CN113565713B - 一种基于人机电耦合协调的运动能量捕获系统 - Google Patents

一种基于人机电耦合协调的运动能量捕获系统 Download PDF

Info

Publication number
CN113565713B
CN113565713B CN202110977379.1A CN202110977379A CN113565713B CN 113565713 B CN113565713 B CN 113565713B CN 202110977379 A CN202110977379 A CN 202110977379A CN 113565713 B CN113565713 B CN 113565713B
Authority
CN
China
Prior art keywords
electric energy
resistor
electromagnet
magnetic switch
human body
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110977379.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113565713A (zh
Inventor
陈晓
谢龙汉
冼晓明
李茂辉
林圣棋
黄国威
祖媛媛
黄乐登
王睿诗
孟令卿
杨振华
王惜亮
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China University of Technology SCUT
Institute of Quartermaster Engineering Technology Institute of Systems Engineering Academy of Military Sciences
Original Assignee
South China University of Technology SCUT
Institute of Quartermaster Engineering Technology Institute of Systems Engineering Academy of Military Sciences
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China University of Technology SCUT, Institute of Quartermaster Engineering Technology Institute of Systems Engineering Academy of Military Sciences filed Critical South China University of Technology SCUT
Priority to CN202110977379.1A priority Critical patent/CN113565713B/zh
Publication of CN113565713A publication Critical patent/CN113565713A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113565713B publication Critical patent/CN113565713B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G5/00—Devices for producing mechanical power from muscle energy
    • F03G5/06—Devices for producing mechanical power from muscle energy other than of endless-walk type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/02—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/14—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from dynamo-electric generators driven at varying speed, e.g. on vehicle

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Magnetic Treatment Devices (AREA)
  • Rehabilitation Tools (AREA)

Abstract

本发明提出了一种基于人机电耦合协调的运动能量捕获系统，包括电路控制装置、电能调理装置和人体腿部装置；人体腿部装置用于将腿部运动的机械能转化成电能；电路控制装置用于根据人体的运动状态将人体腿部装置所产生的电能接入到不同的电路中，最终通过电能调理装置输出至电能需求端。针对目前运动能量捕获系统因人机不协调所带来的不舒适体验，本发明通过电路控制装置使发电机按实际需求接入，消除不协调所带来的不舒适并高效捕获有效能量。该系统能够实现人体运动能量捕获的舒适性、高效性、科学性。

Description

一种基于人机电耦合协调的运动能量捕获系统
技术领域
本发明涉及可再生能源技术领域，具体涉及一种能够实现人-机-电耦合协调的运动能量捕获系统。
背景技术
随着科学技术的发展，可穿戴设备越来越多地走进人们的生活。利用可穿戴式的下肢助力装置和人体动能捕获装置为可穿戴的电子设备供电也成为人们关注的热点。然而，人体动能捕获器在捕获能量的同时，是以人体支出额外生物能为代价的。人体支出的这部分额外生物能可能会影响人的正常活动，给人体带来不适感。因此，有必要寻找一种新的方法，既可以辅助人体的运动，减少生物能的支出，同时还能够捕获人体动能，且不给人体带来不适感。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于人机电耦合协调的运动能量捕获系统。该基于人机电耦合协调的运动能量捕获系统运用于可再生能源捕获中。穿戴式人体腿部装置固定板分别穿紧于大、小腿，通过大小腿间的相对旋转运动带动转轴与发电机转动，将人体运动的机械能转化为电能。电路控制装置安装于腿部，通过电磁铁中的电流大小控制磁性开关的开闭，使电能进入不同的处理电路。电能调理装置通过将发电电能整流并通过滤波电容，形成稳定的直流电并储存在电池之中。当需要使用储存能量时，电能从输出接口输出使用。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种基于人机电耦合协调的运动能量捕获系统，包括电路控制装置、电能调理装置和人体腿部装置；所述的人体腿部装置用于将腿部运动的机械能转化成电能；所述的电路控制装置用于根据人体的运动状态将所述人体腿部装置所产生的电能接入到不同的电路中，最终通过所述的电能调理装置输出至电能需求端。
优选地，所述的电路控制装置包括第一电磁铁和第二电磁铁、第一磁性开关、第二磁性开关、第一电阻、第二电阻和限流电阻；所述的第一电阻和第二电阻串联；所述的第二磁性开关与第二电阻并联；所述第一磁性开关的控制端与所述第一电磁铁的控制端连接；所述第二磁性开关的控制端与所述第二电磁铁的控制端连接；所述第一磁性开关的第一端与所述的第一电阻连接；所述第一磁性开关的第二端与所述的第一电磁铁的第一端连接；所述第二磁性开关的第一端连接在所述的第一电阻和第二电阻之间；所述第二磁性开关的第二端与所述的第一电磁铁的第二端连接；所述第二电磁铁的第一端与所述的第一电磁铁的第一端连接；所述第二电磁铁的第二端与所述的第一电磁铁的第二端连接；所述的第一电磁铁的第二端与所述的限流电阻的第一端连接；所述的限流电阻的第二端与所述的第二电阻第二端连接。
当人体发生屈膝和伸膝动作时，第一电磁铁达到响应值后使第一磁性开关闭合，将第一电阻和第二电阻均接入到电路中，降低电磁阻力，消除发电机惯性影响；同时电能调理装置接入到电路之中，电池开始充电。
步行过程中，屈膝和伸膝动作使膝关节转动速度加大，发电机所产生的电能增加，使第二电磁铁达到响应值后使第二磁性开关闭合，进而使第二电阻短路，增大发电机的输出功率，提高能量捕获的有效性。
优选地，所述的电能调理装置包括整流桥、滤波电容、电池与输出接口；所述的滤波电容、电池与输出接口并联，所述滤波电容、电池与输出接口的第一端均与所述第一磁性开关的第一端连接；所述滤波电容、电池与输出接口的第二端均与所述的第一电磁铁的第二端连接；电能通过电路控制装置后，进入到电能调理装置进行调理。整流桥用于将发电机产生的电流转化成直流电，该直流电进入滤波电容进行电能稳压，随后输入至电池中；当需要用电时，通过输出接口输出电池中所储存的能量。
所述的整流桥的第一端与所述第一磁性开关的第二端连接；所述的整流桥的第二端分别与所述的限流电阻的第二端和所述第二磁性开关的第二端连接。
优选地，所述的人体腿部装置包括固定板、转轴和发电机，所述的人体腿部装置通过固定板安装在大腿和小腿之间，通过大腿和小腿间的相对旋转运动带动转轴与发电机转动，将人体运动的机械能转化为电能。
所述发电机的第一端与所述整流桥的第三端连接；所述发电机的第二端与所述整流桥的第四端连接。
进一步优选地，所述的电路控制装置根据所述的人体腿部装置所产生的电能大小判断人体运动状态从而选择不同的电路进行导通。
从上述技术方案可以看出，本发明所述的基于人机电耦合协调的运动能量捕获系统具有如下有益效果：
本发明所述的基于人机电耦合协调的运动能量捕获系统能够根据人体腿部装置所产生的电能大小判断人体运动状态从而选择不同的电路进行导通，使使用者做到舒适起步，高效收集。
针对目前运动能量捕获系统因人机不协调所带来的不舒适体验，本发明通过电路控制装置使发电机按实际需求接入，消除不协调所带来的不舒适并高效捕获有效能量，整个系统能够实现人体运动能量捕获的舒适性、高效性、科学性。
附图说明
图1是本发明所述的基于人-机-电耦合协调的运动能量捕获系统的整体结构示意图。
图2是所述的基于人-机-电耦合协调的运动能量捕获系统的电路部分的示意图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。
如图1和图2所示，本发明所述的基于人机电耦合协调的运动能量捕获系统包括电路控制装置1、电能调理装置2和人体腿部装置3；所述的人体腿部装置3用于将腿部运动的机械能转化成电能；所述的电路控制装置1用于根据人体的运动状态将所述人体腿部装置所产生的电能接入到不同的电路中，最终通过所述的电能调理装置2输出至电能需求端。
优选地，所述的电路控制装置包括第一电磁铁5-1和第二电磁铁5-2、第一磁性开关6-1、第二磁性开关6-2、第一电阻7-1、第二电阻7-2和限流电阻12。所述的第一电阻7-1和第二电阻7-2串联；所述的第二磁性开关6-2与第二电阻7-2并联；所述第一磁性开关6-1的控制端与所述第一电磁铁5-1的控制端连接；所述第二磁性开关6-2的控制端与所述第二电磁铁5-2的控制端连接；所述第一磁性开关6-1的第一端与所述的第一电阻7-1连接；所述第一磁性开关6-1的第二端与所述的第一电磁铁5-1的第一端连接；所述第二磁性开关6-2的第一端连接在所述的第一电阻7-1和第二电阻7-2之间；所述第二磁性开关6-2的第二端与所述的第一电磁铁5-1的第二端连接；所述第二电磁铁5-2的第一端与所述的第一电磁铁5-1的第一端连接；所述第二电磁铁5-2的第二端与所述的第一电磁铁5-1的第二端连接；所述的第一电磁铁5-1的第二端与所述的限流电阻12的第一端连接；所述的限流电阻12的第二端与所述的第二电阻7-2第二端连接。
当人体发生屈膝和伸膝动作时，第一电磁铁5-1达到响应值后使第一磁性开关6-1闭合，将第一电阻7-1和第二电阻7-2均接入到电路中，降低电磁阻力，消除发电机惯性影响。同时电能调理装置2接入到电路之中，电池9开始充电。
当人体发生屈膝和伸膝动作时，第二电磁铁5-2达到响应值后使第二磁性开关6-2闭合，进而使第二电阻7-2短路，增大发电机的输出功率，提高能量捕获的有效性。
优选地，所述的电能调理装置2包括整流桥10、滤波电容8、电池9与输出接口11。所述的滤波电容8、电池9与输出接口11并联，所述滤波电容8、电池9与输出接口11的第一端均与所述第一磁性开关6-1的第一端连接；所述滤波电容8、电池9与输出接口11的第二端均与所述的限流电阻12的第二端连接；电能通过电路控制装置1后，进入到电能调理装置2进行调理。整流桥10用于将发电机4产生的电流转化成直流电，该直流电进入滤波电容8进行电能稳压，随后输入至电池9中。当需要用电时，通过输出接口11输出电池9中所储存的能量。
所述的整流桥10的第一端与所述第一磁性开关6-1的第二端连接；所述的整流桥10的第二端分别与所述的限流电阻12的第二端和所述第二磁性开关6-2的第二端连接。
优选地，所述的人体腿部装置3包括固定板、转轴和发电机4，所述的人体腿部装置通过固定板安装在大腿和小腿之间，通过大腿和小腿间的相对旋转运动带动转轴与发电机转动，将人体运动的机械能转化为电能。
所述发电机4的第一端与所述整流桥10的第三端连接；所述发电机4的第二端与所述整流桥10的第四端连接。
进一步优选地，所述的电路控制装置1根据所述的人体腿部装置3所产生的电能大小判断人体运动状态从而选择不同的电路进行导通。使使用者做到舒适起步，高效收集。整个系统实现人体运动能量捕获的舒适性、高效性、科学性。
具体来说，当所述的人体腿部装置3能产生的电能，并在人体运动状态为屈膝、伸膝动作时能产生4W以上的电能，使第二电磁铁5-2达到响应值后将第二磁性开关6-2闭合，进而使第二电阻7-2短路；当所述的人体腿部装置3所产生的电能小时，判断人体运动状态为人体发生屈膝和伸膝动作，第一电磁铁5-1达到响应值后使第一磁性开关6-1闭合，将第一电阻7-1和第二电阻7-2均接入到电路中。根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于人机电耦合协调的运动能量捕获系统，其特征在于：包括电路控制装置、电能调理装置和人体腿部装置；所述的人体腿部装置用于将腿部运动的机械能转化成电能；所述的电路控制装置用于根据人体的运动状态将所述人体腿部装置所产生的电能接入到不同的电路中，最终通过所述的电能调理装置输出至电能需求端；
所述的电路控制装置包括第一电磁铁和第二电磁铁、第一磁性开关、第二磁性开关、第一电阻、第二电阻和限流电阻；所述的第一电阻和第二电阻串联；所述的第二磁性开关与第二电阻并联；所述第一磁性开关的控制端与所述第一电磁铁的控制端连接；所述第二磁性开关的控制端与所述第二电磁铁的控制端连接；所述第一磁性开关的第一端与所述的第一电阻连接；所述第一磁性开关的第二端与所述的第一电磁铁的第一端连接；所述第二磁性开关的第一端连接在所述的第一电阻和第二电阻之间；所述第二磁性开关的第二端与所述的第一电磁铁的第二端连接；所述第二电磁铁的第一端与所述的第一电磁铁的第一端连接；所述第二电磁铁的第二端与所述的第一电磁铁的第二端连接；所述的第一电磁铁的第二端与所述的限流电阻的第一端连接；所述的限流电阻的第二端与所述的第二电阻第二端连接；
所述的人体腿部装置包括固定板、转轴和发电机，所述的人体腿部装置通过固定板安装在大腿和小腿之间，通过大腿和小腿间的相对旋转运动带动转轴与发电机转动，将人体运动的机械能转化为电能；
所述的电路控制装置根据所述的人体腿部装置所产生的电能大小判断人体运动状态从而选择不同的电路进行导通。
2.根据权利要求1所述的基于人机电耦合协调的运动能量捕获系统，其特征在于，当人体发生屈膝和伸膝动作时，第一电磁铁5-1中的电流达到响应值后使第一磁性开关6-1闭合，将第一电阻7-1和第二电阻7-2均接入到电路中，降低电磁阻力，消除发电机惯性影响；同时电能调理装置接入到电路之中，电池开始充电。
3.根据权利要求1所述的基于人机电耦合协调的运动能量捕获系统，其特征在于，步行过程中，屈膝和伸膝动作使膝关节转动速度加大，发电机所产生的电能增加，使第二电磁铁达到响应值后使第二磁性开关闭合，第二电阻被短路，干路总电阻降低，增大发电机的输出功率，提高能量捕获的有效性。
4.根据权利要求1所述的基于人机电耦合协调的运动能量捕获系统，其特征在于，所述的电能调理装置包括整流桥、滤波电容、电池与输出接口；所述的滤波电容、电池与输出接口并联，所述滤波电容、电池与输出接口的第一端均与所述第一磁性开关的第一端连接；所述滤波电容、电池与输出接口的第二端均与所述的第一电磁铁的第二端连接；电能通过电路控制装置后，进入到电能调理装置进行调理；整流桥用于将发电机产生的电流转化成直流电，该直流电进入滤波电容进行电能稳压，随后输入至电池中；当需要用电时，通过输出接口输出电池中所储存的能量。
5.根据权利要求1所述的基于人机电耦合协调的运动能量捕获系统，其特征在于，整流桥的第一端与所述第一磁性开关的第二端连接；所述的整流桥的第二端分别与所述的限流电阻的第二端和所述第二磁性开关的第二端连接。
6.根据权利要求1所述的基于人机电耦合协调的运动能量捕获系统，其特征在于，所述发电机的第一端与整流桥的第三端连接；所述发电机的第二端与所述整流桥的第四端连接。
CN202110977379.1A 2021-08-24 2021-08-24 一种基于人机电耦合协调的运动能量捕获系统 Active CN113565713B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110977379.1A CN113565713B (zh) 2021-08-24 2021-08-24 一种基于人机电耦合协调的运动能量捕获系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110977379.1A CN113565713B (zh) 2021-08-24 2021-08-24 一种基于人机电耦合协调的运动能量捕获系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113565713A CN113565713A (zh) 2021-10-29
CN113565713B true CN113565713B (zh) 2022-12-27

Family

ID=78172554

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110977379.1A Active CN113565713B (zh) 2021-08-24 2021-08-24 一种基于人机电耦合协调的运动能量捕获系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113565713B (zh)

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7884579B2 (en) * 2007-10-26 2011-02-08 Alliant Techsystems Inc. Energy capture circuit
WO2009091807A1 (en) * 2008-01-14 2009-07-23 Veryst Engineering Llc Apparatus for in vivo energy harvesting
US8736087B2 (en) * 2011-09-01 2014-05-27 Bionic Power Inc. Methods and apparatus for control of biomechanical energy harvesting
CN105003402B (zh) * 2015-09-01 2018-01-02 王保进 人体腿部运动能量收集系统及收集方法
US10033304B2 (en) * 2015-11-19 2018-07-24 Analog Devices Global Piezoelectric impact energy harvesting
US10195099B2 (en) * 2016-01-11 2019-02-05 Bionic Power Inc. Method and system for intermittently assisting body motion
CN108087224A (zh) * 2016-11-23 2018-05-29 比亚迪股份有限公司 运动能量收集电路和便携式电子设备
US10938276B2 (en) * 2018-10-16 2021-03-02 Thomas Nikita Krupenkin Method and apparatus for mechanical energy harvesting using variable inductance magnetic flux switch
CN111600506A (zh) * 2020-06-04 2020-08-28 武汉理工大学 一种利用pvdf和电路实现能量转化的装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN113565713A (zh) 2021-10-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN206301174U (zh) 一种新型可控电磁敲打力度的电路
CN113565713B (zh) 一种基于人机电耦合协调的运动能量捕获系统
KR20140078743A (ko) 수동으로 스위칭되는 컨버터 및 이를 포함하는 회로들
TW200522492A (en) Method of starting power-converting apparatus
CN215804978U (zh) 一种基于人机电耦合协调的穿戴式运动能量捕获系统
TWM413972U (en) Ion balance Regulating device
Cheng et al. A 0.25 μm HV-CMOS synchronous inversion and charge extraction (SICE) interface circuit for piezoelectric energy harvesting
CN209516686U (zh) 一种微处理器工作控制电路
CN201928364U (zh) 一种电视机装置
CN201532607U (zh) 具备整合电力系统的电源供应器
CN101604859B (zh) 电池充电电路
CN114285132B (zh) 一种低功耗能源采集电路
Lakshmi Design and analysis of batteryless cardiac pacemaker through combining thermoelectric generators along with DC‐DC converter.
CN113572307A (zh) 一种用于能量收集的下肢外骨骼
CN201570977U (zh) 一种电荷泵升压电路
CN208962010U (zh) 机器人按键控制系统及机器人
CN107394999A (zh) 变频控制方法、变频控制装置和离子发生器
Lin et al. Circuit Designing for Charging Energy Storage Batteries with a Knee-joint Biomechanical Energy Harvester Aiming at the Optimal Total-Cost-of-Harvesting
CN110311438A (zh) 充电装置及其操作方法
CN105912956B (zh) 一种控制电路及关机控制方法
CN211629916U (zh) 一种电动牙刷
CN205283428U (zh) 基于压电电磁集成发电的移动电源
CN104617582B (zh) 一种光热并网发电有载调压控制方法
CN106685047A (zh) 一种膝关节自发电及储能一体化装置
Oh et al. A 316.5 nA Quiescent Current of DC–DC Converter with 92.8% Peak Efficiency for a IoT Application

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant