度弹簧16，所述连接滑块齿条3两侧啮合连接传动组件7，两组传动组件7对称分布于连接滑块齿条3两侧，所述连接滑块齿条3正面设有安装凸块与负重背包2嵌合连接；所述负刚度弹簧16一端连接在弹簧安装块14上，所述负刚度弹簧16另一端与连接滑块齿条3侧面铰接，所述正刚度弹簧17安装在齿条滑轨轴15上，所述正刚度弹簧17一端与壳体4连接，所述正刚度弹簧17另一端与连接滑块齿条3连接。

进一步地，所述传动组件7包括组合升频齿轮18、换向齿轮19、上驱动齿轮20、下驱动齿轮21，所述组合升频齿轮18通过主轴11以及轴承安装在安装板8上，所述组合升频齿轮18由大齿轮与小齿轮组合而成，所述小齿轮与连接滑块齿条3啮合连接，所述大齿轮下方与下驱动齿轮21啮合连接，所述大齿轮上方与换向齿轮19啮合连接，所述换向齿轮19与上驱动齿轮20啮合连接。

进一步地，所述下驱动齿轮21通过驱动齿轮安装轴一22以及轴承安装在安装板8上，所述换向齿轮19通过换向齿轮安装轴23以及轴承安装在安装板8上，所述上驱动齿轮20通过驱动齿轮安装轴二24以及轴承安装在安装板8上。

进一步地，所述组合升频齿轮18的大齿轮齿数大于上驱动齿轮20、下驱动齿轮21的齿数。

进一步地，所述安装板8另一面装设有两组棘爪盘组件9，两组棘爪盘组件9左右对称布置，所述棘爪盘组件9由大棘爪盘25、小棘爪盘26、棘爪27组成，所述大棘爪盘25位于小棘爪盘26上方，所述大棘爪盘25、小棘爪盘26上均沿圆周阵列安装有棘爪27，每个棘爪27均可绕铰接处自由摆动，所述大棘爪盘25在上驱动齿轮20的驱动下旋转，所述小棘爪盘26在下驱动齿轮21的驱动下旋转，所述棘爪27啮合带动磁铁盘组件10绕主轴11旋转。

进一步地，所述大棘爪盘25通过驱动齿轮安装轴二24以及轴承安装在安装板8上，所述小棘爪盘26通过驱动齿轮安装轴一22以及轴承安装在安装板8上。

进一步地，所述磁铁盘组件10包括棘轮28、磁铁29、磁铁嵌装盘30、安装基体31，所述磁铁29沿圆周阵列且磁极交错布置，所述磁铁29嵌装于磁铁嵌装盘30内，所述磁铁29与线圈12位置对应，所述磁铁嵌装盘30固定连接在安装基体31一面，所述棘轮28固定连接在安装基体31另一面，所述安装基体31通过轴承安装在主轴11上，所述棘轮28在棘爪27啮合带动下旋转。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明通过并联一对正刚度弹簧和一对负刚度弹簧构造了准零刚度系统，使得连接滑块齿条容易在人运动时产生的低频上下起伏激励下产生较大位移，从而驱动齿轮机构发电，解决了目前的发电背包能量转化率低、发电所需激励要求高的缺点；

(2)本发明通过棘轮机构、换向齿轮将齿条的上下运动转换为磁铁盘的高速单向旋转，并通过设置一对竖直的正刚度弹簧平衡负重背包的重量，使得连接滑块齿条能够持续上下运动，解决了目前发电背包功率较低，可靠性差的问题；

(3)本发明设计了升频和单向旋转机构，能显著提高机电转换效率，值得推广应用；

综上：本发明能够利用人体运动时的上下起伏来发电，体积较小，重量较轻；实现了在减小背包重量对人运动姿态影响的同时能以高能量利用率和转化率持续输出电能，克服了目前发电背包输出功率低，能量转化效率不高等缺点。

[附图说明]

图1是本发明的侧面连接示意图；

图2是本发明准零刚度人体运动能量采集器的爆炸示意图；

图3是本发明准零刚度组件以及传动组件的安装示意图；

图4是本发明棘爪盘组件与磁铁盘组件的工作示意图；

图5是本发明磁铁盘组件一面的结构示意图；

图6是本发明磁铁盘组件的立体结构示意图；

图7是本发明磁铁盘组件另一面的结构示意图；

图中：1、准零刚度人体运动能量采集器2、负重背包3、连接连接滑块齿条4、壳体5、前盖板6、准零刚度组件7、传动组件8、安装板9、棘爪盘组件10、磁体盘组件11、主轴12、线圈13、后板14、弹簧安装块15、齿条滑轨轴16、负刚度弹簧17、正刚度弹簧18、组合升频齿轮19、换向齿轮20、上驱动齿轮21、下驱动齿轮22、驱动齿轮安装轴一23、换向齿轮安装轴24、驱动齿轮安装轴二25、大棘爪盘26、小棘爪盘27、棘爪28、棘轮29、磁铁30、磁铁嵌装盘31、安装基体。

[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1所示，本发明提供了一种准零刚度人体运动能量采集背包，包括准零刚度人体运动能量采集器1，准零刚度人体运动能量采集器1通过连接滑块齿条3上的安装凸块与负重背包2固定连接。

如附图2所示，准零刚度人体运动能量采集器1包括壳体4、前盖板5、准零刚度组件6、传动组件7、安装板8、棘爪盘组件9、磁铁盘组件10、主轴11、线圈12、后板13，壳体4前端安装有前盖板5，壳体4内装设有安装板8、后板13，后板13设于安装板8后侧，准零刚度组件6与壳体4连接，传动组件7通过安装轴以及轴承安装在安装板8上，传动组件7与准零刚度组件6啮合传动，棘爪盘组件9通过安装轴以及轴承安装在安装板8另一面，棘爪盘组件9与磁铁盘组件10啮合连接，传动组件7在准零刚度组件6的带动下旋转，并通过棘爪盘组件9带动磁铁盘组件10旋转，磁铁盘组件10通过轴承安装在主轴11上，且与线圈12对应布置，线圈12圆周阵列嵌装于后板13内。

如附图3所示，准零刚度组件6包括弹簧安装块14、齿条滑轨轴15、连接滑块齿条3、负刚度弹簧16和正刚度弹簧17，准零刚度组件6通过弹簧安装块14、齿条滑轨轴15与壳体4连接，弹簧安装块14左右对称布置，且固定安装在壳体4左右板内侧，齿条滑轨轴15竖直安装在壳体4上下板之间；连接滑块齿条3安装在齿条滑轨轴15上，可沿齿条滑轨轴15上下滑动，连接滑块齿条3上方和下方各设置了一个正刚度弹簧17，连接滑块齿条3左右两侧各铰接一个负刚度弹簧16，连接滑块齿条3两侧啮合连接传动组件7，两组传动组件7对称分布于连接滑块齿条3两侧，连接滑块齿条3正面设计了安装凸块与负重背包2嵌合，通过螺栓螺母连接；预压缩的水平负刚度弹簧16一端连接在弹簧安装块14上，负刚度弹簧16另一端与连接滑块齿条3侧面铰接，正刚度弹簧17安装在齿条滑轨轴15上，正刚度弹簧17一端与壳体4连接，正刚度弹簧17另一端与连接滑块齿条3连接，其作用是平衡负重背包2的重力。

如附图3所示，传动组件7包括组合升频齿轮18、换向齿轮19、上驱动齿轮20、下驱动齿轮21，两组传动组件7对称分布于连接滑块齿条3两侧，连接滑块齿条3上下运动时同时驱动两侧的传动组件7；组合升频齿轮18通过主轴11以及轴承安装在安装板8上，组合升频齿轮18由大齿轮与小齿轮组合而成，小齿轮与连接滑块齿条3啮合连接，同时大齿轮下方与下驱动齿轮21啮合连接，大齿轮上方与换向齿轮19啮合连接，换向齿轮19与上驱动齿轮20啮合连接；组合升频齿轮18的大齿轮齿数远大于上驱动齿轮20和下驱动齿轮21的齿数，因此具有升频特性。下驱动齿轮21通过驱动齿轮安装轴一22以及轴承安装在安装板8上，换向齿轮19通过换向齿轮安装轴23以及轴承安装在安装板8上，与组合升频齿轮18啮合的同时与上驱动齿轮20啮合，使得上驱动齿轮20与下驱动齿轮21转动方向时刻相反，带动安装板8另一侧的棘轮盘有不同的转动方向。上驱动齿轮20通过驱动齿轮安装轴二24以及轴承安装在安装板8上。

如附图4所示，安装板8另一面装设有两组棘爪盘组件9，两组棘爪盘组件9左右对称布置，棘爪盘组件9由大棘爪盘25、小棘爪盘26、棘爪27组成，大棘爪盘25位于小棘爪盘26上方，大棘爪盘25、小棘爪盘26上均沿圆周阵列安装有棘爪27，每个棘爪27均可绕铰接处自由摆动，大棘爪盘25在上驱动齿轮20的驱动下旋转，小棘爪盘26在下驱动齿轮21的驱动下旋转，棘爪27啮合带动磁铁盘组件10绕主轴11旋转；大棘爪盘25通过驱动齿轮安装轴二24以及轴承安装在安装板8上，在上驱动齿轮20的驱动下旋转，带动磁铁盘组件10绕主轴11旋转；小棘爪盘26通过驱动齿轮安装轴一22以及轴承安装在安装板8上，在下驱动齿轮21的驱动下旋转，棘爪27啮合带动磁铁盘组件10旋转。

如附图5至附图7所示，磁铁盘组件10包括棘轮28、磁铁29、磁铁嵌装盘30、安装基体31，磁铁29沿圆周阵列且磁极交错布置，磁铁29嵌装于磁铁嵌装盘30内，磁铁29与线圈12位置对应，交错布置的磁极有利于增大磁通量变化率，提高发电功率。磁铁嵌装盘30固定连接在安装基体31一面上，棘轮28固定连接在安装基体31另一面，安装基体31通过轴承安装在主轴11上，棘轮28在棘爪27啮合带动下旋转。

本发明的工作原理为：预压缩的水平弹簧具有负刚度特性，通过并联一对负刚度弹簧和一对正刚度的竖直弹簧构造了准零刚度系统，其系统特性使得与其相连的齿条滑块3容易因为人体运动起伏而产生较大位移，从而驱动齿轮机构发电。具体过程如下：

连接滑块齿条3向上运动时，带动两侧组合升频齿轮18旋转，两侧的运行过程类似，以右侧为例，组合升频齿轮18顺时针旋转(从附图3正视)，此时与之啮合的下驱动齿轮21逆时针方向旋转，与驱动齿轮安装轴一22固定连接的小棘爪盘26逆时针旋转，小棘爪盘26上的棘爪27啮合棘轮28，带动磁铁盘组件10顺时针旋转；同时，上驱动齿轮20在换向齿轮19的啮合驱动下旋转方向与下驱动齿轮21相反，为顺时针旋转，带动与驱动齿轮安装轴二24固定连接的大棘爪盘25顺时针旋转，大棘爪盘25上的棘爪27滑过棘轮28。同理，连接滑块齿条3向下运动时下驱动齿轮21顺时针旋转，小棘爪盘26上的棘爪27滑过棘轮28；同时，上驱动齿轮20逆时针旋转，大棘爪盘25上的棘爪27啮合棘轮28，带动磁铁盘组件10顺时针旋转。

由于采用了棘轮28和换向齿轮19，连接滑块齿条3的上下运动都能最终驱动磁铁盘组件10的高速单向旋转，引起线圈12内的磁通量变化发电。本发明设计的升频、换向机制起到了将人体运动时的低频起伏转化为磁铁盘组件10的高速转动的作用。磁铁盘组件10中的磁铁29磁极交错布置，且位置与线圈12对应，可以提高磁通量变化率，由于圆周阵列多个磁铁29，使得磁铁盘组件10旋转一周可以产生多个磁激励，因此也具有升频作用。

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 (8)

1.一种准零刚度人体运动能量采集背包，其特征在于：包括准零刚度人体运动能量采集器(1)，所述准零刚度人体运动能量采集器(1)通过连接滑块齿条(3)上的安装凸块与负重背包(2)相连，所述准零刚度人体运动能量采集器(1)包括壳体(4)、前盖板(5)、准零刚度组件(6)、传动组件(7)、安装板(8)、棘爪盘组件(9)、磁铁盘组件(10)、主轴(11)、线圈(12)、后板(13)，所述壳体(4)前端安装有前盖板(5)，所述壳体(4)内装设有安装板(8)、后板(13)，所述后板(13)设于安装板(8)后侧，所述准零刚度组件(6)与壳体(4)连接，所述传动组件(7)安装在安装板(8)上，所述传动组件(7)与准零刚度组件(6)啮合连接，所述棘爪盘组件(9)安装在安装板(8)另一面，所述棘爪盘组件(9)与磁铁盘组件(10)啮合连接，所述传动组件(7)在准零刚度组件(6)的带动下旋转，并通过棘爪盘组件(9)带动磁铁盘组件(10)旋转，所述磁铁盘组件(10)通过轴承安装在主轴(11)上，且与线圈(12)对应布置，所述线圈(12)圆周阵列嵌装于后板(13)内。

2.如权利要求1所述的准零刚度人体运动能量采集背包，其特征在于：所述准零刚度组件(6)包括弹簧安装块(14)、齿条滑轨轴(15)、连接滑块齿条(3)、负刚度弹簧(16)和正刚度弹簧(17)，所述准零刚度组件(6)通过弹簧安装块(14)、齿条滑轨轴(15)与壳体(4)连接，所述弹簧安装块(14)左右对称布置，且固定安装在壳体(4)左右板内侧，所述齿条滑轨轴(15)竖直安装在壳体(4)上下板之间；所述连接滑块齿条(3)可上下滑动式安装在齿条滑轨轴(15)上，所述连接滑块齿条(3)上下方各设置一个正刚度弹簧(17)，所述连接滑块齿条(3)左右两侧各铰接一个负刚度弹簧(16)，所述连接滑块齿条(3)两侧啮合连接传动组件(7)，两组传动组件(7)对称分布于连接滑块齿条(3)两侧，所述连接滑块齿条(3)正面设有安装凸块与负重背包(2)嵌合连接；所述负刚度弹簧(16)一端连接在弹簧安装块(14)上，所述负刚度弹簧(16)另一端与连接滑块齿条(3)侧面铰接，所述正刚度弹簧(17)安装在齿条滑轨轴(15)上，所述正刚度弹簧(17)一端与壳体(4)连接，所述正刚度弹簧(17)另一端与连接滑块齿条(3)连接。

3.如权利要求1或2所述的准零刚度人体运动能量采集背包，其特征在于：所述传动组件(7)包括组合升频齿轮(18)、换向齿轮(19)、上驱动齿轮(20)、下驱动齿轮(21)，所述组合升频齿轮(18)通过主轴(11)以及轴承安装在安装板(8)上，所述组合升频齿轮(18)由大齿轮与小齿轮组合而成，所述小齿轮与连接滑块齿条(3)啮合连接，所述大齿轮下方与下驱动齿轮(21)啮合连接，所述大齿轮上方与换向齿轮(19)啮合连接，所述换向齿轮(19)与上驱动齿轮(20)啮合连接。

4.如权利要求3所述的准零刚度人体运动能量采集背包，其特征在于：所述下驱动齿轮(21)通过驱动齿轮安装轴一(22)以及轴承安装在安装板(8)上，所述换向齿轮(19)通过换向齿轮安装轴(23)以及轴承安装在安装板(8)上，所述上驱动齿轮(20)通过驱动齿轮安装轴二(24)以及轴承安装在安装板(8)上。

5.如权利要求3所述的准零刚度人体运动能量采集背包，其特征在于：所述组合升频齿轮(18)的大齿轮齿数大于上驱动齿轮(20)、下驱动齿轮(21)的齿数。

6.如权利要求3所述的准零刚度人体运动能量采集背包，其特征在于：所述安装板(8)另一面装设有两组棘爪盘组件(9)，两组棘爪盘组件(9)左右对称布置，所述棘爪盘组件(9)由大棘爪盘(25)、小棘爪盘(26)、棘爪(27)组成，所述大棘爪盘(25)位于小棘爪盘(26)上方，所述大棘爪盘(25)、小棘爪盘(26)上均沿圆周阵列安装有棘爪(27)，每个棘爪(27)均可绕铰接处自由摆动，所述大棘爪盘(25)在上驱动齿轮(20)的驱动下旋转，所述小棘爪盘(26)在下驱动齿轮(21)的驱动下旋转，所述棘爪(27)啮合带动磁铁盘组件(10)绕主轴(11)旋转。

7.如权利要求6所述的准零刚度人体运动能量采集背包，其特征在于：所述大棘爪盘(25)通过驱动齿轮安装轴二(24)以及轴承安装在安装板(8)上，所述小棘爪盘(26)通过驱动齿轮安装轴一(22)以及轴承安装在安装板(8)上。

8.如权利要求6所述的准零刚度人体运动能量采集背包，其特征在于：所述磁铁盘组件(10)包括棘轮(28)、磁铁(29)、磁铁嵌装盘(30)、安装基体(31)，所述磁铁(29)沿圆周阵列且磁极交错布置，所述磁铁(29)嵌装于磁铁嵌装盘(30)内，所述磁铁(29)与线圈(12)位置对应，所述磁铁嵌装盘(30)固定连接在安装基体(31)一面，所述棘轮(28)固定连接在安装基体(31)另一面，所述安装基体(31)通过轴承安装在主轴(11)上，所述棘轮(28)在棘爪(27)啮合带动下旋转。

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